影響球墨鑄鐵管的質(zhì)量因素分析與對策*

武衛(wèi)林 徐楊斌 王海玲(安鋼集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司)

影響球墨鑄鐵管的質(zhì)量因素分析與對策*

武衛(wèi)林 徐楊斌 王海玲(安鋼集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對水冷金屬型離心球墨鑄鐵管影響質(zhì)量的常見因素如裂紋、斷裂、冷隔、重皮及夾渣等缺陷，分析了形成缺陷的原因，提出的防止缺陷產(chǎn)生的措施，能有效地控制和減少廢品的產(chǎn)生，提高了鑄管綜合合格率。

裂紋 斷裂 冷隔 重皮 夾渣

0 前言

球墨鑄鐵管與其它管材相比，具有較高的抗內(nèi)壓、外壓能力，較好的耐腐蝕性和耐磨性。在使用方面，它具有施工方便，接口密封性能好，管網(wǎng)運(yùn)行安全系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。近年來，離心球墨鑄鐵管的市場普及量迅猛發(fā)展，尤其是在城市供水工程中，球墨鑄鐵管的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，基本上取代了其它管材。水冷金屬型離心球墨鑄鐵管的生產(chǎn)原理是高速旋轉(zhuǎn)的鑄造模具產(chǎn)生巨大的離心力，在離心力的作用下鐵液迅速結(jié)晶、凝固，同時(shí)氣體、夾渣等從液態(tài)金屬中分離，球墨鑄鐵管組織致密，這種鑄造方法明顯地比其它鑄造方法好。

1 概況

安鋼集團(tuán)永通鑄鐵管公司現(xiàn)有水冷式金屬型離心球墨鑄鐵管機(jī)6臺(tái)，主要生產(chǎn)DN80 mm～DN1200 mm，長度為5 m～6 m規(guī)格的球墨鑄鐵管。近年來，隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大，球墨鑄鐵管的質(zhì)量也在逐步穩(wěn)定和提高，在生產(chǎn)中，由于操作不熟練、參數(shù)調(diào)整不到位或者工藝條件限制，通常會(huì)出現(xiàn)裂紋、斷裂、冷隔、重皮和夾渣等質(zhì)量缺陷，這些缺陷的產(chǎn)生，影響了鑄管的內(nèi)在性能及使用壽命。為了避免這些缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高球墨鑄鐵管的綜合合格率，對以上缺陷進(jìn)行原因分析，提出質(zhì)量改進(jìn)辦法。減少了缺陷管的產(chǎn)生，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 存在問題及分析

2.1 裂紋、斷裂

在鑄管的外表面產(chǎn)生圓周或縱向裂紋。裂紋常見的形式有管身裂紋和承口的裂紋，如圖1、圖2所示。

圖1 管身裂紋

圖2 承口裂紋斷裂后

裂紋產(chǎn)生的原因分析如下:

1)機(jī)械阻礙。當(dāng)承口部位的鐵液鉆入砂芯與管模的間隙中形成飛邊、毛刺時(shí)，或鉆入管模龜裂紋時(shí)，鑄管的收縮將受阻礙，在鑄管內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)引起圓周裂紋，甚至斷裂。

2)冷卻速度不均勻。在水冷金屬型小口徑鑄管的澆鑄過程中，因流槽震動(dòng)濺出鐵液，這少量的鐵液在澆鑄前被離心旋轉(zhuǎn)成環(huán)狀。隨后，當(dāng)正常澆鑄的鐵液覆蓋其上時(shí)，將導(dǎo)致局部傳熱條件遠(yuǎn)不如周圍鐵液，而出現(xiàn)熱夾點(diǎn)想象，即周圍鐵液已完全凝固，而該處鐵液正處在固液兩相區(qū)，從而導(dǎo)致周圍鑄管收縮量全部集中于此而造成開裂。

3)鑄造組織不均勻。①鐵液成分偏析。鑄管在凝固過程中，由于固相和液相成分的不同，密度相差較大，結(jié)果固相和液相分離，液態(tài)下析出的石墨在離心力的作用下，因密度小，極易集中在內(nèi)表面形成石墨偏析，F(xiàn)e3C中C與鐵形成化學(xué)鍵，使C以間隙原子存在于鐵晶格中，造成晶格畸變，導(dǎo)致應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋和斷裂;②鐵液濃度偏析。鐵液濃度偏析主要是有晶內(nèi)偏析引起，對熱裂有明顯的影響。晶內(nèi)偏析產(chǎn)生原理如圖3所示。

圖3 晶內(nèi)偏析產(chǎn)生原理

從圖3分析可以看出，先結(jié)晶出來的晶體中心部分含B成分的濃度小，而外層含B成分的濃度大，成分很不均勻。同時(shí)，結(jié)晶完畢的溫度下降，結(jié)晶粒的物理和化學(xué)性質(zhì)帶來了不均勻性，使合金的強(qiáng)度、塑性降低，由于鑄管冷卻不均勻而產(chǎn)生裂紋。

4)高脆性斷裂。隨流孕育劑加入過早，過量，硅含量增加，由于硅固溶于鐵素體組織，使晶格扭曲，將提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低球墨鑄鐵的沖擊韌度值，引起局部高硅應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋和斷裂。

2.2 表面重皮

在水冷金屬型離心鑄管的外表面經(jīng)常見到不連續(xù)的、近似螺旋線分布的冷隔型疤痕。疤痕又亮又細(xì)，嚴(yán)重時(shí)在向著插口方向出現(xiàn)分層現(xiàn)象，管身重皮如圖4所示。

圖4 管身重皮

重皮產(chǎn)生的原因分析如下:

鐵液澆入高速旋轉(zhuǎn)的管模時(shí)，在離心力的作用下，不僅產(chǎn)生徑向圓周流動(dòng)，同時(shí)也沿管模壁作軸向流動(dòng)。此時(shí)澆鑄流槽的大部分鐵液向前(承口方向)流動(dòng)，仍有少股鐵液向后(插口)方向流動(dòng)。有關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示，直徑300 mm的鑄管采用水冷金屬型生產(chǎn)時(shí)，鐵液向插口方向的流動(dòng)速度是150 mm/s～165 mm/s，常會(huì)在鐵液流出流槽落點(diǎn)的插口方向出現(xiàn)一股“超前流”，離心鑄管時(shí)型壁上形成的“超前流如圖5所示。

圖5 離心鑄管時(shí)型壁上形成的“超前流”

這股“超前流”鐵液量不多，它向插口方向移動(dòng)的速度越大，流股的厚度越薄。當(dāng)它一接觸到溫度較低的管模表面，受管模的急冷作用則迅速凝固。隨后澆鑄流槽出鐵口流動(dòng)到該軸向位置時(shí)，鐵液掉落在已凝固的“超前流”內(nèi)表面上。如未能與“超前流”金屬熔合在一起。就會(huì)形成冷隔夾層。“超前流”是由剛落在鑄型表面上的鐵液所組成，在慣性作用下，這股液態(tài)金屬的旋轉(zhuǎn)速度比鑄型的速度小，即它相對金屬型作與鑄型旋轉(zhuǎn)方向相反的圓周運(yùn)動(dòng)。這樣，在鑄型表面上液體金屬既做相對圓周運(yùn)動(dòng)又做相對運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)合，便在鑄型表面形成了螺旋線的分布狀態(tài)。

2.3 夾渣

夾渣通常分布在離心鑄管的內(nèi)表面及澆鑄的死角處，夾渣在斷面上呈斷續(xù)的暗黑色區(qū)域或斑點(diǎn)，無金屬光澤。微觀特征為有硫化物(MgS，F(xiàn)eS)及氧化物(MgO，SiO2，F(xiàn)eO，Al2O3)，在夾渣區(qū)除有球狀石墨外，還有類片狀石墨，夾渣現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 球鐵管中的夾渣100×

夾渣的出現(xiàn)大大的降低了鑄管的力學(xué)性能，特別是延伸率及沖擊韌性下降明顯，分析原因如下:

2.3.1 一次夾渣

球化處理時(shí)，Si、Mn、Mg、RE 等于鐵液中的 O、S產(chǎn)生反應(yīng)形成渣。稀土反應(yīng)產(chǎn)物—稀土氧化物的密度與鐵液密度相近，難以從鐵液中上浮。當(dāng)鐵液溫度低、渣上浮不充分或扒渣不凈而殘留在鐵液中時(shí)，形成一次夾渣。

2.3.2 二次夾渣

鐵液經(jīng)鎂處理后，在鐵液表面吸附了氧原子，鐵液表面氧化形成一層氧化膜。鐵液中殘留鎂越多、溫度越低，氧化膜就越厚。當(dāng)鐵液在吊運(yùn)、澆鑄過程中受到攪動(dòng)，氧化膜被撕成碎片狀而卷入鑄型時(shí)，將形成二次夾渣。

2.3.3 渣量殘留

球化處理后未扒凈渣，落槽的打結(jié)料、流槽涂料和管模粉團(tuán)塊裹入鐵液形成夾渣。

3 預(yù)防及控制措施

3.1 改進(jìn)離心設(shè)備，有效預(yù)防裂紋

為了減少鐵液在高溫的停留時(shí)間，加強(qiáng)孕育特別是隨流孕育效果。隨流孕育劑加入量為鐵液量的0.1%～0.25%;保證管模粉分布均勻，管模內(nèi)表面用量為20 g/m2～30 g/m2控制好水冷金屬型離心機(jī)的工藝參數(shù)，管模澆鑄轉(zhuǎn)速不易過高，其澆鑄轉(zhuǎn)速見表1。

表1 管模澆鑄轉(zhuǎn)速

在水冷金屬型離心機(jī)要防止流槽振動(dòng)造成鐵液濺出現(xiàn)象，承口砂芯要安放合適，避免產(chǎn)生毛刺?？刂畦F液成分，降低鐵液的含硅量，沖入球化劑后Wsi應(yīng)控制在0.8%～1.2%為宜。離心機(jī)機(jī)殼內(nèi)采用均勻布置圓弧形噴淋冷卻管，且分段設(shè)置，并避免各段的冷卻水相互影響，冷卻水管布置如圖7所示。

圖7 冷卻水管布置

3.2 優(yōu)化工藝參數(shù)，減少管身重皮

為了合理控制澆注溫度和機(jī)身冷卻水進(jìn)出口溫度，縮短兩次澆鑄之間的間隔時(shí)間。控制機(jī)身冷卻水進(jìn)口溫度為28℃～36℃，出口溫度為50℃～57℃，澆鑄溫度控制見表2。

在水冷金屬型離心鑄造工藝中，應(yīng)防止過高的澆鑄轉(zhuǎn)速，調(diào)整適宜的翻包速度和主機(jī)走速;保證管模的打點(diǎn)的深度為0.25 mm～0.3 mm、直徑為4 mm～5 mm、點(diǎn)與點(diǎn)邊緣間距為0.5 mm～0.7 mm;應(yīng)注意修復(fù)好流槽彎頭，調(diào)整好流槽在管模中間的位置如圖8所示。流槽與管模相對位置的具體數(shù)值見表3、表 4。

表2 管模澆鑄轉(zhuǎn)速

圖8 流槽與管模相對位置

表3 流槽與管模徑向相對位置

表4 流槽與管模軸向相對位置

3.3 控制原料加入，降低夾渣缺陷

為解決降低鐵液中的含硫量，減少硫化物渣的產(chǎn)生，應(yīng)控制WS＜0.02%:適當(dāng)提高澆鑄溫度，有利于夾渣上浮:球化劑中稀土含量不易過高，稀土含量應(yīng)控制在(質(zhì)量分?jǐn)?shù))1%～2%為宜;加強(qiáng)鐵液的扒渣和擋渣效果;鐵液中的殘鎂流量不易過高(殘留鎂量應(yīng)控制在0.035%～0.045%)，以減少鐵液表面氧化。

4 效果分析

1)在生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋、斷裂、重皮和夾渣等四種球墨鑄鐵管的缺陷進(jìn)行了分析，初步摸清了這些缺陷的產(chǎn)生原因，減少廢品，提高了鑄管的內(nèi)在質(zhì)量。

2)通過采取相應(yīng)的措施，控制各種缺陷的產(chǎn)生，鑄管內(nèi)在質(zhì)量缺陷得到了有效控制，2011年鑄管綜合合格率為97%，與2010年同比升高了1.46%，裂紋、重皮、夾渣得到控制，各種缺陷占產(chǎn)量比例對比見表5。

表5 改進(jìn)前后指標(biāo)對比

3)根據(jù)生產(chǎn)情況，每月份平均生產(chǎn)鑄管1.2 萬 t，可減少廢管量175.2 t，按鑄管加工費(fèi) 1350元/t計(jì)算，可節(jié)約成本23.65萬元。

5 結(jié)語

在球墨鑄鐵管生產(chǎn)過程中，工藝因素復(fù)雜多變，影響到鑄鐵管的質(zhì)量問題是多方面的，為了提高離心球墨鑄鐵管的質(zhì)量，必須對生產(chǎn)過程中鐵液的制備、球化和孕育處理、離心機(jī)工藝技術(shù)操作等各工序質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，減少生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生缺陷的原因加以分析，并采取相應(yīng)措施，減少缺陷管的產(chǎn)生，以提高球墨鑄鐵管的質(zhì)量和市場競爭力。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊第1卷鑄鐵.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:1－13.

［2］王振宇.鑄鐵.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:46－49.

［3］范英俊.離心球墨鑄鐵管工藝及裝備.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001:273－288.

ANALYSIS ON FACTORS INFLUENCING DUCTILE CAST－IRON PIPE QUALITY AND COUNTERMEASURE

Wu Weilin Xu Yangbin Wang Hailing
(Yongtong Ductile Cast Iron Pipe Co.，Ltd.Anyang Steel)

Based on the production practice of metal centrifugal nodular cast iron pipe，the common defects such as cracks，fracture，heavy leather and slag inclusion were analyzed，and countermeasures put forward which can control and reduce scrap and increase comprehensive roundness.

crack fracture cold insulation heavy leather slag inclusion

*聯(lián)系人:徐楊斌，高級(jí)工程師，河南.安陽(455113)，安鋼集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司;

2012—8—13