20 寸鋯右球閥鑄造工藝研究

（西安泵閥總廠有限公司，陜西 西安 710025）

金屬鋯及其合金熔點(diǎn)高，密度大，線膨脹系數(shù)、彈性模量和比熱均低于鈦，熱導(dǎo)率與鈦相當(dāng)，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。由于金屬鋯及鋯合金對酸液、堿液、熔堿、鹽液、高溫水和蒸汽有優(yōu)良的抗蝕能力，所以被廣泛用于石油、化工、造紙、釀酒、制鹽、制藥、食品加工、海洋工程等行業(yè)[1，2]。用來制備流體機(jī)械中的泵體、葉輪、閥門等部件，不僅能夠滿足比較惡劣的工況條件，同時(shí)可延長設(shè)備壽命，總效費(fèi)比大大提高，全壽命費(fèi)用降低[3]。

1 閥體的材料及結(jié)構(gòu)特征

本文所述鋯閥鑄件應(yīng)用于我國某化工企業(yè)新建醇基多聯(lián)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的甲基丙烯酸甲脂（MMA）生產(chǎn)裝置中，過流介質(zhì)中含有濃度小于10%的稀硫酸，介質(zhì)溫度為150 ℃～160 ℃，鋯材料在該工況下具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，可實(shí)現(xiàn)腐蝕速率小于0.05 mm/年。另外鋯材與其他可適用材料相比不易產(chǎn)生吸氫現(xiàn)象，因而更適用于高溫高壓的化學(xué)反應(yīng)工況條件[1，4]，Zr702C 金屬熔點(diǎn)（Tm＝1 852 ℃±2 ℃）高于鈦材鑄件的熔點(diǎn)（Tm＝1 660 ℃±10 ℃），Zr702C 合金的密度、黏度、潛熱、固相率隨溫度的變化曲線如圖1 所示[5]。

國內(nèi)外對于鋯鑄件鑄造所用耐火材料研究較少，實(shí)際生產(chǎn)中對其耐火材料的選取通常參考鈦鑄件，常用耐火材料對于鈦材的反應(yīng)情況見表1[6].由表1 可以看出適用于鈦鑄件的耐火材料有：氧化鈣、氧化釷、碳化鈦及石墨。但是，氧化鈣在生產(chǎn)中極易遇水吸潮；氧化釷存在放射性；碳化鈦及氧化釔的成本極高，導(dǎo)致這幾種材料并不太適合作為鋯材鑄件的耐火材料使用。目前用于制備鈦鋯鑄件所用的鑄型材料均屬人工合成的高純石墨，通過對來源廣泛的易石墨化性炭材料進(jìn)行石墨化處理，即石墨化燒結(jié)溫度在2 500 ℃以上，將易石墨化性炭中非晶形碳轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒兪ńY(jié)晶形碳），其合成工藝較為簡單，制備成本相對較低[7]，石墨機(jī)械加工性好，鑄型可設(shè)計(jì)為拆裝方便的回用型，最為主要的是高溫條件下與鋯材反應(yīng)性微弱，而且在高溫下具有較高的強(qiáng)度，因此，石墨在鋯材鑄件制備過程中成為最主要的一種耐火材料。

圖1 Zr702C 合金鑄造熱物性參數(shù)

圖2 20 寸右閥體結(jié)構(gòu)示意圖

本文所研究的20 寸Zr702C 右球閥的結(jié)構(gòu)尺寸較大，鑄件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，基本為旋轉(zhuǎn)體。中法蘭φ850 mm×54.5 mm，側(cè)法蘭φ715 mm×52.5 mm，鑄件凈高621 mm，最小壁厚20 mm，中心法蘭與側(cè)邊法蘭間距約500 mm.鑄件質(zhì)量約為330 kg.

鑄件執(zhí)行ASTM-B752《鋯及鋯合金鑄件標(biāo)準(zhǔn)》，鑄件鑄造精度為CT8 級、射線檢測符合GB5677-85二級標(biāo)準(zhǔn)，鑄件需經(jīng)熱等靜壓處理。因此針對鋯合金的金屬特征、鑄件的結(jié)構(gòu)特征及生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇一種既能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)情況，又能達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求的成型方法，對于實(shí)際生產(chǎn)至關(guān)重要。

表1 鈦與一些耐火材料的反應(yīng)溫度和程度

大尺寸鋯材鑄件的鑄造經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)不多。因此，該球閥制備時(shí)需進(jìn)行多次試制。本試驗(yàn)選用機(jī)加工成形的分型活塊式石墨型鑄造工藝，以保證鑄型的低成本及一次制備多次使用性。通過分析影響大型鋯鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)合理的澆注工藝，以成功鑄造滿足設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)要求的Zr702C右球閥鑄件。

2 閥體的鑄造工藝分析

2.1 分型面的選擇

機(jī)加工石墨型的分型方式多樣，在生產(chǎn)中確定分型面的時(shí)候，應(yīng)遵循以下原則：鑄型易于固定；制造簡單；鑄型堅(jiān)固耐用，重復(fù)性好；下芯方便，型芯定位緊固精確、穩(wěn)定；合理開設(shè)澆冒系統(tǒng)，使鑄件凝固時(shí)盡量滿足順序凝固條件。為此設(shè)計(jì)了如圖3 所示分型方案，上下方向以鑄件的中法蘭與側(cè)法蘭為分型面，左右方向以中心軸分型。具體的石墨型制作大致分為中法蘭蓋石墨型、側(cè)法蘭石墨型、鑄型及大芯子，組裝時(shí)相互以止扣定位安裝及組裝，后用拉桿緊固。側(cè)法蘭脖子處曲面拉直鑄，曲面不鑄出，后續(xù)通過機(jī)械加工成型，根據(jù)前期鑄造相同的鋯合金鑄件經(jīng)驗(yàn)，兩法蘭之間不設(shè)計(jì)受阻收縮尺寸，按照產(chǎn)品實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)鑄件，側(cè)小法蘭加小冒口。

圖3 20 寸右閥體分型線圖

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1）頂部十字澆道注入式澆注系統(tǒng)

鋯材鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則未見文獻(xiàn)報(bào)道。目前，生產(chǎn)實(shí)踐中主要參考鈦材鑄造技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。鈦材鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括：鑄件快速充型、鑄件符合順序凝固條件、采用開放式澆注系統(tǒng)、開設(shè)較大補(bǔ)縮冒口及注意排氣等。根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)了頂部十字澆道注入的澆注系統(tǒng)，如圖4a）所示，該方案可以確保金屬液體快速充型，使鑄件澆注時(shí)具有較高的成功率。其缺點(diǎn)有：頂注對于系統(tǒng)排氣是一種不利因素，充型時(shí)液體流動(dòng)極為混亂，產(chǎn)生噴濺和紊流，導(dǎo)致鑄件凝固后冷隔、流痕數(shù)量較多，表觀質(zhì)量較差[8-9]。

2）開放式底部十字澆道注入式澆注系統(tǒng)

通過分析鋯材金屬液體物理參數(shù)隨溫度變化的特征，同時(shí)借鑒大量小型鋯材鑄件的澆注經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了開放式底部十字澆道注入的澆注系統(tǒng)，如圖4b）所示。開放式澆注系統(tǒng)可確保金屬液體能夠平穩(wěn)充型，避免充型液體產(chǎn)生噴濺和紊流的流動(dòng)，可有效減少在鑄件表面上形成的冷隔和流痕數(shù)量。而且，這種底注澆注方式對于氣體排出無任何阻礙，更加有利于鑄型實(shí)現(xiàn)排氣功能，從根源上降低了氣縮孔出現(xiàn)的可能性。其缺點(diǎn)是：底部注入的液體流經(jīng)路線相對較長，所需充型時(shí)間較長，充型難度較高，綜合導(dǎo)致鑄件的成功率較低[8-9]。

2.2.2 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特征，澆注系統(tǒng)阻流面積比值設(shè)為：F直∶F內(nèi)＝4∶1[10]，由于真空澆注爐的漏斗口為φ80 mm，F(xiàn)阻為5 024 mm2，依此計(jì)算十字澆道的截面積尺寸為200 96 mm2，初步設(shè)定F內(nèi)＝5 024 mm2，每個(gè)內(nèi)澆道尺寸為φ70 mm.

1）頂部十字澆道注入澆注系統(tǒng)尺寸

頂部十字澆道加大冒口澆注，每個(gè)內(nèi)部澆道尺寸為φ70 mm，在鑄件頂部側(cè)法蘭蓋上開設(shè)φ490 mm×φ600 mm 環(huán)形高100 mm 冒口，冒口斜度為10°，冒口頂部開滿φ5 mm 排氣孔，小法蘭加小冒口。澆注系統(tǒng)及其組型方式如圖4a）所示。

2）開放式底部十字澆道注入澆注系統(tǒng)尺寸

頂部加大冒口澆注，直澆道上小下大（上φ80mm、下φ150 mm），底部開十字內(nèi)澆道，每個(gè)內(nèi)部澆道尺寸為φ70 mm，在鑄件頂部側(cè)法蘭蓋上開設(shè)φ490 mm×φ600 mm 環(huán)形高100 mm 冒口，冒口斜度為10°，冒口頂部開滿φ5 mm 氣孔，小法蘭加小冒口。澆注系統(tǒng)及其組型方式如圖4b）所示。

3 石墨型制造及澆注

3.1 石墨型的制造與檢測

圖4 20 寸右閥體兩種澆注方法示意圖

根據(jù)工藝圖紙準(zhǔn)備石墨料和刨料，根據(jù)圖紙制作型芯、外型、法蘭蓋及冒口蓋，車床加工可以完成各型部件的制作，通過線切割制作檢測樣板，對鑄型進(jìn)行靠位檢測，最終生產(chǎn)出形狀及尺寸符合設(shè)計(jì)要求的鑄型。

3.2 石墨型的后續(xù)處理

對于制作好的形狀及尺寸符合設(shè)計(jì)要求的鑄型各部件，組型前進(jìn)行真空除氣處理，在真空除氣爐中將石墨型加熱到900 ℃～1 000 ℃，保溫4 h 以上，去除石墨型的水分、油份及其他揮發(fā)物。然后按照圖4 示意圖進(jìn)行組型，完成組裝的鑄型在350 ℃～400 ℃進(jìn)行預(yù)熱4 h 以上。

3.3 鑄件的澆注

爐料采用耐腐蝕及焊接性較優(yōu)異的Zr702C 鑄錠，利用2 000 kg 真空自耗電極電弧爐制備二次熔煉鑄錠，采用800 kg 真空自耗電極凝殼爐中進(jìn)行澆注，主要熔煉參數(shù)見表2.

表2 熔煉主要參數(shù)

澆注時(shí)必須嚴(yán)格控制設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)滿足表2要求，澆注完成后，隨爐冷卻時(shí)間大于4 h，或待鑄件冷卻至200 ℃以下出爐，清理型芯與鑄型后，鑄件經(jīng)過割冒口、打磨、X 射線拍片檢驗(yàn)、HIP 處理、氣縮孔補(bǔ)焊處理、真空退火、酸洗及噴砂處理等過程。

4 兩種澆注工藝的效果比較及分析

通過實(shí)際澆注發(fā)現(xiàn)，兩種澆注方案均可完全充型，無澆不滿與裂紋現(xiàn)象存在，但是采用頂部十字澆道注入方案的鑄件，在其表面存在較多的冷隔和流痕，采用開放式底部十字澆道注入方案的鑄件表面質(zhì)量較好，僅存在較少數(shù)量、尺寸較小的冷隔和流痕。由于該鑄件射線檢測需要滿足符合GB5677-85 二級標(biāo)準(zhǔn)，對兩種不同澆注方式做射線檢測結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)底部十字澆道注入，頂部加大冒口方式效果較好，但是仍存在17 處不滿足標(biāo)準(zhǔn)的較大氣縮孔（頂部注入方式存在39 處），同時(shí)采用銑床剖開氣縮孔，發(fā)現(xiàn)大量氣縮孔存在于鑄件外皮下約5 mm 處。

在實(shí)際澆注過程中發(fā)現(xiàn)，熔煉過程中真空度保持的比較穩(wěn)定，但在電極提升與坩堝翻轉(zhuǎn)澆注時(shí)，爐子的真空度從0.3 Pa 左右瞬間降低至6.1 Pa 左右。通常在澆注鈦鑄件時(shí)真空凝殼鑄造爐的真空度較為穩(wěn)定，盡管由于提升電機(jī)桿造成爐子產(chǎn)生一定程度真空度的降低，但通常僅降低至2.0 Pa 左右。因此初步推斷真空度快速下降的原因?yàn)椋蜐沧喗饘贂r(shí)，鋯液體溫度較高，導(dǎo)致石墨型產(chǎn)生了大量氣體。

A.A.Heyctpyeb 采用石墨型，對鈦鑄件中侵入氣孔形成進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6]，其結(jié)果如圖5 所示。真空狀態(tài)下石墨型放氣的第一峰值在100 ℃～200 ℃，放出的是鑄型的物理吸附性氣體（第一階段通過石墨型真空除氣工藝已經(jīng)除去絕大部分的氣體）。第二峰值在1 500 ℃左右，此時(shí)放氣量達(dá)到最大值，析出的是化學(xué)吸附氣體以及鑄型焙燒殘留黏結(jié)劑分解的氣態(tài)性產(chǎn)物。鈦的熔點(diǎn)在1 660 ℃，鈦金屬在澆注的過程中，液體與石墨型接觸溫度迅速降低，石墨型在1 500 ℃的發(fā)氣峰值處停留時(shí)間很短，石墨型可成功避過第二階段1 500 ℃的發(fā)氣峰值；鋯的金屬熔點(diǎn)為1 852℃，加之金屬液體具有的過熱度，鋯金屬液體溫度約在2 000 ℃左右，鋯金屬在澆注的過程中，雖然液體與石墨型接觸時(shí)溫度迅速降低，但是石墨型在1 500 ℃的發(fā)氣峰值處仍會停留較長時(shí)間，石墨型無法避過第二階段1 500 ℃的發(fā)氣峰值，此時(shí)鑄件的表面還未完全凝固，亦或者在石墨型表面形成一層較薄凝殼，金屬液體的不平穩(wěn)流動(dòng)卷入石墨型在第二階段發(fā)氣生成了大量的氣體。另外石墨型生成的氣體還會導(dǎo)致金屬-石墨型液面氣體壓力相對較大，如若鑄型排氣及金屬充型不暢，金屬-石墨型液面上氣體壓力會進(jìn)一步增大，極容易造成氣體侵入金屬鋯液中，加之金屬液體流動(dòng)不平穩(wěn)，卷入生成的大量氣體，最終造成鑄件內(nèi)部形成大量氣縮孔。

圖5 石墨鑄型在還原性氣氛和真空下于1 100 ℃焙燒后的氣氛與溫度的關(guān)系

結(jié)合上述分析，在真空凝殼爐石墨型澆注鋯鑄件時(shí)，相比鈦鑄件的發(fā)氣量較大。因此，在澆注鋯鑄件時(shí)，需要減少石墨鑄型在二次發(fā)氣峰值區(qū)域產(chǎn)生的氣體總量，在澆注溫度可滿足流動(dòng)性與充型的前提條件下，降低金屬液體過熱度，縮短高溫液體在二次發(fā)氣峰值區(qū)域停留時(shí)間，進(jìn)而直接減少石墨型的發(fā)氣量；石墨型存在高溫階段發(fā)氣的客觀現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中根本無法避免，因而對于澆注鋯材鑄件時(shí)石墨鑄型的排氣工藝應(yīng)加以重視，間接降低石墨型產(chǎn)生的氣體存留于鑄件內(nèi)部的概率。

5 工藝調(diào)整及澆注效果

根據(jù)實(shí)際澆注情況，結(jié)合上述分析，對于本文所述鋯材石墨型鑄造工藝，作出如下工藝調(diào)整。

1）適度降低冒口及澆口杯澆滿的程度，進(jìn)而減少充型液體總量，精確計(jì)算金屬液體熔煉總量，縮短熔煉時(shí)間，降低坩堝翻轉(zhuǎn)后充型液體的過熱度。對于熔煉工藝參數(shù)仍然采用表1 中參數(shù)，液體充型至頂部冒口及澆口杯高度的一半位置即可，熔煉重量由原來的650 kg 下調(diào)整至500 kg，熔煉總時(shí)間減少5 min.

2）選用更加有利于金屬液體平穩(wěn)充型及氣體能夠順利逸出的澆注方案。澆注方式仍選用底部十字澆道注入加頂部大冒口，將頂部排氣孔更改為φ8 mm，且在鑄型所有分型面上開設(shè)較多的φ5 mm排氣孔，另外在鑄型頂部冒口加設(shè)4 枚φ50 mm 的防溢排氣管，加大澆注系統(tǒng)排氣作用，降低金屬-石墨型液面上的氣體壓力，讓澆注時(shí)瞬間生成的氣體能夠順利排出鑄型或者逃逸至冒口（此時(shí)冒口可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮與收集氣體的雙效作用）。

通過對澆注工藝做出上述兩方面的調(diào)整，再次澆注后發(fā)現(xiàn)，鑄件能夠?qū)崿F(xiàn)成功充型，鑄件具有較好的表面質(zhì)量，電極提升與坩堝翻轉(zhuǎn)時(shí)爐子的真空度也僅降低至3.7 Pa 左右，而且鑄件在經(jīng)過射線拍片評定后，整個(gè)右閥體僅存在3 處不滿足X 射線拍片驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的氣縮孔。

6 結(jié)論

1）利用高純石墨鑄型可成功制備出大型鋯合金球閥鑄件。

2）采用石墨型制備鋯鑄件時(shí)，可通過控制金屬液體澆注溫度，減少石墨型第二發(fā)氣峰值的氣體發(fā)氣總量；同時(shí)加大鑄型排氣力度，確保產(chǎn)生的氣體能夠成功逸出石墨型，對于降低鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的氣縮孔數(shù)量及尺寸的作用極為顯著。

3）針對20 寸Zr702C 右球閥采用底部十字澆道注入頂部加冒口工藝，控制金屬過熱度與加大鑄型排氣力度，可成功鑄造出結(jié)構(gòu)尺寸大、內(nèi)外部質(zhì)量好的鑄件。