铸铜式冷却水套是冶金炉的关键冷却元件,在实现强化冶金的同时,也起到了保护炉衬、延长炉体寿命的作用。铸铜式冷却水套冷却效果与Cu/管界面及管的导热性能相关,而界面的导热性能取决于界面结构。Cu/Cu水套,Cu管易熔穿;Cu/Fe水套,Cu与Fe互溶度低,Fe管导热差;Cu/NiCu合金水套,界面冶金结合,可经受住高热负荷,但NiCu导热率低,水套热面温度高,不利于炉衬渣皮的形成和重建。本文针对预埋纯铜管、钢管、NiCu合金管铸造工艺难点,以铌白铜合金管(CuNi30Nb3Fe1)为预埋管,整体铸造铸铜冷却水套,采用ProCAST软件模拟水套铸件充型和凝固过程和实验验证结合,优化了预埋白铜管铸铜冷却水套铸铜整体铸造工艺,系统分析了铸铜与预埋管界面结合状态。获得主要结论如下。水套试验件尺寸为150mm×100mm×96mm,预埋铌白铜管内径为36mm壁厚为4mm。针对纯铜铸件凝固特点和预埋管水套试验件结构特点,选择了水套铸件浇注位置,采用比例法设计了冒口,设计了底注开放式、中注开放式、顶注开放式等三种浇注系统。铸造过程模拟结果表明:浇注温度为1250℃,入口速度为1.0m/s,埋管预热温度为250℃时,底注开放式充型平稳且铸件没有缩孔缩松缺陷出现。浇注系统为底注开放式,不同浇注温度下水套试验件埋管温度场模拟结果表明:浇注温度在1280℃~1320℃范围内,预埋管外表面所取5个特殊位置节点最高温度均达到其熔点1185.32℃并持续了一段时间,内表面各节点温度均未达到其熔点,说明水套试验件界面发生熔合且埋管不被熔穿。浇注温度为1350℃时,预埋管内表面最高温度达到1192℃,超过埋管合金熔点并持续约29s,埋管被熔穿的可能性大。大气条件下砂型铸造了水套试验件,埋管预热温度为250℃时,不同浇注温度浇注得到的试验件界面熔合状况分析结果表明:浇注温度为1240℃时,水套试验件界面部分机械结合,仅部分熔合;浇注温度为1280℃、1320℃时,水套试验件界面出现了熔合过渡层,且温度为1320℃,过渡层更宽些。浇注温度为1240℃、1280℃、1320℃水套试验件界面无间隙率分别为69.6%、98.2%、98.5%,浇注温度为1350℃时,预埋管被熔穿。工业用水套铸件尺寸为1080mm×460mm×100mm,预埋铌白铜管内径为36mm,壁厚为4mm。针对纯铜铸件凝固特点和工业用大型尺寸预埋管铜冷却水套结构特点,选择了水套铸件浇注位置,采用比例法设计了冒口,设计了平浇底注式、立浇底注式、倾斜底注式三种浇注工艺方案。铸造过程模拟结果表明:埋管预热温度为250℃时,浇注温度为1250℃,入口速度为1.0m/s时,倾斜底注式充型过程没有发生飞溅、紊流等现象,充型过程基本平稳,基本实现了顺序凝固,出现缩孔缩松的可能性非常小。对倾斜底注式工艺方案通过加大冒口尺寸增大冒口补缩效果进一步优化,浇注温度在1250℃,埋管预热温度为250℃,入口速度为1.0m/s模拟结果显示,铸件没有出现缩孔缩松缺陷。浇注系统为倾斜底注式,不同浇注温度和埋管预热温度下预埋管温度场模拟结果表明,浇注温度越高,埋管发生熔合的可能性越大。浇注温度为1250℃、1300℃时,预埋管分别在0.6mm、2mm壁厚处最高温度达到其熔点,并分别持续了约35s、32s。内表面温度均未达到其熔点。通过分析浇注温度及埋管预热温度对熔合状况的影响,确定埋管预热温度为250℃,浇注温度在1250℃~1300℃能基本保证工业用预埋铌白铜管铜水套界面实现良好冶金结合且预埋管不被熔穿。