鑄鋼蝶閥的缺陷分析及解決措施

宋正義

【摘 要】分析了鑄鋼蝶閥閥體、閥瓣在鑄造過程中產(chǎn)生的各項缺陷之原因，特別對最常見的縮孔、縮松、裂紋，給出了從造型工藝、型砂工藝及冶煉澆注，直至保溫冷卻的原因分析及解決辦法，尤其給出了怎樣從動態(tài)凝固理論角度來制定之鑄造工藝，以及怎樣使用《華鑄CAE/InterCAST集成系統(tǒng)》軟件進行驗證。

【關鍵詞】鑄鋼蝶閥;縮孔裂紋;工藝控制

中圖分類號： TM621.2文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）16-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.014

Defect Analysis and Solution of Cast Steel Butterfly Valve

SONG ?Zheng-yi

（Shanghai Guanlong Valve Machinery Co.，Ltd.Shanghai 201802，China）

【Abstract】The causes of various defects in the casting process of cast steel butterfly valve body and valve disc are analyzed.Especially for the most common shrinkage，shrinkage and crack，the causes and solutions from moulding process，moulding sand process and smelting pouring to heat preservation and cooling are given.In particular，how to formulate the casting process from the point of view of dynamic solidification theory and how to use it are given.《The software of Huazhu CAE/InterCAST integrated system is validated.

【Key words】Cast steel butterfly valve;Shrinkage crack;Process control

我國的國民經(jīng)濟建設離不開閥門，在工業(yè)領域及城鄉(xiāng)基礎建設領域，閥門這一產(chǎn)品更是不可或缺。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度，良好之密封性能，較低之成本，故在工業(yè)領域及市政工程領域得到廣泛應用，同樣由于蝶閥結構簡單、操作可靠、造價低廉、口徑齊全（50～5000mm）在閥門需求領域上的比重應當是最高的。但鑄鋼蝶閥如在鑄造工程中控制不當，會帶來很大之經(jīng)濟損失。

本文結合鑄鋼蝶閥的實際生產(chǎn)、相關技術資料及筆者多年來從事鑄造生產(chǎn)的一些寶貴經(jīng)驗，對鑄鋼蝶閥常見的縮孔、裂紋作了原因分析，并提出了改進措施，并使用了科學軟件進行論證等方法，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，其中最為常見的是縮孔和裂紋，這兩大缺陷往往會導致鑄件無法修補（或修補成本很高）而報廢，故本文主要針對這兩類缺陷進行分析和找對策。

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)部及背部加強筋相交之熱節(jié)處。裂紋照片實例見圖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，收縮時間等于鑄件凝固時間，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，不存在有自補功能，所以其液態(tài)收縮和凝固收縮完全靠澆注系統(tǒng)和冒口的外部補縮，所以一旦澆注系統(tǒng)和冒口安排不合理，冒口補貼能力不足、鋼液澆注溫度過高、收縮量大，就會產(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]，實例照片（見圖2）

2.2 造成裂紋之原因分析

熱裂其實大部分和補縮及鑄件線收縮受阻有關系，其發(fā)生的時間段為凝固收縮之后期，此時的鑄件還未完成凝固，溫度比較高，同時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）。

冷裂主要是鑄造應力超過合金之抗拉強度引起的鑄件開裂，其原因是鑄件設計不合理;壁厚懸殊;澆冒系統(tǒng)設置不科學，鑄件各部分溫差大，開箱過早或者開箱后未及時退火處理（實例照片是圖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)改進鑄造工藝

長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，保證鑄件結構上各部分按遠離冒口的部分先凝固，靠近冒口的部分后凝固，冒口本身最后凝固的順序進行，以便在鑄件從遠離冒口部分到冒口之間建立一個遞增的溫度梯度。為此要加強冒口要放在熱節(jié)處，如果實在無法防止就用補貼過渡，但冒口和補貼都要足夠大，保證冒口最后凝固，按照這種工藝設計基本能夠生產(chǎn)出合格鑄件，但實際生產(chǎn)中還是會存在一些問題。

1）閥體傳統(tǒng)工藝

一般為平做造型工藝（法蘭面一個在底部、一個在頂部），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，澆注快結束時在冒口補澆熱鋼水，但缺點冒口必須足夠大，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還會出現(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，無法得到冒口補縮，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，最大熱節(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）動態(tài)順序凝固

動態(tài)順序凝固時[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，實現(xiàn)鑄件遠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，當然為了減少冒口之尺寸在鑄件之幾何熱節(jié)處遠離冒口端放置冷鐵?？捎行У販p小冒口之體積提高工藝出品率，同時也可有效地防止冒口頸之缺陷

a、根據(jù)動態(tài)順序凝固原理特點設計澆冒口系統(tǒng)，并和《華鑄CAE/interCAST集成系統(tǒng)》[3]進行凝固過程電腦模擬驗證，模擬的三維照片見圖4。

照片說明：（1）由下而上，藍色的表示溫度最低、紅色表示溫度最高。

（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間。

（3）黑色表示鑄造缺陷（縮孔）。

b、閥瓣（DN1600蝶閥）軟件驗證實例（圖4）。

該鑄件重量1540kg、材質(zhì)為WCB、澆注溫度1580°C、凝固溫度為1420°C、設計的工藝為采用2個熱暗冒口，冒口頸位置位于最大熱節(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）是澆注結束（澆注用469.69s）后鑄件液體表面溫度狀況。時間為469.69S→16050.31S，即澆注結束至全部凝固之時間。圖4（A）為剛澆注結束（時間點為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）凝固全部結束，冒口上部產(chǎn)生縮凹。工藝模擬結果是合格的，同時實際驗證也是合格的。當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）處，軸孔位置底部）適當放置冷鐵激冷效果更佳。

c、閥體工藝簡介

閥體的澆注工藝也是按動態(tài)順序凝固的原則設計，即澆冒口放在法蘭邊緣遠離熱節(jié)處，但在冒口底和熱節(jié)處適當設置了補貼，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，建立一個自下而上適合于動態(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，實踐證明工藝也是合格，和實踐驗證均可生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，同時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，最終導致冒口液體積不足，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)處放置點設置冷鐵激冷，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澆熱鋼水。有文獻[5]記載，合理地使用冷鐵和冒口保溫技術，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 適當降低砂芯之強度，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產(chǎn)生內(nèi)應力。一般水玻璃強度低些退讓好些，相對來說裂紋比較少些，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帶來很大的環(huán)保問題，所以目前市場基本都改為樹脂砂造型，但樹脂砂強度比較高，易造成鑄件應力而產(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，在造型時在背砂中埋入泡沫塑料塊，或者型芯做成中空形。

3.2.2 嚴格控制化學成分

WCB化學成分為：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準控制好了，那基本排除了化學成分造成裂紋的原因。

3.2.3 造型工藝調(diào)整

1）適當降低澆冒口所產(chǎn)生的溫度梯度，減少熱應力，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，應放在熱節(jié)邊緣位置;無法用冒口補縮（距離較遠）的熱節(jié)處應放置冷鐵，放止縮裂或者皮下裂紋。

2）適當提高澆注速度。雖然慢速澆注有利于補縮，一邊澆一邊降溫收縮一邊補，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，收縮的不同時性增大，熱裂傾向加大，同時也不利于渣和其它雜質(zhì)的及時上浮排除。

3）設計時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 保溫開箱時間

鑄鋼件在砂型中應冷卻到250°C～450°C才開箱清砂，高于450°C，鑄件的內(nèi)應力大，可能會引起鑄件變形和裂紋，故蝶閥類鑄鋼件的保溫時間參照下圖5[7]。

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，有些地方由于機械強度的需要壁厚比較厚，而有些地方由于成本之考量設計壁厚比較薄，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，只有這樣才能用最經(jīng)濟、最合理的措施來解決最復雜之問題。

【參考文獻】

[1]婁延春.中國機械工程學會鑄造分會《鑄造手冊》[S].第3版第二卷《鑄鋼分冊》.

[2]魏兵.西安工業(yè)大學《鑄件均衡凝固技術及應用實例》[J].

[3]華中科技大學華鑄軟件中心《華鑄軟件/InteCAST》

[4]婁延春，中國機械工程學會鑄造分會《鑄造手冊》[S].第3版第二卷《鑄鋼分冊》.

[5]李新亞，中國機械工程學會鑄造分會《鑄造手冊》[S].第3版第五卷《鑄造工藝》分冊.

[6]李明《鑄鋼件生產(chǎn)技術》[M].機械工業(yè)出版社.

[7]樊自田等《鑄造質(zhì)量控制應用技術》[M].機械工業(yè)出版社.