改進(jìn)鉛澆鑄方法 提高鉛層密實(shí)度

杜建義，李鵬峰

（第四八零八工廠(chǎng)，山東青島 266042）

改進(jìn)鉛澆鑄方法 提高鉛層密實(shí)度

杜建義，李鵬峰

（第四八零八工廠(chǎng)，山東青島 266042）

針對(duì)鉛鑄屏蔽體存在的缺陷,綜合考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、冷卻順序、澆鑄方法等,通過(guò)工藝改進(jìn),采用了熔鉛后一次性連續(xù)澆鑄、防氧化、保溫、順序緩慢冷卻的鉛澆鑄工藝方法，保證了屏蔽體鉛層密實(shí)度要求。

屏蔽體；連續(xù)鉛澆鑄；順序冷卻；密實(shí)度

某核電站關(guān)鍵件屏蔽體為雙層不銹鋼筒狀結(jié)構(gòu)，用于屏蔽體內(nèi)的核輻射物質(zhì)，保護(hù)工作人員免受核輻射危害。屏蔽體內(nèi)筒外徑?340mm，外筒為錐形筒，外筒最大內(nèi)徑?700mm，最小內(nèi)徑為?422 mm，澆鑄鉛層最大厚度180mm，澆鑄高度為1990mm。該屏蔽體為核電站設(shè)備的關(guān)鍵部件，質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，澆鑄后的鉛層應(yīng)密實(shí)，不得產(chǎn)生超過(guò)允許尺寸的縮孔、夾渣和疏松，如發(fā)現(xiàn)一個(gè)當(dāng)量直徑超過(guò)5mm（含5mm）的缺陷，或從內(nèi)到外任一直線(xiàn)上累積有10mm的缺陷時(shí)，視為不合格。澆鉛后，通過(guò)稱(chēng)重的方法，計(jì)算單位體積的實(shí)際灌鉛量，與試件的單位體積理論灌鉛量對(duì)比，其負(fù)差值不應(yīng)大于2%，即密實(shí)度大于98%。

該屏蔽體在澆鑄過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)廢品，不但影響了屏蔽體的生產(chǎn)效率，更重要的是影響了使用人員的身體健康，增加了空氣污染水平。為此，我們經(jīng)過(guò)詳細(xì)的技術(shù)分析，針對(duì)屏蔽體的結(jié)構(gòu)、冷卻特點(diǎn)、澆鑄方法等，制定了詳盡的澆注工藝，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用工藝裝備，并全程進(jìn)行跟蹤指導(dǎo)，最終將密實(shí)度控制在98%以上，成功解決了這一難題，降低了廢品率，確保了屏蔽體加工制造質(zhì)量和生產(chǎn)工期。

1 工藝分析

傳統(tǒng)的鉛澆鑄方法，大多采用將澆鑄體置于井式爐內(nèi)整體加熱，或在澆鑄體外部纏繞電阻絲加熱，澆鑄后整體冷卻的方法，此方法不能保證生成的鉛層密實(shí)、均勻。由于金屬鉛比重大、熔點(diǎn)低、收縮系數(shù)大，澆鑄過(guò)程中極易氧化而形成氧化層，特別是鉛冷卻時(shí)，凝固順序?yàn)橛赏獾絻?nèi)，極易產(chǎn)生縮松和氣孔。因此必須采取措施，保證凝固后得到密實(shí)、均勻的鉛層，否則很難保證鉛澆鑄體的質(zhì)量。

作為屏蔽層材料的金屬鉛，其特點(diǎn)是密度大（ρ=11.34t/m3），熔點(diǎn)低（T熔=327℃），熔融狀態(tài)時(shí)易揮發(fā)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)。通過(guò)分析認(rèn)為屏蔽體在澆鑄過(guò)程中存在以下難點(diǎn)：①屏蔽體要求一次性連續(xù)鉛澆鑄能力大于4.3t（理論計(jì)算值）；②鉛澆鑄后的質(zhì)量要求高，任意徑向上的缺陷不得大于?5mm當(dāng)量直徑；③鉛由熔融狀態(tài)凝固時(shí)體積將顯著收縮（2%～3%）極易產(chǎn)生縮松，此外收縮時(shí)將對(duì)內(nèi)筒的外表面產(chǎn)生較大的擠壓力，如果不采取措施，極有可能使內(nèi)屏蔽體失穩(wěn)；④鉛在金屬活動(dòng)順序表中位于氫的前面，在空氣中極易氧化而形成夾渣，必須采取防氧化措施。

2 工藝方案制定

為解決以上難點(diǎn)，在反復(fù)調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，制定了鉛澆鑄工藝方案。采用熔鉛后一次性連續(xù)澆鑄、防氧化、保溫、順序緩慢冷卻的鉛澆鑄工藝方法，保證澆鑄密實(shí)度及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。鉛澆鑄裝置詳見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用焦炭爐，最大熔鉛量8t。根據(jù)屏蔽體的外形尺寸，將加熱裝置沿屏蔽體高度方向分成若干組，每組加熱裝置由履帶式加熱器（若干個(gè)陶瓷片、電阻絲串接）、溫度傳感器及保溫材料組成，履帶式加熱器與被加熱屏蔽體外表面緊密貼合在一起，加熱器外側(cè)包裹硅酸鋁氈保溫層，溫度傳感器一端與屏蔽體相連接，另一端與控制柜相連；澆鉛管一端位于熔煉爐底部，另一端伸入屏蔽體底部，以隔絕空氣，保證輸出純凈的鉛液，保證鉛液無(wú)氧化。

控制柜由變壓器、交流接觸器、斷路器、溫控表及開(kāi)關(guān)等組成?？刂乒衽c加熱裝置通過(guò)溫度傳感器相連，實(shí)現(xiàn)鉛澆鑄的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為保證鉛液的良好流動(dòng)性，盡可能減少鉛的揮發(fā)，澆鑄溫度控制在370℃±5℃；加熱過(guò)程中，設(shè)定溫控器使其溫度控制在370℃±5℃范圍內(nèi)，進(jìn)行預(yù)熱使屏蔽體整體溫度傳導(dǎo)均勻；鉛液在冷卻過(guò)程中有2%～3%的收縮率，因此鉛澆鑄后的冷卻順序非常重要，鉛液澆滿(mǎn)屏蔽體后開(kāi)始冷卻，冷卻時(shí)從最底部開(kāi)始依次向上分段關(guān)閉電源，當(dāng)該段溫控表顯示為230℃時(shí)，再關(guān)閉上一段的電源開(kāi)關(guān)，順序向上操作直至最頂段。電源全部關(guān)斷后，自然冷卻到環(huán)境溫度。冷卻過(guò)程中還應(yīng)隨時(shí)觀(guān)察屏蔽體頂端鉛面收縮情況，如發(fā)現(xiàn)鉛液面不平整或冷卻收縮鉛不足，應(yīng)繼續(xù)澆鑄適量的鉛液，以補(bǔ)充收縮鉛液。通過(guò)上述裝置，保證鉛澆鑄由下而上的順序緩慢冷卻，并及時(shí)補(bǔ)充鉛液。

3 工藝關(guān)鍵點(diǎn)及解決措施

（1）在外筒表面上包裹LCD履帶式加熱器，包裹硅酸鋁氈保溫。電加熱器每軸向間隔400mm，共5組，每組3片電加熱器串聯(lián)后接到380V電源上，每組功率10kW，每組加熱器設(shè)一熱電偶并與電控柜相連接，為屏蔽體的預(yù)熱、保溫做好準(zhǔn)備工作。

（2）澆鑄管一端與熔煉爐底部相接，以隔絕空氣避免產(chǎn)生氧化層，保證輸出純凈的鉛液，澆鑄管另一端伸入鉛屏底端，當(dāng)鉛液面升高接近屏蔽體上端時(shí)，及時(shí)去除鉛液表面上浮的夾渣和氧化物。

（3）嚴(yán)格控制鉛澆鑄系統(tǒng)的溫度，既要保證鉛液的良好流動(dòng)性，又要盡可能減少鉛的揮發(fā)，澆鑄溫度控制在370℃±5℃。

（4）為消除鉛澆鑄后屏蔽體內(nèi)筒的失穩(wěn)現(xiàn)象，采用在內(nèi)、外屏蔽體之間焊接環(huán)形不銹鋼板凸臺(tái)，凸臺(tái)分別與屏蔽體內(nèi)筒、外筒連接定位，使內(nèi)外筒連成一體，在內(nèi)筒內(nèi)表面距上下筒口各700mm處增加兩個(gè)可調(diào)節(jié)的支撐環(huán)，為便于鉛屏吊裝，在外筒錐段上部安裝起吊環(huán)，環(huán)外徑上沿圓周均布焊接3個(gè)吊耳。

（5）電加熱器加熱時(shí)，注意查看溫控儀表，使其溫度控制在370℃±5℃范圍內(nèi)，預(yù)熱約2.5h使其屏蔽體整體溫度均勻。

（6）熔煉爐熔化鉛時(shí)，不斷觀(guān)察熔煉爐內(nèi)的鉛液，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)應(yīng)隨時(shí)清除，以保證澆鑄前鉛液的純凈度。

4 鉛澆鑄工藝流程

依據(jù)以上工藝方案和工藝要點(diǎn)制定詳細(xì)的鉛澆鑄工藝流程。

（1）工藝準(zhǔn)備。去除內(nèi)外筒灰塵及油污，用乙醇清洗干凈，將內(nèi)筒支承板在屏蔽體內(nèi)固定，頂部?jī)?nèi)外環(huán)連接板與內(nèi)外環(huán)固定，鉛屏屏蔽體底部與底座間鋪硅酸鋁纖維氈隔熱，將屏蔽體與底座采用壓板可靠壓緊。在屏蔽體表面分5個(gè)區(qū)，每區(qū)高度約400mm,在屏蔽體外表面各區(qū)纏繞加熱器，每組加熱器分別由3片加熱器串聯(lián)，每組加熱器總功率10kW，每區(qū)屏蔽體外表面相應(yīng)固定一個(gè)熱電偶。在屏蔽體外部包裹硅酸鋁纖維氈，共3層，每層厚度為10mm。屏蔽體鉛澆鑄重量測(cè)量與屏蔽體鉛澆鑄密實(shí)度檢測(cè)過(guò)程同步進(jìn)行。

（2）熔鉛及屏蔽體預(yù)熱。在熔煉鍋內(nèi)加入鉛錠約6t，焦炭爐點(diǎn)火加熱熔煉鍋熔化鉛錠，當(dāng)熔煉鍋內(nèi)鉛液達(dá)到熔點(diǎn)327℃開(kāi)始熔化時(shí)，攪拌已熔化的鉛液，使雜質(zhì)和氣泡充分上浮，繼續(xù)加熱使熔融的鉛達(dá)370℃±5℃時(shí)，保溫2.5h，并將上浮的雜質(zhì)清除干凈，為鉛澆鑄做好準(zhǔn)備。同時(shí)加熱屏蔽體，當(dāng)屏蔽體溫度達(dá)到370℃±5℃時(shí)，即可實(shí)施鉛澆鑄。

（3）鉛澆鑄。用管鉗工具鉗住澆鉛管，使?jié)层U管一端插入閥門(mén)接管口處，另一端垂直放入容器的定位板孔內(nèi)，插入屏蔽體底部，打開(kāi)球形閥門(mén)，實(shí)施鉛澆鑄。若此時(shí)鉛液沒(méi)有流出，可用乙炔氣焊烘烤閥門(mén)和管道，直到鉛液能夠連續(xù)流入屏蔽體為止。

（4）澆鑄鉛的溫度控制要求見(jiàn)表1。鉛液升至與屏蔽體頂端環(huán)形的屏蔽體頂面基本平齊，清除上浮的夾渣。冷卻過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉛收縮至定位板以下時(shí)應(yīng)再澆鑄鉛液，直至冷卻凝固且不再有收縮現(xiàn)象為止。將屏蔽體頂部封嚴(yán)，鋪上硅酸鋁纖維氈。

5 工藝效果

澆鑄前的屏蔽體，采用注水法測(cè)得應(yīng)灌鉛的體積V（水的密度為1kg/dm3），計(jì)算得到理論應(yīng)澆鑄鉛重量G理＝V×ρ鉛。實(shí)際澆鑄鉛重量G實(shí)為屏蔽體澆鑄后的重量G澆后與屏蔽體澆鑄前重量G澆前的差值（排除澆鑄后屏蔽體加工去除部分重量G切削的影響），即 G實(shí)＝G澆后-G澆前。密實(shí)度＝G實(shí)/G理×100%。按照上述方法計(jì)算，工藝改進(jìn)后屏蔽體密實(shí)度為98.86%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于98%的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)澆鑄試樣分層切割的方法，對(duì)澆鑄缺陷進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，縮孔、夾渣和疏松比改進(jìn)前大為減少，最大缺陷為2mm當(dāng)量直徑，澆鑄質(zhì)量完全滿(mǎn)足要求。(此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利證書(shū),專(zhuān)利號(hào)：ZL20102057146 1.1。)有效地解決了傳統(tǒng)鉛澆鑄方法極易氧化，冷卻過(guò)程中易產(chǎn)生縮松、氣孔和分層缺陷，且密實(shí)度達(dá)不到要求的問(wèn)題。為今后同類(lèi)產(chǎn)品的鉛澆鑄積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 屏蔽體鉛澆鑄溫度控制要求

[1]劉喜軍.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]鑄造工程師手冊(cè)/鑄造工程師手冊(cè)編寫(xiě)組編.[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.12.

Increasing the Density of Pb Layer w ith Improved Pouring M ethod for Pb

DU JianYi,LI PengFeng
(The 4808 Manufactuer,Qingdao 266042,Shandong China)

Aiming at defects of shields of lead casting and combined with consideration for the structure of products,cooling sequence and pouring methods,an improved pouring technology for lead has been adopted that consisting of a continuous casting after lead having been melt,certain measures preventing from oxidization,heat holding and sequence solidification with slowly cooling has guaranteed the requirements for density of Pb layer of the shields.

Shielding;Continuous pouring of Pb;Sequence solidification;Den

TG244;

A；

1006－9658（2012）03－0004-3

2012－04－08

1204-037

杜建義（1961-），男，工程師，主要研究機(jī)械設(shè)計(jì)、加工工藝等