强化冶金是冶金行业实现节能减排的重要途径,是冶金技术的一个重要发展方向。但是强化冶金必然会给冶金炉的耐火砖衬造成严重损伤,因此,如何保护炉衬成为强化冶金的关键技术。目前最有效的办法是在冶金炉的砖砌之间镶嵌铜水套,埋管铸造方式生产铜水套由于具有工艺简单、冷却水管可自由设计、使用可靠性大等突出的优点,成为铜水套研发的热点。而如何消除预埋冷却管与纯铜基体的间隙以及消除气孔等铸造缺陷,是改善铜水套冷却效果的关键。与预埋纯铜管水套相比,预埋Monel合金管铜水套由于具有更高的可靠性,近年来更得到关注。本文基于冶金闪速炉对铸造铜水套的需求,选用某型铜水套为研究对象。首先研究了不同浇铸温度和模具温度对铜水套充型流动场和温度场的影响,然后采用雨淋浇铸方式制备了铜水套小试验件和成品铸件,探讨了浇铸温度和埋管外壁形貌对铜水套界面冶金结合特性的影响,分析了不同浇铸温度和埋管方式对铜水套界面组织及冶金结合性能的影响。主要结果如下:(1)不同浇铸温度下的金属液充型过程和凝固过程数值模拟结果表明,1250℃是最为合适的浇铸温度;不同模具温度下的金属液充型过程和凝固过程数值模拟结果表明,100℃~200℃是最合适的模具温度。(2)埋管外壁形貌影响预埋Monel合金管铸造铜水套的界面结合特性。在1150℃、1200℃和1250℃三个浇铸温度下,随着浇铸温度的升高,光滑管铸件的界面界面层平均厚度从16.03μm增加至29.22μm,螺纹管铸件的界面层厚度从15.99μm增加至19.51μm。在同一浇铸温度下,光滑管铸件的扩散层平均厚度大于螺纹管铸件,显微硬度小于螺纹管铸件,但光滑管铸件的界面剪切强度与螺纹管铸件的界面剪切强度相当。浇铸温度为1150℃时,铸件界面层的显微硬度和剪切强度都明显低于浇铸温度高于1200℃的铸件。1200℃、螺纹管铸件的界面层硬度达到最大值109 HV,1250℃、光滑管铸件的界面剪切强度达到最大值170 MPa。(3)护管方式影响预埋Monel合金管铸造铜水套的界面组织及冶金结合特性。当浇铸温度为1180℃时,埋硅砂铸件和通氮气铸件的界面层平均厚度分别为18.07μm和18.35μm,结合面的维氏显微硬度平均值分别为92 HV和96 HV,剪切强度平均值分别为136 MPa和167 MPa;当浇铸温度为1240℃时,埋硅砂铸件和通氮气铸件的界面层平均厚度分别为28.31μm和29.48μm,结合面的维氏显微硬度平均值分别为112 HV和120 HV,剪切强度平均值分别为172 MPa和198 MPa。预埋管通氮气铸件的冶金结合性能高于埋硅砂铸件。(4)针对本研究中所选用的预埋Monel合金管铜水套模具和材料,结合数值模拟和实验结果表明,较合适的埋管铸造工艺参数为:浇铸温度1240℃,模具温度180℃,充型时间30 s,埋管外壁形貌为光滑管,护管方式为通氮气;在最优铸造工艺下,预埋Monel合金管铸件的冶金结合率可达99.1%、抗拉强度可达190 MPa、延伸率可达42%、导电率可达88%(IACS),满足冶金炉用铜冷却水套的使用要求。