造紙機(jī)械烘缸用球墨鑄鐵材料的性能及要求

張衛(wèi)民 陳巧花 李 峰 嚴(yán)國喬 張國華 蘭春林

(1. 全國輕工業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，浙江杭州，310004;2. 輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州，310004)

烘缸是干燥部的核心部分，烘缸作為主要的傳熱部件，在造紙機(jī)械中占有很大的比重。采用鑄鐵材料制成的烘缸，幾乎占據(jù)了整個(gè)造紙機(jī)烘缸產(chǎn)品市場。鑄鐵材料有良好的鑄造和機(jī)加工性能、良好的導(dǎo)熱性能和紙張?jiān)谄浔砻娴膭冸x性能。由于在使用水蒸氣作為加熱介質(zhì)時(shí)烘缸屬于承壓設(shè)備，而鑄鐵材料的金屬結(jié)構(gòu)組織在鑄造過程中發(fā)生缺陷的概率也比較高，尤其是灰鑄鐵材料屬于脆性材料，所以，鑄鐵烘缸的使用安全性，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了減少安全事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段通常的做法是提高鑄鐵壓力容器的安全系數(shù)，這一點(diǎn)我國在法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系中采取的做法與美國ASME 規(guī)范，以及歐盟的規(guī)范都是一致的。

由于技術(shù)進(jìn)步的需要和生產(chǎn)規(guī)?；奶岣?，造紙機(jī)械正在向高速、大型化方向發(fā)展。紙機(jī)干燥部一直是發(fā)展中高速紙機(jī)技術(shù)的瓶頸之一［1］，通常希望烘缸表面溫度能夠提高，使紙張得到更高的干燥速度。實(shí)現(xiàn)這一愿望可采取的措施有:①提高烘缸內(nèi)的操作壓力以提高烘缸操作溫度;②減少烘缸壁厚以減少熱傳導(dǎo)阻力;③改善烘缸內(nèi)部的排水以提高傳熱效率;④在烘缸內(nèi)壁開設(shè)溝紋以提高有效傳熱面積。這些措施可以提高各操作單元中紙張水分的蒸發(fā)速率，也是提高造紙機(jī)械車速的重要方向之一，前2 個(gè)措施與烘缸的材料有關(guān)，后2 個(gè)措施與烘缸的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

本文重點(diǎn)關(guān)注的是球墨鑄鐵材料在造紙機(jī)械烘缸中的應(yīng)用和其特性要求，以及目前國家法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中的要求在使用中存在的問題等，以供參考。

1 選用球墨鑄鐵材料存在的問題

我國與造紙機(jī)械烘缸有關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了鑄鐵烘缸的設(shè)計(jì)壓力和材料的選用。如國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的行政法規(guī)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［2］(以下簡稱《固容規(guī)》)規(guī)定了鑄鐵材料的使用條件，見表1。

表1 《固容規(guī)》中列出的鑄鐵材料及使用限制

從表1 可以看出，選用球墨鑄鐵材料可以滿足提高操作壓力和操作溫度的要求。

我國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2556—2008 造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定［3］(以下簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)定》)和QB 2551—2008 造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件［4］(以下簡稱《技術(shù)條件》)，是配套的輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定的鑄鐵使用條件見表2。這2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，雖然沒有明確規(guī)定烘缸的使用溫度，但在應(yīng)用中設(shè)計(jì)溫度是按對應(yīng)的飽和水蒸氣溫度取值，這在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中未發(fā)生過異議。行業(yè)中雖有用導(dǎo)熱油作為加熱介質(zhì)的情況，但導(dǎo)熱油烘缸另有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表2 《設(shè)計(jì)規(guī)定》和《技術(shù)條件》中列出的鑄鐵材料及使用限制

從表1 和表2 可以看出，2009 年頒布的《固容規(guī)》僅明確了2 種牌號的球墨鑄鐵QT400-18L 和QT400-18R 允許用于承壓設(shè)備，而2008 年頒布的2個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《設(shè)計(jì)規(guī)定》和《技術(shù)條件》注明的球墨鑄鐵有QT400、QT500 和QT600 3 種，《設(shè)計(jì)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)條文4.6.4 還規(guī)定，設(shè)計(jì)壓力＞0.8 ～1.1 MPa時(shí)，“缸體的材質(zhì)不低于QT500”?！都夹g(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)條文3.2.1 有同樣的描述。顯然，標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)出現(xiàn)了不相容的情況，而且，用“材質(zhì)不低于”這樣的描述存在歧義。高標(biāo)號材料與鑄造性能是一對矛盾，牌號越高，鑄造流動(dòng)性越差，越容易出廢品，特別是大直徑寬幅面的鑄鐵烘缸更是如此［5］。

2 個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)與《固容規(guī)》所替代的版本《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的條文相容，但老版本中所涉及的球墨鑄鐵并沒有規(guī)定牌號。而《固容規(guī)》規(guī)定了球墨鑄鐵牌號之后，使法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變得不相容。由于《固容規(guī)》是國家政府部門頒布的技術(shù)法規(guī)，高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《設(shè)計(jì)規(guī)定》和《技術(shù)條件》，因此關(guān)于球墨鑄鐵材料在造紙機(jī)械烘缸中的應(yīng)用問題，應(yīng)該根據(jù)法規(guī)條文的變化進(jìn)行相應(yīng)的變更。若確實(shí)在技術(shù)上必須增加的內(nèi)容，則需要維護(hù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的上下位關(guān)系，首先要在法規(guī)中批準(zhǔn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)嚴(yán)于法規(guī)，而不是寬于法規(guī)。

2 球墨鑄鐵材料的力學(xué)性能及其應(yīng)用

2.1 承壓設(shè)備材料的機(jī)械性能及其應(yīng)用

“對于壓力容器用金屬材料，首先要求具有一定的強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)具有良好的塑性、韌性、可成形性及焊接性［6］。”這句話是針對鋼制焊接容器而言的，對于鑄鐵壓力容器， “可成形性和焊接性”要改成“可加工性和鑄造性”。因?yàn)閷τ阡撝茐毫θ萜鳎洳牧弦?jīng)過卷板、壓力成形和焊接加工，而烘缸要經(jīng)過鑄造和切削加工。

通常對于鋼制壓力容器而言，衡量其塑性的重要指標(biāo)有2 個(gè):斷后伸長率(percentage elongation after fracture)、斷面收縮率(percentage reduction of area);衡量其韌性的重要指標(biāo)是沖擊吸收功(impact absorbing energy)。

塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性好的金屬材料制造承壓設(shè)備，可以緩和局部應(yīng)力的不良影響，不易產(chǎn)生脆性斷裂。在容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，通常的局部應(yīng)力呈現(xiàn)“自限制性”的特征，塑性良好的材料在承壓后結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而伴隨著變形的結(jié)果使應(yīng)力重新分布，變形協(xié)調(diào)了設(shè)備的應(yīng)力水平。這就是為什么要采用塑性較好的材料的原因之一。

韌性是指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力。韌性常用沖擊功Ak 值來表示。沖擊功值除反映材料的抗沖擊性能外，還能反映材料對缺陷的敏感性，而且沖擊功對材料的脆性轉(zhuǎn)化情況也很敏感，低溫沖擊試驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)材料的冷脆性。

壓力容器爆炸時(shí)的能量主要以沖擊波、碎片和殘余變形3 種形式表現(xiàn)［7］，材料的韌性越好，殘余變形越大，爆炸時(shí)吸收的能量越多，爆炸后產(chǎn)生的沖擊波就越弱，因此對周圍的破壞就越小。壓力容器爆炸后的碎片和殘余變形消耗的能量占總爆破能量的 3% ～15%［8］。灰鑄鐵是脆性材料，爆炸后碎片和殘余變形吸收的能量比例不計(jì)，但球墨鑄鐵的韌性要好很多，可以從伸長率和最小沖擊功值看出其與容器用鋼之間的定量關(guān)系。表3 給出了壓力容器常用的碳鋼Q245R、烘缸常用的灰鑄鐵HT250、球墨鑄鐵QT400-18R 的機(jī)械性能參數(shù)。

灰鑄鐵HT250，其機(jī)械性能引自國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件［9］，表3 中沖擊功沒有列出，由于其呈現(xiàn)脆性材料的特性，沖擊功值很低，不計(jì)其值。沖擊功值為0 意味著容器爆炸時(shí)沒有發(fā)生材料變形吸收能量的現(xiàn)象。

與灰鑄鐵和低碳鋼相比較，球墨鑄鐵的塑性和韌性更接近于低碳鋼。因此，應(yīng)用于承壓設(shè)備場合，球墨鑄鐵比灰鑄鐵具有更好的機(jī)械性能。而灰鑄鐵其實(shí)是很不適合用于承壓設(shè)備制造的，只是因?yàn)槠渚哂辛己玫蔫T造性能和紙張的剝離性能，長期以來，一直是造紙機(jī)械烘缸的主要用材。

為了彌補(bǔ)鑄鐵材料的缺點(diǎn)，通常采用的方法是增加安全系數(shù)，在國外規(guī)范中的處理方法也是如此。

2.2 相關(guān)球墨鑄鐵材料的性能及對比

對于球墨鑄鐵，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1348—2009 球墨鑄鐵件［10］中規(guī)定的機(jī)械性能見表4 所列，這里僅摘錄了在《固容規(guī)》和《設(shè)計(jì)規(guī)定》中涉及到的2 種材料。

表4 中所列QT500-7 的沖擊功在GB/T 1348—2009 中沒有表述，但在附錄D 中，對球墨鑄鐵材料韌性有專門的介紹。但就從伸長率指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)來判斷，QT500 球墨鑄鐵的沖擊功顯然低于QT400。

從金相組織結(jié)構(gòu)來看，QT400 主要基體組織是“鐵素體”，而QT500 則是“鐵素體+ 珠光體”。QT500-10 “基體組織以鐵素體為主，珠光體含量不超過5%，滲碳體不超過1%”［10］。

表3 幾種材料的機(jī)械性能參數(shù)

綜合各方面的性能，QT400 與QT500 相比，除了強(qiáng)度稍差些以外，塑性和韌性都較好， 《固容規(guī)》給出的2 種QT400 材料，選用QT400-18R 作為造紙機(jī)械烘缸選材應(yīng)該是合理的。

2.3 我國法規(guī)與美國ASME 以及歐盟標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容比較

表5 是《固容規(guī)》和美國ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范第VIII 卷 第一冊 壓力容器建造規(guī)則［11］(以下簡稱ASME 規(guī)范)中規(guī)定的幾種材料的一些有關(guān)參數(shù)比較。

表5 《固容規(guī)》與ASME 規(guī)范中不同材料的設(shè)計(jì)參數(shù)

ASME 規(guī)范中，灰鑄鐵用于承壓設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度都比較低，而球墨鑄鐵用于承壓設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度則比較高。 《固容規(guī)》與ASME 規(guī)范相比，在設(shè)計(jì)條件和安全系數(shù)選取時(shí)，使用鑄鐵時(shí)比較保守，尤其是球墨鑄鐵。

ASME 規(guī)范在處理球墨鑄鐵時(shí)，顯然更靠近低碳鋼而不是靠近灰鑄鐵。應(yīng)該說ASME 規(guī)范規(guī)定的球墨鑄鐵的安全系數(shù)比較合理。從表3 中各種材料的伸長率和沖擊功數(shù)值的對比來理解，這樣處理比較恰當(dāng)。

工程上常把伸長率＜5%的材料稱為脆性材料，伸長率＞5%的材料稱為塑性材料，也有把伸長率為5% ～10%的材料稱為韌性材料，而伸長率＞10%的材料稱為塑性材料。因此球墨鑄鐵和低碳鋼為塑性材料，而灰鑄鐵則是脆性材料。在ASME 規(guī)范中，UCD篇有一個(gè)注解，當(dāng)可鍛鑄鐵的伸長率＜15%時(shí)，要求按灰鑄鐵對待，按UCI 篇進(jìn)行設(shè)計(jì)［11］。美國人把15%的伸長率作為一個(gè)判定界限，顯然QT500 不滿足這一要求，如果使用就要按照UCI 篇灰鑄鐵的要求進(jìn)行對待。這是否可以解釋《固容規(guī)》引入了QT400-18R 而沒有引入QT500 的原因。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445-6:2009 非直接火焰加熱壓力容器——第6 部分:球墨鑄鐵構(gòu)造壓力容器和受壓元件的設(shè)計(jì)和制造要求［12］提供了兩類球墨鑄鐵，一種是鐵素體球墨鑄鐵，其中EN-GJS-18RT 和EN-GJS-18LT 相當(dāng)于我國的QT400-18R 和QT400-18L;另一種是奧氏體球墨鑄鐵，我國的法規(guī)尚未推薦。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445 中球墨鑄鐵的安全系數(shù)是按屈服限給的，折合到抗拉強(qiáng)度Rm相當(dāng)于4.8，這與ASME 規(guī)范相當(dāng)，但EN 13445 還要考慮幾個(gè)系數(shù)——溫度系數(shù)、壁厚系數(shù)和試驗(yàn)系數(shù)，這樣一來，會(huì)比ASME 規(guī)范保守一些。EN 13445 沒有考慮灰鑄鐵的應(yīng)用。

2.4 對我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修改建議

通過對鑄鐵材料的機(jī)械性能的討論，對比我國法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，對照ASME 規(guī)范和EN 13445 在處理鑄鐵材料時(shí)的一些措施，可以清楚認(rèn)識到，《固容規(guī)》在處理灰鑄鐵材料時(shí)，接近ASME 規(guī)范的方法，在處理球墨鑄鐵材料時(shí)，接近歐盟的方法。建議我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂目標(biāo)應(yīng)該按照這個(gè)思路進(jìn)行，從而使我國的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系更為相容。

3 結(jié) 語

鑄鐵材料作為承壓設(shè)備通常都具有比較特殊的用途。鑄鐵材料鑄造過程的不確定因素較多，而鑄造缺陷的無損檢測方法也不夠精確。特別是對于大型鑄件，鐵水在澆鑄流動(dòng)過程中，熱量會(huì)損失一部分，遠(yuǎn)離冒口的部位與冒口處材料的機(jī)械性能或多或少存在不一致。而對于造紙機(jī)械烘缸而言，尤其是寬幅的烘缸，澆鑄時(shí)底部鐵水的液體靜壓力和冒口處相差很大，這些因素都會(huì)影響鑄件的質(zhì)量，所以在選材方面需要十分慎重。

選擇球墨鑄鐵QT400-18 作為造紙機(jī)械烘缸使用材料，有以下幾個(gè)理由:

(1)球墨鑄鐵QT400-18 與QT500 相比，綜合性能要好，強(qiáng)度雖然低一些，但韌性高許多，所以可以取代QT500 的應(yīng)用場合。

(2)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程(《固容規(guī)》)屬于行政法規(guī)文件，在法規(guī)體系中的地位高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與行政法規(guī)有不一致的時(shí)候，應(yīng)該服從于法規(guī)。

(3)《固容規(guī)》與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較，頒布的時(shí)間較晚，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要更改以適應(yīng)其要求。

總而言之，球墨鑄鐵QT400-18 在用于造紙機(jī)械烘缸方面的綜合性能優(yōu)于QT500-7 和QT500-10，而輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中給出的QT500 和QT600 應(yīng)停止使用。如有必要，應(yīng)該補(bǔ)充一些機(jī)械性能指標(biāo)后，報(bào)請國家有關(guān)法規(guī)管理部門批準(zhǔn)，增加到法規(guī)條文中。

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