鐘軍超，陳建波，孟 新，李新科，李志杰

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

離心球墨鑄鐵管具有優(yōu)良的力學(xué)性能和使用性能。目前DN300 以下的小管徑生產(chǎn)工藝采用冷模法即水冷金屬型，生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種缺陷品，嚴(yán)重影響鑄管的產(chǎn)品質(zhì)量，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。一旦缺陷品流入市場，將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對冷模法生產(chǎn)過程中熔煉工序鐵液成分、溫度，球化殘鎂量的控制以及離心機(jī)工序研究，分析缺陷品形成的原因，并指出解決問題的方向。

1 夾渣缺陷產(chǎn)生原因及防止措施

生產(chǎn)中由于落槽、流槽清理和鐵液除渣不干凈以及鐵液中殘鎂控制和微量元素控制不達(dá)標(biāo)造成機(jī)械夾渣和元素氧化夾渣。

1.1 殘鎂含量

鐵水中保證一定量的殘鎂才能保證鑄鐵管具有較好的球化率，對于冷模法離心球墨鑄鐵管，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)殘鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.06%時(shí)，夾渣缺陷明顯增多，分析當(dāng)殘鎂含量過高時(shí)，鐵水氧化越嚴(yán)重，致使二次夾渣大量生成[1]。

1.2 機(jī)械夾渣

落槽的打結(jié)料和流槽的涂料清理不干凈，極易隨鐵液混入管模中，離心冷卻凝固后夾雜在鑄件中，形成夾渣缺陷。由于冷模法凝固較快，當(dāng)管模粉出現(xiàn)團(tuán)塊狀時(shí)，因無法及時(shí)溶解，容易造成夾渣缺陷，當(dāng)鐵液表面漂浮渣清理不干凈混入鐵液后容易形成夾渣缺陷。

1.3 微量元素作用

Si、Mn、稀土等與鐵液中的S 和O 發(fā)生反應(yīng)形成一層氧化膜，當(dāng)鐵液溫度低，渣量較多時(shí)，難以完全上浮，澆鑄后形成夾渣缺陷[2]。

為了控制夾渣缺陷，可以從以下幾個(gè)方面采取措施：

1）降低鐵液中的硫含量，減少硫化物夾渣。

2）在工藝范圍內(nèi)，適當(dāng)提高澆鑄溫度，以利于夾渣上浮。

3）出鐵前應(yīng)加入稀土，稀土加入量應(yīng)控制在0.25 kg/t～0.5 kg/t，保證球化鐵水不出現(xiàn)衰退。

4）落槽和流槽涂料涂刷要到位，加強(qiáng)鐵液的扒渣和擋渣效果，檢查扇形包粘渣情況，粘渣嚴(yán)重通知澆注工清理粘渣或更換扇形包。

5）殘鎂含量嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，生產(chǎn)過程中殘鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.045%～0.050%比較合適。

2 裂紋缺陷產(chǎn)生原因及防止措施

由于澆鑄參數(shù)調(diào)整不合適、冷卻不均勻以及管模龜裂嚴(yán)重時(shí)都容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋缺陷，一般裂紋缺陷有機(jī)械阻礙、應(yīng)力作用、“超前流”幾種。

2.1 機(jī)械阻礙

當(dāng)鐵水落點(diǎn)位置不恰當(dāng)，翻包參數(shù)不合適，管模龜裂嚴(yán)重時(shí)，容易造成鐵液進(jìn)入砂型與管模間隙形成毛刺或進(jìn)入管模龜裂紋中，在收縮過程中容易造成裂紋缺陷。

2.2 應(yīng)力作用

在水冷法球墨鑄鐵管生產(chǎn)過程中，球鐵管由于管模溫度不一致或壁厚不均勻致使冷卻過程產(chǎn)生的應(yīng)力不均勻，應(yīng)力差過大會(huì)造成裂紋現(xiàn)象。當(dāng)鐵液中微觀成分偏析造成局部組織中碳化物和珠光體量與周圍組織有較大差異時(shí)，極易在凝固過程中造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋缺陷。

2.3 “超前流”現(xiàn)象

當(dāng)流槽位置不合適或澆鑄參數(shù)設(shè)置不合適時(shí)，容易使鐵液在澆鑄時(shí)產(chǎn)生分流分散，造成“超前流”現(xiàn)象，隨后澆鑄鐵液覆蓋其上發(fā)生重熔，導(dǎo)致傳熱條件不如周圍鐵液，出現(xiàn)熱節(jié)現(xiàn)象，造成冷隔或裂紋缺陷。通常將流槽的出口與離心機(jī)的軸線設(shè)置成17°的夾角[3]。

3 氣孔缺陷產(chǎn)生原因及防止措施

鐵液澆鑄過程中產(chǎn)生的CO 和H2是氣孔缺陷的主要來源。氣體能夠擴(kuò)散到金屬內(nèi)部并被金屬吸附，通常壓力和成分一定時(shí)，鐵液溫度越高，氣體在金屬中的溶解度越大。生產(chǎn)中表現(xiàn)為氣體在鐵液在感應(yīng)電爐內(nèi)保溫時(shí)間越長，鐵液溫度越高，氧化越嚴(yán)重，出現(xiàn)氣孔和針孔的幾率越大[4]。析出性氣孔一般是由于金屬從液態(tài)凝固成固態(tài)時(shí)，氣體在固液兩相中的溶解度不同或侵入性的氣體來不及排出而殘留在鑄件中所形成的氣孔。管模內(nèi)壁上生銹或有油類污漬時(shí)在澆鑄過程中與鐵液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引入氣體，極易產(chǎn)生氣孔缺陷。

生產(chǎn)過程中控制氣孔缺陷的措施有以下幾個(gè)方面：

1）鐵液保溫時(shí)間。鐵液溫度越高，保溫時(shí)間越長，氧化越嚴(yán)重，出現(xiàn)氣孔的幾率越大。生產(chǎn)過程中要把握好生產(chǎn)節(jié)奏，避免鐵液長時(shí)間不能及時(shí)澆鑄，中頻爐的保溫時(shí)間不宜超過30 min.

2）管模龜裂。管模長時(shí)間的使用會(huì)造成內(nèi)壁龜裂，鐵液氧化形成的氧化熔渣（FeO）能夠與結(jié)晶前沿液相區(qū)富集的[C]發(fā)生反應(yīng)生成CO 氣體，而氣體的析出需要形核長大，由公式1 可知，

式中：P 為氣泡所受的壓力；σ 為氣泡表面的張力；r 為氣泡表面的張力。

氣孔屬于非均質(zhì)形核，初始條件下r 無窮小，因此P 驅(qū)向無窮大，依靠鐵液本身難易自發(fā)形核，管模內(nèi)表面的龜裂能夠?yàn)闅怏w的非均質(zhì)形核提供來源，生產(chǎn)過程中通常加大模粉量或更換管模來解決該問題。

3）微量元素。殘留鋁含量一般超過千分之三時(shí)會(huì)增加氣孔的數(shù)量；而殘留鈦超過千分之一就會(huì)增加氣孔的數(shù)量；硫含量與氣孔的數(shù)量呈正比，殘留鋁含量越多，氣孔數(shù)量也越多。

4 重皮缺陷產(chǎn)生原因及防止措施

鐵液在管模中存在軸向和圓周兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，從流槽流出鐵液大部分向承口方向運(yùn)動(dòng)，但仍存在少部分鐵液向插口方向流動(dòng)，這股“超前流”是形成重皮的主要原因，若流槽出鐵口鐵液不能與“超前流”熔合在一起，則會(huì)形成重皮缺陷，在鑄管外表面呈疤痕分布，近似螺旋線分布。對于承口部位重皮缺陷，大部分由于翻包參數(shù)調(diào)整不合適導(dǎo)致鐵液流量不穩(wěn)定，流入承口的這股鐵液不能完全填充腔體，與后繼達(dá)到的鐵液不能完全融合，形成重皮缺陷。隨著鐵液向插口方向的移動(dòng)，若流槽出口的鐵液與“超前流”鐵液位置相差較遠(yuǎn)，而水冷金屬型球墨鑄鐵管冷卻速度較快，當(dāng)澆鑄溫度較低、管徑較小時(shí)，后繼鐵液與“超前流”鐵液無法完全融合，形成重皮缺陷。因流槽位置不當(dāng)或澆注包包嘴寬度、高度不當(dāng)，澆鑄過程中產(chǎn)生鐵液飛濺，飛濺的鐵液濺入管模中，形成斷續(xù)不規(guī)則的鐵液，一旦插口出現(xiàn)飛濺的鐵液，當(dāng)正常鐵液澆鑄在該位置時(shí)，已不能將其熔化，形成重皮缺陷，如圖1 所示。

為避免重皮缺陷，可以從以下幾個(gè)方面采取措施：

1）翻包參數(shù)。設(shè)置快翻功能，澆鑄承口的鐵液需求量相對較大，正常翻包流出的第一股鐵液量較少。提高扇形包翻轉(zhuǎn)角速度可以增加鐵液流量，通過增加快翻功能，可以保證承口需鐵量，減少承口重皮缺陷，一般快翻設(shè)定的速度是正常翻包速度的2～3 倍。

圖1 冷隔型重皮

2）流槽和扇形包，將流槽的彎頭與流槽的軸線呈17°夾角，如圖2 所示。降低流槽的高度，使其滿足表1 所示，扇形包包嘴的寬度和高度與流槽位置相匹配，保證鐵液的落點(diǎn)與流槽位置相切。

圖2 流槽彎頭

表1 球墨鑄鐵管規(guī)格與流槽高度對應(yīng)表

3）管模轉(zhuǎn)速，管模轉(zhuǎn)速過高，“超前流”越嚴(yán)重，在保證能夠離心澆鑄的前提下，適當(dāng)降低管模轉(zhuǎn)速，可以減少重皮缺陷，管模旋轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)公式（2）確定[5]

式中：G—重力系數(shù)；F—物體所受的離心力，N；P-物體所受的重力，N；r—管模半徑；n—管模旋轉(zhuǎn)速度，r/min；ω—管模旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；g—重力加速度，981 cm/s2；m—液態(tài)金屬的質(zhì)量，kg.

4）澆鑄溫度和冷卻速度，澆鑄溫度在滿足工藝需要的條件下，盡量取中上限，冷卻循環(huán)水溫度不能太高也不能太低，一般控制在20 ℃～50 ℃范圍內(nèi)[6]。

5 結(jié)論

水冷金屬型球墨鑄造鐵管鑄造缺陷影響因素較多，生產(chǎn)過程常出現(xiàn)的缺陷有夾渣、裂紋、氣孔、重皮。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)分析得出防止缺陷產(chǎn)生的辦法，可以有效避免缺陷品產(chǎn)生，降低缺陷品數(shù)量。