高效熱模離心鑄造工藝研究

梅燕娜，林雪川，暴延強(qiáng)，宋 斌，張永杰

（1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲 056000；2.廣東新興鑄管有限公司，廣東陽江 529600）

為解決遠(yuǎn)距離、大容量供、排水問題，大口徑球墨鑄鐵管成為輸水工程的首選管材，需求量在迅速增加[1]。

熱模法大口徑球墨鑄鐵管生產(chǎn)工藝是從樹脂砂型離心鑄造球鐵管演變而來的，樹脂砂型離心鑄造球鐵管工藝生產(chǎn)效率只有1 支/h，由于效率低、成本高逐漸被淘汰。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用管模內(nèi)壁噴涂絕熱涂料的方法生產(chǎn)大口徑球管，不同的規(guī)格生產(chǎn)效率在（1～3）支/h。

熱模涂料法大致工藝流程為：在鑄管模具（簡(jiǎn)稱管模）內(nèi)表面噴涂一定厚度的隔熱涂層，該涂層具有延長(zhǎng)鐵液冷卻時(shí)間，消除激冷產(chǎn)生的滲碳體，同時(shí)延長(zhǎng)管模壽命作用[2]。將熔煉、球化合格的鐵液伴隨孕育劑均勻澆注到旋轉(zhuǎn)管模內(nèi)，并在離心力的作用下凝固成形，鑄管成形后進(jìn)入退火爐進(jìn)行低溫退火。

公司通過對(duì)熱模離心澆注工藝及裝備的改進(jìn)，使得大管生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率明顯提高。緩解公司大管供應(yīng)緊張的局面，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

1 離心澆注工藝改進(jìn)

1.1 大管離心澆注工藝及裝置

大管離心澆注設(shè)備由以下幾部分組成：

（1）鐵水澆注系統(tǒng)：包括扇形包、澆注車、流槽、落槽、孕育裝置、模粉輸送裝置、測(cè)溫裝置。

（2）涂料噴涂系統(tǒng)：涂料攪拌機(jī)、涂料罐、膠體磨、發(fā)送裝置、噴涂泵、噴嘴等。

（3）管模及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)：管模、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、托輪、電氣控制裝置。

（4）上芯系統(tǒng)：芯架機(jī)構(gòu)、鎖緊裝置、運(yùn)輸行車。

（5）拔管系統(tǒng)：拔管鉗、拔管車、張緊裝置、旋轉(zhuǎn)接管裝置。

（6）清理系統(tǒng)：清理刷、收塵裝置。

（7）冷卻系統(tǒng)：冷卻水噴淋裝置、電動(dòng)閥門、水泵、冷卻。

大口徑鑄管生產(chǎn)流程如下：

（1）管模內(nèi)壁噴涂料：先在金屬管模內(nèi)壁噴一層絕熱涂料，涂料的作用一是保護(hù)管模，二是減緩鐵水的冷卻速度，使得鑄管在鑄態(tài)組織中不出現(xiàn)滲碳體。如圖1，噴涂是由噴涂小車帶著噴涂桿（前方也有清理刷）前后移動(dòng)完成的，通常涂料厚度1.0mm，噴涂車需要來回走2～3 趟。

圖1 熱模大口徑鑄管離心機(jī)

（2）上芯子：噴涂后，管模承口端開始上砂芯，砂芯的作用是擋住鐵水，離心旋轉(zhuǎn)時(shí)不讓鐵水甩出去，另一個(gè)作用是形成管子承口形狀。

（3）澆注：球化鐵水倒入一個(gè)扇形保內(nèi)，澆注車前進(jìn)，管模開始旋轉(zhuǎn)。澆注車前方有一根流槽，扇形包均勻翻轉(zhuǎn)，鐵水均勻地通過流槽澆入到管模內(nèi)，澆注時(shí)鐵水從管模承口端開始，澆注車邊澆邊退，流槽上方有隨流孕育裝置。

（4）冷卻：澆注完成后開始打水冷卻，冷卻水直接打到管模外壁，冷卻時(shí)間約3min 左右。

（5）拔管：管模停止旋轉(zhuǎn)，冷卻水關(guān)閉，卸掉芯子壓板，拔管車工作，拔管鉗伸到管模內(nèi)，張緊管子然后將管子拔出。

（6）清理：噴涂車帶著清理刷開進(jìn)管模，清理殘余涂料，然后開始噴涂料進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

1.2 存在的問題

原大管工藝單支管的生產(chǎn)時(shí)間大約在23min，對(duì)于DN1500 管來說每小時(shí)能生產(chǎn)2 支，這個(gè)速度是比較慢的。要想提高生產(chǎn)效率，必須壓縮每一個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，才能使每支管的周期時(shí)間縮短，經(jīng)過梳理，噴涂花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)，改進(jìn)的空間較大；其次是清理，目前的清理時(shí)間只有一半是有效的，另外其他的動(dòng)作也都有改進(jìn)的余地。

1.3 主要改進(jìn)工作

1.3.1 涂料噴涂、清理工藝及裝置的改進(jìn)

原工藝是清理刷進(jìn)到管模里走一個(gè)來回進(jìn)行清理，然后噴桿（清理刷在噴桿上）再進(jìn)去噴涂料，噴涂車走2 個(gè)來回噴4 遍，一方面是為了保證噴涂質(zhì)量，另一方面也是因?yàn)閲娮斐隽峡谥睆捷^?。?.5mm）。后來換為直徑3mm 的大噴嘴，噴涂時(shí)間減少到2 遍，這時(shí)的生產(chǎn)效率有了一定提高。

繼續(xù)縮短時(shí)間發(fā)現(xiàn)，涂料的給料量上不去，涂料的供應(yīng)是通過壓縮空氣將涂料從涂料罐壓出來的，由于涂料有一定的粘度，管道輸送距離較長(zhǎng)，給料量無法繼續(xù)增加。為了解決這個(gè)問題，一是將涂層減薄，由0.8mm～1.0mm 降到0.5mm～0.8mm；二是在噴涂車上增加了一個(gè)涂料罐和一個(gè)螺桿泵，用泵抽送涂料，噴涂量很快得到改善，只需要噴一遍就能夠保證涂料厚度，這樣最終確定為，噴涂車進(jìn)去時(shí)清理，退回時(shí)噴涂，清理和噴涂各一遍，時(shí)間節(jié)約了330s。

由于噴涂時(shí)間縮短、單位時(shí)間的噴涂量增加，為了保證涂層噴涂質(zhì)量，將噴涂時(shí)的管模溫度從160℃降低到120℃，大流量噴涂溫度高，噴涂時(shí)易起球。

1.3.2 設(shè)備及工裝調(diào)整

（1）管模減薄。管模壁厚由80mm 改為70mm，主要是為了加快冷卻，縮短鐵水凝固時(shí)間，個(gè)別規(guī)格的壁厚減薄量達(dá)到20mm，冷卻時(shí)間減少了40s。

（2）提高澆注車行走速度。澆注是從承口開始的（澆注車后退時(shí)），澆注車進(jìn)入管模的速度可以調(diào)整比澆注速度更快，通過對(duì)電氣控制系統(tǒng)調(diào)整，澆注時(shí)間縮短了95s。

（3）提高拔管車行走速度。通過對(duì)電氣控制系統(tǒng)調(diào)整，拔管時(shí)間縮短了120s。

（4）上下壓板機(jī)構(gòu)改進(jìn)。通過對(duì)卡板彈簧的更換及潤(rùn)滑方面的改進(jìn)，上芯及下壓板都更順利，都能夠一次到位，原來上芯時(shí)反復(fù)進(jìn)出調(diào)整的現(xiàn)象不再出現(xiàn)，節(jié)省時(shí)間140s。

1.3.3 工藝調(diào)整

孕育劑加入量增加到0.8%，模粉量加入量從0.2%增加到0.3%。模粉的主要成分是SiBaCa，增加孕育劑和模粉的加入量主要是抵消管模減薄、涂料減薄及模溫降低造成的冷卻速度加快的影響，保證管子的鑄態(tài)組織不出現(xiàn)滲碳體。熱模法工藝生產(chǎn)的球墨鑄鐵管，鑄態(tài)組織里不能出現(xiàn)滲碳體，因?yàn)楹罄m(xù)退火采用的是低溫退火工藝，滲碳體分解不了，如果出現(xiàn)滲碳體，管子就變成廢品，所以工藝調(diào)整后必須保證鑄管不能有滲碳體。

拔管溫度從600～700℃調(diào)整到700～750℃左右，調(diào)整的目的是加快生產(chǎn)節(jié)奏。

1.3.4 生產(chǎn)組織模式調(diào)整

原工藝球化的鐵水量澆注一支管，現(xiàn)在改為球化一包鐵水澆兩支。一次球化兩支管的鐵水量能夠使供鐵更連續(xù)，有利于生產(chǎn)效率的提高，由于生產(chǎn)節(jié)奏變快，每支管的生產(chǎn)周期能夠控制在10min 左右，因此，第二支管的鐵水等待時(shí)間不太長(zhǎng)，不會(huì)出現(xiàn)球化衰退。球化鐵水量大，供鐵速度更快，球化成本更低些。

2 改進(jìn)后的工藝參數(shù)

改進(jìn)后的工藝參數(shù)見表1。

表1 改進(jìn)后的工藝參數(shù)

3 改進(jìn)效果

（1）縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率

改進(jìn)后單支管的生產(chǎn)周期縮短了700 多s，能夠控制在10min 左右一支，這樣機(jī)時(shí)產(chǎn)量就由原來的（2～3）支/h，提高到了（5～6）支/h，國(guó)內(nèi)同規(guī)格DN1500 鑄管機(jī)時(shí)產(chǎn)量一般（2～3）支/h。

機(jī)時(shí)產(chǎn)量提高：DN1500 以下達(dá)到6 支/h 以上的水平；DN1600～DN 1800 達(dá)到（4～6）支/h 的水平；DN2000～DN 2200 達(dá)到（3～4）支/h 的水平。這種生產(chǎn)速度在國(guó)內(nèi)是領(lǐng)先水平。

（2）管子外觀質(zhì)量

涂層厚度降低后，外觀質(zhì)量明顯提升。管子外觀缺陷顯著減少，廢品率降低；表面質(zhì)量也有改善，外觀質(zhì)量對(duì)比見圖2、3。

圖2 噴涂厚度0.8mm～1.0mm

圖3 噴涂厚度0.5mm～0.6mm

4 產(chǎn)品性能

大口徑離心鑄造球鐵管執(zhí)行GB13295-2013，出口管執(zhí)行ISO2531 或者BSEN545 標(biāo)準(zhǔn)。公司所生產(chǎn)的球鐵管完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并能夠按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及其他國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，目前已有大批管子出口到國(guó)外市場(chǎng)。

（1）鑄管力學(xué)性能

表2 性能統(tǒng)計(jì)

（2）鑄管金相組織

表3 金相組織統(tǒng)計(jì)

圖4 金相組織

（3）承受壓力

按照標(biāo)準(zhǔn)GB13295 要求，大口徑鑄管的水壓檢驗(yàn)壓力3.2MPa，實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)壓力為3.8MPa。

（4）管子壁厚

管子外觀見圖5 所示。

表4 管子壁厚

圖5 管子外觀

5 結(jié)論

通過工藝和設(shè)備裝置改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了熱模離心鑄管球墨鑄鐵管的高效生產(chǎn)。

（1）離心機(jī)機(jī)時(shí)產(chǎn)量

離心機(jī)的機(jī)時(shí)產(chǎn)量穩(wěn)定達(dá)到：DN1500 以下達(dá)到6 支/h 以上的水平；DN1600～DN1800 達(dá)到（4～6）支/h 的水平；DN2000～DN 2200 達(dá)到（3～4）支/h 的水平。這樣的生產(chǎn)效率在國(guó)內(nèi)目前是最高的。

（2）力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度在473 MPa～490MPa，屈服強(qiáng)度在335 MPa～361MPa，延伸率在16%～20%。金相組織：金相100%合格，不再出現(xiàn)表面滲碳體；珠光體≤15%。滿足GB13295-2013 標(biāo)準(zhǔn)要求。