錐段轉(zhuǎn)鼓的立式離心鑄造工藝

于宏斌，王小軍，張應龍

（1.海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東青島266034；2.海裝重慶軍代局，重慶400042；3.四川華星爐管有限公司，四川成都610300）

錐段轉(zhuǎn)鼓的立式離心鑄造工藝

于宏斌1，王小軍2，張應龍3

（1.海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，山東青島266034；2.海裝重慶軍代局，重慶400042；3.四川華星爐管有限公司，四川成都610300）

分析了常規(guī)立式離心鑄造工藝生產(chǎn)錐段轉(zhuǎn)鼓時，產(chǎn)生氣孔、夾砂、縮凹等缺陷的原因；通過增加砂芯的方法對常規(guī)立式離心鑄造用鑄型進行改進。生產(chǎn)結(jié)果表明：鑄型中增加砂芯后，有效地控制了錐段轉(zhuǎn)鼓的加工余量，工藝出品率高，且生產(chǎn)的錐段轉(zhuǎn)鼓無氣孔、夾砂、縮凹等缺陷，無焊縫，可滿足在特殊應用環(huán)境下對錐段轉(zhuǎn)鼓無縫化制造的要求。

錐段轉(zhuǎn)鼓；立式離心鑄造；砂芯；工藝出品率；縮凹；氣孔；夾砂

近年來，伴隨著離心分離機行業(yè)的飛速發(fā)展，對離心分離機用錐段轉(zhuǎn)鼓的制造要求也在不斷提高。錐段轉(zhuǎn)鼓開孔削弱了其強度，開孔處有應力集中現(xiàn)象［1-2］，要求錐段轉(zhuǎn)鼓無氣孔、夾渣等缺陷。在特殊應用環(huán)境下，要求采用無縫化制造，以預防使用過程中發(fā)生爆裂等危險［3］，提高離心分離機使用安全性。以往錐段轉(zhuǎn)鼓多采用砂型鑄造或卷板焊接成型，其缺陷多且質(zhì)量難以保證。因此，四川華星爐管有限公司（簡稱華星爐管）將錐段轉(zhuǎn)鼓的制造改為立式離心鑄造；同時，由于錐段轉(zhuǎn)鼓兩端直徑相差大、高度高，在該立式離心鑄造工藝中，采用增加砂芯的方式，控制了錐形內(nèi)孔加工余量，避免了厚壁處產(chǎn)生縮凹等缺陷，提高了工藝出品率，且生產(chǎn)的錐段轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量優(yōu)異、無缺陷。

1 錐段轉(zhuǎn)鼓的特性分析

1.1 主要尺寸參數(shù)

以國外某離心分離機用大直徑不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓為例，其鑄件主要尺寸如圖1所示（已包含加工余量）。該錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件大部分內(nèi)外圓均呈圓錐狀，且直徑相差大、高度高，不適合做成直段再進行機械加工成錐段轉(zhuǎn)鼓，故該錐段轉(zhuǎn)鼓的鑄件毛坯應采用立式離心鑄造方式生產(chǎn)。

圖1 錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件主要尺寸示意

表1 UNS J93371錐段轉(zhuǎn)鼓的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）要求%

1.2 化學成分和力學性能要求

該錐段轉(zhuǎn)鼓的材料采用美國ASTM A 890/A 890M—1999《一般用途的鐵－鉻－鎳－鉬－耐腐蝕雙相（奧氏體/鐵素體）鋼鑄件》中UNS J93371雙相不銹鋼，經(jīng)固溶處理，要求組織中鐵素體質(zhì)量分數(shù)為40%~60%，不允許含有σ相。UNS J93371錐段轉(zhuǎn)鼓的化學成分和力學性能要求見表1~2。

1.3 常規(guī)立式離心鑄造工藝

錐段轉(zhuǎn)鼓采用常規(guī)立式離心鑄造，一般情況下都是采用大直徑端在下、小直徑端在上的方式進行，將化學成分及雜質(zhì)含量等符合標準要求的鋼水澆入具有一定轉(zhuǎn)速、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的鑄型中，在離心力的作用下充填鑄型型腔，經(jīng)自然冷卻或水冷卻至一定溫度（700~800℃）凝固成型。

表2 UNS J93371錐段轉(zhuǎn)鼓的力學性能要求

錐段轉(zhuǎn)鼓毛坯采用常規(guī)立式離心鑄造工藝生產(chǎn)，與砂型鑄造、卷板焊接成型工藝相比，熔融金屬液在離心力的作用下充型、凝固成型，離心力能顯著增加金屬液凝固時的補縮壓力，提高對鑄型的填充效果，可獲得常規(guī)（如砂型鑄造）重力場下無法獲得的致密組織和力學性能。在離心力場下，金屬液中的氣泡半徑隨旋轉(zhuǎn)角速度和半徑的增加而變小，減小了氣泡體積，金屬液在向型腔充填的同時將型腔內(nèi)的氣體擠出來，從而降低或消除氣孔缺陷的產(chǎn)生［4-5］。同時，立式離心鑄造的錐段轉(zhuǎn)鼓，其縱、橫向性能均勻，無焊縫及冷作硬化應力，鑄件整體強度較高［6］。在離心力及鑄型激冷的作用下，錐段轉(zhuǎn)鼓可獲得從外表面至內(nèi)孔的定向凝固組織，且由于枝晶的細化和枝晶間疏松得到最大限度的填充，其強度和塑性得到提高，呈現(xiàn)出各項同性［7-8］，有利于延長產(chǎn)品的使用壽命。

但是，采用常規(guī)立式離心鑄造工藝生產(chǎn)的錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件，在凝固過程中，由于離心力和重力共同作用，合金液自由表面形成一拋物面并在鑄件上保留下來，垂直剖面則為拋物線。此外，最大壁厚處較厚，在金屬鑄型、底板及擋板的三面激冷的作用下，易導致鑄件的內(nèi)表面產(chǎn)生縮凹缺陷［9-10］。常規(guī)立式離心鑄造鑄件縮凹如圖2所示。若縮凹過于嚴重，將導致鑄件直接報廢。此外，錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚的增加，導致壁厚處易形成雙向凝固，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴重時同樣會使錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件報廢。

圖2 常規(guī)立式離心鑄造鑄件縮凹示意

分析上述常規(guī)立式離心鑄造錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件后發(fā)現(xiàn)，可通過在金屬鑄型的底板設(shè)置一砂芯進行改進。改進后，可有效控制錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件內(nèi)孔的加工余量，大大提高了工藝出品率，且不需要提高離心轉(zhuǎn)速就能夠避免鑄件內(nèi)表面產(chǎn)生縮凹缺陷，同時錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚均勻，避免厚壁處產(chǎn)生裂紋等缺陷。

2 改進型立式離心鑄造用鑄型的設(shè)計

2.1 立式離心鑄造機技術(shù)參數(shù)

使用立式離心鑄造機，電機功率為75 kW，主軸最高轉(zhuǎn)速為600 r/min，無極調(diào)速。設(shè)備適用的鑄件的最大直徑為1 100 mm、最大高度為1 800 mm，設(shè)備最大承載質(zhì)量（鑄件+鑄型）為15 t。

2.2 改進型鑄型的設(shè)計

改進型立式離心鑄造用鑄型，主要由金屬型筒、擋板、帶砂芯的底板三部分組成。由于該錐段轉(zhuǎn)鼓大部分內(nèi)外圓均為圓錐形，直段部分較短，并且其鑄件縮尺通常約為2%，加上金屬型筒對鑄件的激冷作用，冷卻收縮后就能方便地脫模，故不需要考慮鑄件的拔模斜度。改進型立式離心鑄造用鑄型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進型立式離心鑄造用鑄型結(jié)構(gòu)示意

在改進型立式離心鑄造用鑄型中，金屬型筒與底板、底板與立式離心機采用止口定位，盡量使金屬型筒、砂芯、底板三者同心，保證錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件的同心度。整個鑄型中，砂芯內(nèi)芯骨采用無縫鋼管，在鋼管長度方向上鉆有許多小孔，用以引導砂芯內(nèi)的水汽從底板孔中排出，防止?jié)沧r砂芯內(nèi)的氣體將砂芯脹壞，使錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。砂芯頂部設(shè)有耐火磚，用以緩沖澆入模具型腔的熔融金屬液，避免砂芯被沖壞。底部沿圓周布置有耐火磚，通過外模將其壓緊在底板上，使熔融金屬液與底板隔開，盡可能減少熱量傳輸?shù)降装迳?，由于底板與立式離心機連接板直接接觸，熱量傳輸?shù)臏p少對立式離心機也有一定的保護作用。同時，金屬將耐火磚壓緊在底板上，也起到了密封作用，可防止熔融金屬液從金屬型筒與底板間流出。

（1）金屬型筒材料的確定?？紤]到金屬液溫度較高，為避免金屬外模局部溫度超過其轉(zhuǎn)變溫度Ac1（奧氏體化開始轉(zhuǎn)變溫度），使金屬外模內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，綜合國內(nèi)外對離心鑄造金屬型筒材料的選用情況，通常選30CrMo、34CrMo和21CrMo10等為金屬型筒材料。由于錐段轉(zhuǎn)鼓生產(chǎn)批量大，為保證金屬外模具有較長的使用壽命，且21CrMo10材料的合金含量高，Ac1溫度為768℃且韌性較好，有阻止熱裂紋形成的特性［11］，故選21CrMo10為金屬型筒材料［12］。

（2）金屬型筒壁厚的確定。在一般臥式離心鑄造中，通常擋板與鑄件的接觸面積要比金屬型筒小得多，鑄件的熱量主要是傳遞給金屬型筒后散發(fā)。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，臥式離心鑄造中金屬型筒壁厚δ型與鑄件壁厚δ鑄的比值δ型/δ鑄在1.4～2.0比較適宜。在改進型立式離心鑄造中，雖然在金屬鑄型底板上設(shè)置了砂芯，砂芯將從鑄件吸收更多的熱量，但是砂芯在吸收熱量后會產(chǎn)生很多水汽，水汽在經(jīng)底板排出的同時將帶走大部分的熱量，使底板、擋板吸收的熱量與金屬型筒相比要小得多，故在確定改進型立式離心鑄造金屬型筒的壁厚時參照臥式離心鑄造即可。改進型錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件中主要壁厚最厚處為51 mm，按δ型/δ鑄在1.4～2.0計算，δ型為71.4～102.0 mm，考慮到錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚有的地方變大，確定金屬型筒的壁厚為90mm，此時δ型/δ鑄=1.7。

2.3 鑄型首次使用前內(nèi)表面的處理

首次使用的金屬型筒工作表面，在機械加工后比較光潔、存在油污等，噴涂涂料后會出現(xiàn)涂料容易脫落的現(xiàn)象，使鑄件產(chǎn)生夾渣等有害缺陷。因此，金屬型筒在首次使用前，通常要求噴涂涂料后用適當溫度的金屬液清洗型筒一次。生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，金屬型筒工作表面在首次使用前，提前在噴涂的涂料中加入少量的鹽，然后噴涂到金屬型筒工作表面并存放5～7天，之后將金屬型筒工作表面用清水清洗干凈，清洗干凈后即可投入使用，且加入的少量的鹽并不會對金屬型筒產(chǎn)生任何危害，并可以大大減少資源的浪費、提高生產(chǎn)效率等。

2.4 鑄型加工余量的確定

采用離心鑄造時，金屬液在離心力的作用下進行補縮，一般無氣孔、夾渣等有害缺陷，雜質(zhì)主要聚集在錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件內(nèi)表面和兩端面，故鑄件內(nèi)表面加工余量要大于外表面。同時，在改進型立式離心鑄造工藝中，由于增加了砂芯，避免了鑄件內(nèi)表面產(chǎn)生縮凹；因此，設(shè)計加工余量時不需要考慮縮凹對鑄件壁厚的影響。故其單面加工余量：錐段轉(zhuǎn)鼓上端（小直徑端）面為20 mm，錐段轉(zhuǎn)鼓下端（大直徑端）面為16 mm，錐段轉(zhuǎn)鼓外圓加工余量為6 mm，錐段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)孔加工余量為10 mm。

2.5 鑄型轉(zhuǎn)速的確定

采用康斯坦丁諾夫公式確定鑄型轉(zhuǎn)速［13］：

式中n——鑄型轉(zhuǎn)速，r/min；

γ——合金液重度，N/m3；

r0——鑄件內(nèi)表面半徑，m；

β——調(diào)整系數(shù)，對于鑄鋼件的立式離心鑄

造，β取1.0~1.3。

對于國外某離心分離機用大直徑不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓，其材質(zhì)為UNSJ93371雙相不銹鋼，γ=7.8×104N/m3。由于錐段部分增加了砂芯，r0可按直段部分的選取，即r0=137.5 mm。因此，由公式（1）可計算出鑄型所需的離心轉(zhuǎn)速為533.0~692.9 r/min。

鑄型的離心轉(zhuǎn)速n取560 r/min，此時β=1.05。

2.6 金屬型筒的涂料

金屬型筒的涂料采用硅石粉水基涂料，噴涂的涂料厚度為1.2~1.5 mm，噴涂涂料時應均勻、平整。金屬型筒、砂芯預熱后噴涂涂料，噴涂后不需再次預熱。

2.7 金屬型筒和砂芯的預熱溫度

金屬型筒的預熱溫度為180~240℃。首次使用時，先預熱至≥300℃，然后自然冷卻至180~ 240℃進行涂料的噴涂，噴涂涂料后即可用于澆注。

砂芯采用樹脂砂造型，預熱溫度為120~150℃，預熱時間不宜過長，一般為1 h左右，以避免出現(xiàn)松垮，滯留的水汽在澆注時可以將熱量從底板孔中帶出。預熱后進行涂料的噴涂，涂料噴涂完畢后即可用于澆注。

2.8 澆注溫度的確定

對雙相不銹鋼來說，其熔點約為1 440℃。采用改進型立式離心鑄造，澆注溫度一般在熔點的基礎(chǔ)上上升120~230℃，即1 560~1 670℃。由于澆注溫度過高則不利于保護鑄型，且為保證鑄型型腔內(nèi)的氣體能充分排出，故取澆注溫度為1 580 ~1 600℃。

2.9 鑄件脫模溫度的確定

鑄件在離心力的作用下充型、凝固，冷卻至700℃左右時，離心力基本上已不起作用，可停機將鑄型從立式離心機上吊走，以保護立式離心機。為便于操作，待鑄件自然冷卻至300℃左右脫模。

3 錐段轉(zhuǎn)鼓生產(chǎn)結(jié)果

錐段轉(zhuǎn)鼓加工完畢后，為檢測采用改進型立式離心鑄造工藝后是否產(chǎn)生氣孔、夾渣等有害缺陷，對機械加工成型后的錐段轉(zhuǎn)鼓進行了化學成分、機械性能、液體滲透檢測。立式離心鑄造錐段轉(zhuǎn)鼓實物如圖4所示。液體滲透檢測執(zhí)行英國BS EN 1371—1∶2012《鑄造——液體滲透檢測第1部分：砂鑄、重力壓模鑄和低壓模鑄法》中的SP2、CP2、LP2和AP2規(guī)范，檢測區(qū)域包括錐段轉(zhuǎn)鼓外表面及可探內(nèi)表面等。結(jié)果顯示：采用改進型立式離心鑄造工藝，其雙相不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量滿足液體滲透檢測標準要求。錐段轉(zhuǎn)鼓的化學成分和機械性能也都滿足ASTM A 890/A 890M—1999標準對UNS J93371雙相不銹鋼的要求，組織中鐵素體質(zhì)量分數(shù)為40%~60%，不含σ相。

圖4 立式離心鑄造錐段轉(zhuǎn)鼓實物

為進一步檢測錐段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部是否含有夾渣等，補充進行了超聲波檢測，按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測第3部分：超聲檢測》進行檢測，采用CSK-ⅡA-2標準試塊，檢測區(qū)域包括錐段轉(zhuǎn)鼓所有可探區(qū)域。結(jié)果顯示：采用改進型立式離心鑄造工藝，其雙相不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓的超聲波檢測結(jié)果滿足NB/T 47013.3—2015標準要求。

目前，華星爐管生產(chǎn)的所有雙相不銹鋼錐段轉(zhuǎn)鼓已交付用戶復檢，結(jié)果滿足要求，且使用后質(zhì)量良好，現(xiàn)已批量出口。

4 結(jié)論

（1）在常規(guī)立式離心鑄造的基礎(chǔ)上，通過增加砂芯改進鑄型，使生產(chǎn)的錐段轉(zhuǎn)鼓無氣孔、夾渣等有害缺陷。

（2）生產(chǎn)的錐段轉(zhuǎn)鼓無焊縫，整體強度高，可滿足特殊應用環(huán)境下對錐段轉(zhuǎn)鼓無縫化制造的要求。

（3）鑄型中增加的砂芯有效地控制了錐段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)孔的加工余量，大大提高了工藝出品率。

（4）鑄型中增加砂芯，使錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚相對均勻，且不需要考慮縮凹缺陷對錐段轉(zhuǎn)鼓鑄件壁厚的影響。

（5）金屬型筒首次使用前，在涂料中加入少量鹽，噴涂到金屬型筒的工作表面存放5~7天，清洗干凈后可直接投入使用，提高了生產(chǎn)效率。

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●信息

Vertical Centrifuga lCasting Process for Coned Drum

YU Hongbin1，WANG Xiaojun2，ZHANG Yinglong3
（1.Qingdao Area Maintenance&Supervision Center，PLA Navy，Qingdao 266034，China；2.Chongqing Military Representative Bureau，PLA Navy Equipment Department，Chongqing 400042，China；3.Sichuan Huaxing Centrifugally Alloy Tube Co.，Ltd.，Chengdu 610300，China）

Analyzed here in the paper are the causes for development of defects like porosity，sand inclusion，and sink of the coned drum asmade with conventional vertical centrifugal casting process.Accordingly，the casting mould of the conventional vertical casting process ismodified by means of adding the sand core.Result of the actual operation shows that thanks to addition of the sand core to the castingmould，the machining allowance of the coned drum is properly controlled，and thus the process yield is enhanced.Moreover，the coned drum itself as castwith the modified mould is free of weld seam，and defects like porosity，sand inclusion and sink.This modified vertical centrifugal casting process is capable ofmeeting the requirement formaking seam less coned drum to be used under special service conditions.

coned drum；verticalcentrifugalcasting；sand core；processyield；sink；porosity；sand exclusion

TG249.4

B

1001-2311（2016）06-0035-05

2016-08-05）

于宏斌（1979-），男，工程師，從事艦艇的檢測與維護工作。