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  我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)離不開閥門, 在工業(yè)領(lǐng)域及城鄉(xiāng)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域,閥門這一產(chǎn)品更是*。閥門的品種繁雜, 常見的有閘閥、蝶閥、截止閥、球閥、止回閥等, 材質(zhì)種類也很多, 常見的有鑄鐵、鑄鋼及鑄銅, 規(guī)格大小也各不相同, 小的幾十克, 大的幾十噸;不同之品種、不同之材料及不同之規(guī)格, 都有不同之使用屬性。普通鑄鋼材質(zhì)蝶閥, 由于具備較高之耐壓強(qiáng)度, 良好之密封性能, 較低之成本, 故在工業(yè)領(lǐng)域及市政工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 同樣由于蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、造價(jià)低廉、口徑齊全 (50～5000mm) 在閥門需求領(lǐng)域上的比重應(yīng)當(dāng)是zuigao的。但鑄鋼蝶閥如在鑄造工程中控制不當(dāng), 會(huì)帶來很大之經(jīng)濟(jì)損失。 

本文結(jié)合鑄鋼蝶閥的實(shí)際生產(chǎn)、相關(guān)技術(shù)資料及筆者多年來從事鑄造生產(chǎn)的一些寶貴經(jīng)驗(yàn), 對(duì)鑄鋼蝶閥常見的縮孔、裂紋作了原因分析, 并提出了改進(jìn)措施, 并使用了科學(xué)軟件進(jìn)行論證等方法, 以給閥門生產(chǎn)廠家參考。

1、鑄鋼蝶閥之常見缺陷

蝶閥主要有閥體、閥瓣兩大鑄件 (見圖1) , 鑄造缺陷有縮孔、裂紋、氣孔、渣孔、夾砂、冷隔等, 其中為常見的是縮孔和裂紋, 這兩大缺陷往往會(huì)導(dǎo)致鑄件無法修補(bǔ) (或修補(bǔ)成本很高) 而報(bào)廢, 故本文主要針對(duì)這兩類缺陷進(jìn)行分析和找對(duì)策。 

1.1縮孔 (Shrinkage)

鑄鋼件的縮孔大致可分為內(nèi)部縮孔、敞露縮孔、縮松、縮陷及芯面縮孔等, 閥體常見的縮孔位置出現(xiàn)在法蘭熱節(jié)處 (內(nèi)縮孔) 冒口頸部, 以及軸孔內(nèi)部;閥瓣之常見縮孔位于鋸齒形密封槽內(nèi)冒口頸部, 軸銷孔內(nèi)部, 以及背部筋板之熱節(jié)處 (外部形成縮凹)?？s孔照片實(shí)例見圖2。

1.2裂紋

鑄鋼件的裂紋大致可分為縮裂、熱裂及冷裂, 也有把其分為外裂紋、皮下裂紋和內(nèi)裂紋。閥體常見之裂紋發(fā)生在法蘭背部R角處, 軸孔外部和本體相接之R角處, 以及軸銷孔內(nèi)部;閥瓣之裂紋主要出現(xiàn)在軸孔內(nèi)部及背部加強(qiáng)筋相交之熱節(jié)處。裂紋照片實(shí)例見圖3。 

2、形成縮孔、裂紋之原因分析 

2.1造成縮孔之原因分析

由于鑄鋼件其液態(tài)收縮和凝固收縮值是一定的, 收縮時(shí)間等于鑄件凝固時(shí)間, 收縮貫穿凝固過程的始終, 不同于鑄鐵在凝固過程有析出石墨的石墨化膨脹, 不存在有自補(bǔ)功能, 所以其液態(tài)收縮和凝固收縮*靠澆注系統(tǒng)和冒口的外部補(bǔ)縮, 所以一旦澆注系統(tǒng)和冒口安排不合理, 冒口補(bǔ)貼能力不足、鋼液澆注溫度過高、收縮量大, 就會(huì)產(chǎn)生各類縮孔缺陷。也有這樣論述“鑄件在凝固過程中, 鋼液的凝固收縮和液態(tài)收縮大于凝固收縮, 凝固期過大造成縮孔”[1], 實(shí)例照片 (見圖2)

2.2造成裂紋之原因分析

熱裂其實(shí)大部分和補(bǔ)縮及鑄件線收縮受阻有關(guān)系, 其發(fā)生的時(shí)間段為凝固收縮之后期, 此時(shí)的鑄件還未完成凝固, 溫度比較高,同時(shí)鑄件的斷面厚薄連接處圓角過小;澆注系統(tǒng)不合理;鑄型的退讓性不足;硫磷含量過高等都為造成熱裂和縮裂 (照片見圖3) 。

冷裂主要是鑄造應(yīng)力超過合金之抗拉強(qiáng)度引起的鑄件開裂, 其原因是鑄件設(shè)計(jì)不合理;壁厚懸殊;澆冒系統(tǒng)設(shè)置不科學(xué), 鑄件各部分溫差大, 開箱過早或者開箱后未及時(shí)退火處理 (實(shí)例照片是圖3) 。

3、缺陷防止方法

3.1縮孔、縮松的防止

3.1.1凝固原理角度出發(fā)改進(jìn)鑄造工藝

長(zhǎng)期以來鑄鋼澆注系統(tǒng)工藝的制定都是遵循順序凝固原則采取的工藝措施, 保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分按遠(yuǎn)離冒口的部分先凝固, 靠近冒口的部分后凝固, 冒口本身后凝固的順序進(jìn)行, 以便在鑄件從遠(yuǎn)離冒口部分到冒口之間建立一個(gè)遞增的溫度梯度。為此要加強(qiáng)冒口要放在熱節(jié)處,如果實(shí)在無法防止就用補(bǔ)貼過渡, 但冒口和補(bǔ)貼都要足夠大, 保證冒口后凝固, 按照這種工藝設(shè)計(jì)基本能夠生產(chǎn)出合格鑄件, 但實(shí)際生產(chǎn)中還是會(huì)存在一些問題。

1) 閥體傳統(tǒng)工藝

一般為平做造型工藝 (法蘭面一個(gè)在底部、一個(gè)在頂部) , 法蘭的熱節(jié)在法蘭和筒體相交處, 而冒口必須放在法蘭熱節(jié)處, 澆注系統(tǒng)采用底澆形式, 澆注快結(jié)束時(shí)在冒口補(bǔ)澆熱鋼水, 但缺點(diǎn)冒口必須足夠大, 工藝出品率低且底法蘭熱節(jié)處易出現(xiàn)縮孔, 且上法蘭冒口根部有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)縮孔。另軸孔部位的熱節(jié)處在澆注位置中部離冒口太遠(yuǎn), 無法得到冒口補(bǔ)縮, 易出現(xiàn)縮孔。

2) 閥瓣的傳統(tǒng)工藝

壁厚差異大, 熱節(jié)處比較多,大熱節(jié)為軸銷孔部位, 但就是在熱節(jié)處放置冒口還是無法得到合格鑄件, 同時(shí)由于軸銷處的熱節(jié)很大, 冒口必須足夠大, 故其工藝出品率及加工成本很高。

3) 動(dòng)態(tài)順序凝固

動(dòng)態(tài)順序凝固時(shí)[2]指冒口不放在鑄件的幾何熱節(jié)處, 而是放在鑄件的幾何熱節(jié)的次熱帶處, 利用冒口與鑄件次熱節(jié)行程的接觸熱節(jié)大于鑄件幾何熱節(jié), 并晚于鑄件幾何熱節(jié)凝固的特性, 實(shí)現(xiàn)鑄件遠(yuǎn)離冒口的部分和幾何熱節(jié)先凝固, 次熱節(jié)和冒口后凝固的凝固順序。動(dòng)態(tài)順序凝固和傳統(tǒng)之順序凝固不同之處在于冒口的接觸熱節(jié)和鑄件的幾何熱節(jié)相分離, 當(dāng)然為了減少冒口之尺寸在鑄件之幾何熱節(jié)處遠(yuǎn)離冒口端放置冷鐵。可有效地減小冒口之體積提高工藝出品率, 同時(shí)也可有效地防止冒口頸之缺陷

a、根據(jù)動(dòng)態(tài)順序凝固原理特點(diǎn)設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng), 并和《華鑄CAE/interCAST集成系統(tǒng)》[3]進(jìn)行凝固過程電腦模擬驗(yàn)證, 模擬的三維照片見圖4。

照片說明: (1) 由下而上, 藍(lán)色的表示溫度低、紅色表示溫度gao。

(2) 顯示的顏色為液體表面而溫度一旦凝固變成固體, 就不再顯示顏色, 只用線條表示, S表示秒, 數(shù)字表示開始澆注后的時(shí)間。

(3) 黑色表示鑄造缺陷 (縮孔) 。

b、閥瓣 (DN1600蝶閥) 軟件驗(yàn)證實(shí)例 。

該鑄件重量1540kg、材質(zhì)為WCB、澆注溫度1580°C、凝固溫度為1420°C、設(shè)計(jì)的工藝為采用2個(gè)熱暗冒口, 冒口頸位置位于大熱節(jié)(軸銷) 處的邊緣靠底部, 沒有放在熱節(jié)之正中央, 下列圖4 (A～F) 是澆注結(jié)束 (澆注用469.69s) 后鑄件液體表面溫度狀況。時(shí)間為469.69S→16050.31S, 即澆注結(jié)束至全部凝固之時(shí)間。圖4 (A) 為剛澆注結(jié)束 (時(shí)間點(diǎn)為469.69s) 的表面溫度模擬圖, 由此看出由于鑄型的表面溫度較低, 鋼水迅速冷卻, 表面的迅速降至1500°C以下, 但由于熱節(jié)處以冒口處表面溫度局部還在1513°C以上;圖4 (B) 澆注后351.9S (821.59s-467.69s) 筋板部分開始凝固, 但熱節(jié)處和冒口處鋼液表面溫度變化不大。圖四4 (C) 澆注后1764.23s (2233.92s-469.69s) 橫澆道筋板, 底平板 (中間位置) 均開始凝固, 但熱節(jié)處和溫度還是比較高, 其中有一個(gè)冒口頂部出現(xiàn)縮凹;圖4 (D) ;澆注后4517.6(4987.29s-469.69s) , 除了熱節(jié)的中心位置和冒口大部份溫度還比較高未凝固外, 鑄件大部分已凝固;圖4 (E) 澆注后12104.8s(12574.49s-469.69s) 除了冒口中心位置和冒口頸處未凝固, 其余均已凝固;圖4 (F) 澆注后15580.62s(16050.31s-469.69s) 凝固全部結(jié)束, 冒口上部產(chǎn)生縮凹。工藝模擬結(jié)果是合格的, 同時(shí)實(shí)際驗(yàn)證也是合格的。當(dāng)然為了增加工藝之可靠性, 在熱節(jié)處 (筋板交接處、底平板的外園 (厚實(shí)) 處, 軸孔位置底部) 適當(dāng)放置冷鐵激冷效果更佳。 

c、閥體工藝簡(jiǎn)介 

閥體的澆注工藝也是按動(dòng)態(tài)順序凝固的原則設(shè)計(jì), 即澆冒口放在法蘭邊緣遠(yuǎn)離熱節(jié)處, 但在冒口底和熱節(jié)處適當(dāng)設(shè)置了補(bǔ)貼, 橫澆道采用階梯式上、下均采用多道內(nèi)澆口把鋼水澆入型腔內(nèi), 這樣既可防止鋼水的集中沖刷型芯, 同時(shí)在下法蘭熱節(jié)處放置一圈冷鐵, 軸型芯內(nèi)也放置冷鐵, 建立一個(gè)自下而上適合于動(dòng)態(tài)順序凝固之溫度梯度, 保證縮孔不在鑄件內(nèi)產(chǎn)生, 用《華鑄》軟件模擬工藝是合格的, 實(shí)踐證明工藝也是合格, 和實(shí)踐驗(yàn)證均可生產(chǎn)出合格產(chǎn)品, 同時(shí)工藝出品率大大提高。

3.1.2消除或減少縮孔和其他辦法

1) 合理控制澆注溫度

澆注溫度不宜過高, 否則的話鋼水的液態(tài)收縮量太大, 終導(dǎo)致冒口液體積不足, 鑄件出現(xiàn)縮孔, 但澆注溫度也不宜過低, 否則容易導(dǎo)致冷隔和澆不滿之缺陷, 合適的澆注溫度見表1[4]。

2) 在熱節(jié)處放置點(diǎn)設(shè)置冷鐵激冷, 來減少熱節(jié)園的幾何直徑;冒口可采用保溫冒口、發(fā)熱冒口、大氣壓力冒口以及澆注后在明冒口上補(bǔ)澆熱鋼水。有文獻(xiàn)[5記載, 合理地使用冷鐵和冒口保溫技術(shù),鑄鋼件的工藝出品率可提高70%。

3.2裂紋之防止方式

3.2.1適當(dāng)降低砂芯之強(qiáng)度, 以及提高型砂之退讓性能

以DN1600蝶閥體為例,內(nèi)徑按φ1600mm算, 鑄件之線收縮率2%計(jì)算冷卻后, 型芯直徑方向的收縮量為1600*2%=32mm,只有這樣鑄件才不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。一般水玻璃強(qiáng)度低些退讓好些, 相對(duì)來說裂紋比較少些, 但由于水玻璃的鑄件表面光潔度較差, 更重要的原因是水玻璃砂會(huì)帶來很大的環(huán)保問題, 所以目前市場(chǎng)基本都改為樹脂砂造型, 但樹脂砂強(qiáng)度比較高, 易造成鑄件應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋, 所以必須采用如下措施:

1) 可選用醋固化堿性酚醛樹脂自硬砂[6], 它具有良好的高溫性能和潰散性能。砂中樹脂加入量為1.5～2.5%, 固化劑加入量為樹脂量的20～30%。

2) 可在型砂中添加2%～3%的木粉等潰散劑, 在造型時(shí)在背砂中埋入泡沫塑料塊, 或者型芯做成中空形。

3.2.2嚴(yán)格控制化學(xué)成分

WCB化學(xué)成分為:碳 (c) ≤0.302%、錳(Mm) ≤1.002%、磷 (p) ≤0.0.04%、硅(si) ≤0.60%。

a) 一般碳0.21%～0.24%的范圍熱裂傾向性比較小, 超出此范圍無論下限或上限, 熱裂傾向都比較大。

b) si在0.1%～0.6%范圍內(nèi), 有利于減小熱裂傾向, 一般情況SI控制在0.4%比較容易做到。

c) Mn盡量控制在化學(xué)成分之上限, 有利減少熱裂傾向。

d) S、P是有害元素, 為了有效地控制裂紋1傾向, 鋼中要求S<0.025%、P<0.04%,S高易產(chǎn)生熱裂, P高易產(chǎn)生冷裂, 如果按上述要求的標(biāo)準(zhǔn)控制好了, 那基本排除了化學(xué)成分造成裂紋的原因。

3.2.3造型工藝調(diào)整

1) 適當(dāng)降低澆冒口所產(chǎn)生的溫度梯度, 減少熱應(yīng)力, 具體方法是內(nèi)澆口避開熱節(jié)處;冒口不要放在熱節(jié)之正中央, 應(yīng)放在熱節(jié)邊緣位置;無法用冒口補(bǔ)縮 (距離較遠(yuǎn)) 的熱節(jié)處應(yīng)放置冷鐵, 放止縮裂或者皮下裂紋。

2) 適當(dāng)提高澆注速度。雖然慢速澆注有利于補(bǔ)縮, 一邊澆一邊降溫收縮一邊補(bǔ), 但先澆入的鋼水降溫大, 先充填部分和后充填部分溫差也大, 收縮的不同時(shí)性增大, 熱裂傾向加大, 同時(shí)也不利于渣和其它雜質(zhì)的及時(shí)上浮排除。

3) 設(shè)計(jì)時(shí)相交處的壁厚差異不要太大, 轉(zhuǎn)角避免直角, 必須采用圓角。

3.2.4保溫開箱時(shí)間

鑄鋼件在砂型中應(yīng)冷卻到250°C～450°C才開箱清砂, 高于450°C,鑄件的內(nèi)應(yīng)力大, 可能會(huì)引起鑄件變形和裂紋,

1-大多數(shù)壁厚<35mm和局部較厚的鑄件;
2-大多數(shù)壁厚36～80mm和局部較厚的鑄件;
3-大多數(shù)壁厚81～200mm和局部較厚的鑄件

4、結(jié)論

鑄鋼蝶閥其閥體、閥瓣屬薄壁框架類鑄件, 形成幾何熱節(jié)園的地方較多, 有些地方由于機(jī)械強(qiáng)度的需要壁厚比較厚, 而有些地方由于成本之考量設(shè)計(jì)壁厚比較薄, 所以鑄鋼極易產(chǎn)生之縮孔、縮松、裂紋等缺陷, 解決此問題, 必須從澆冒口工藝、冷鐵工藝、材料之控制、型砂之選用等多方著手, 只有這樣才能用經(jīng)濟(jì)、合理的措施來解決復(fù)雜之問題。