水冷金屬型球墨鑄鐵管缺陷成因及解決措施

鐘軍超，陳建波，孟 新，李新科，李志杰

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

離心球墨鑄鐵管具有優(yōu)良的力學性能和使用性能。目前DN300 以下的小管徑生產工藝采用冷模法即水冷金屬型，生產過程中經常出現各種缺陷品，嚴重影響鑄管的產品質量，給生產帶來嚴重影響。一旦缺陷品流入市場，將會造成嚴重的經濟損失。

通過對冷模法生產過程中熔煉工序鐵液成分、溫度，球化殘鎂量的控制以及離心機工序研究，分析缺陷品形成的原因，并指出解決問題的方向。

1 夾渣缺陷產生原因及防止措施

生產中由于落槽、流槽清理和鐵液除渣不干凈以及鐵液中殘鎂控制和微量元素控制不達標造成機械夾渣和元素氧化夾渣。

1.1 殘鎂含量

鐵水中保證一定量的殘鎂才能保證鑄鐵管具有較好的球化率，對于冷模法離心球墨鑄鐵管，在生產過程中發(fā)現：當殘鎂質量分數≥0.06%時，夾渣缺陷明顯增多，分析當殘鎂含量過高時，鐵水氧化越嚴重，致使二次夾渣大量生成[1]。

1.2 機械夾渣

落槽的打結料和流槽的涂料清理不干凈，極易隨鐵液混入管模中，離心冷卻凝固后夾雜在鑄件中，形成夾渣缺陷。由于冷模法凝固較快，當管模粉出現團塊狀時，因無法及時溶解，容易造成夾渣缺陷，當鐵液表面漂浮渣清理不干凈混入鐵液后容易形成夾渣缺陷。

1.3 微量元素作用

Si、Mn、稀土等與鐵液中的S 和O 發(fā)生反應形成一層氧化膜，當鐵液溫度低，渣量較多時，難以完全上浮，澆鑄后形成夾渣缺陷[2]。

為了控制夾渣缺陷，可以從以下幾個方面采取措施：

1）降低鐵液中的硫含量，減少硫化物夾渣。

2）在工藝范圍內，適當提高澆鑄溫度，以利于夾渣上浮。

3）出鐵前應加入稀土，稀土加入量應控制在0.25 kg/t～0.5 kg/t，保證球化鐵水不出現衰退。

4）落槽和流槽涂料涂刷要到位，加強鐵液的扒渣和擋渣效果，檢查扇形包粘渣情況，粘渣嚴重通知澆注工清理粘渣或更換扇形包。

5）殘鎂含量嚴格按照工藝執(zhí)行，生產過程中殘鎂質量分數控制在0.045%～0.050%比較合適。

2 裂紋缺陷產生原因及防止措施

由于澆鑄參數調整不合適、冷卻不均勻以及管模龜裂嚴重時都容易導致產生裂紋缺陷，一般裂紋缺陷有機械阻礙、應力作用、“超前流”幾種。

2.1 機械阻礙

當鐵水落點位置不恰當，翻包參數不合適，管模龜裂嚴重時，容易造成鐵液進入砂型與管模間隙形成毛刺或進入管模龜裂紋中，在收縮過程中容易造成裂紋缺陷。

2.2 應力作用

在水冷法球墨鑄鐵管生產過程中，球鐵管由于管模溫度不一致或壁厚不均勻致使冷卻過程產生的應力不均勻，應力差過大會造成裂紋現象。當鐵液中微觀成分偏析造成局部組織中碳化物和珠光體量與周圍組織有較大差異時，極易在凝固過程中造成應力集中，產生裂紋缺陷。

2.3 “超前流”現象

當流槽位置不合適或澆鑄參數設置不合適時，容易使鐵液在澆鑄時產生分流分散，造成“超前流”現象，隨后澆鑄鐵液覆蓋其上發(fā)生重熔，導致傳熱條件不如周圍鐵液，出現熱節(jié)現象，造成冷隔或裂紋缺陷。通常將流槽的出口與離心機的軸線設置成17°的夾角[3]。

3 氣孔缺陷產生原因及防止措施

鐵液澆鑄過程中產生的CO 和H2是氣孔缺陷的主要來源。氣體能夠擴散到金屬內部并被金屬吸附，通常壓力和成分一定時，鐵液溫度越高，氣體在金屬中的溶解度越大。生產中表現為氣體在鐵液在感應電爐內保溫時間越長，鐵液溫度越高，氧化越嚴重，出現氣孔和針孔的幾率越大[4]。析出性氣孔一般是由于金屬從液態(tài)凝固成固態(tài)時，氣體在固液兩相中的溶解度不同或侵入性的氣體來不及排出而殘留在鑄件中所形成的氣孔。管模內壁上生銹或有油類污漬時在澆鑄過程中與鐵液發(fā)生化學反應引入氣體，極易產生氣孔缺陷。

生產過程中控制氣孔缺陷的措施有以下幾個方面：

1）鐵液保溫時間。鐵液溫度越高，保溫時間越長，氧化越嚴重，出現氣孔的幾率越大。生產過程中要把握好生產節(jié)奏，避免鐵液長時間不能及時澆鑄，中頻爐的保溫時間不宜超過30 min.

2）管模龜裂。管模長時間的使用會造成內壁龜裂，鐵液氧化形成的氧化熔渣（FeO）能夠與結晶前沿液相區(qū)富集的[C]發(fā)生反應生成CO 氣體，而氣體的析出需要形核長大，由公式1 可知，

式中：P 為氣泡所受的壓力；σ 為氣泡表面的張力；r 為氣泡表面的張力。

氣孔屬于非均質形核，初始條件下r 無窮小，因此P 驅向無窮大，依靠鐵液本身難易自發(fā)形核，管模內表面的龜裂能夠為氣體的非均質形核提供來源，生產過程中通常加大模粉量或更換管模來解決該問題。

3）微量元素。殘留鋁含量一般超過千分之三時會增加氣孔的數量；而殘留鈦超過千分之一就會增加氣孔的數量；硫含量與氣孔的數量呈正比，殘留鋁含量越多，氣孔數量也越多。

4 重皮缺陷產生原因及防止措施

鐵液在管模中存在軸向和圓周兩個方向的運動，從流槽流出鐵液大部分向承口方向運動，但仍存在少部分鐵液向插口方向流動，這股“超前流”是形成重皮的主要原因，若流槽出鐵口鐵液不能與“超前流”熔合在一起，則會形成重皮缺陷，在鑄管外表面呈疤痕分布，近似螺旋線分布。對于承口部位重皮缺陷，大部分由于翻包參數調整不合適導致鐵液流量不穩(wěn)定，流入承口的這股鐵液不能完全填充腔體，與后繼達到的鐵液不能完全融合，形成重皮缺陷。隨著鐵液向插口方向的移動，若流槽出口的鐵液與“超前流”鐵液位置相差較遠，而水冷金屬型球墨鑄鐵管冷卻速度較快，當澆鑄溫度較低、管徑較小時，后繼鐵液與“超前流”鐵液無法完全融合，形成重皮缺陷。因流槽位置不當或澆注包包嘴寬度、高度不當，澆鑄過程中產生鐵液飛濺，飛濺的鐵液濺入管模中，形成斷續(xù)不規(guī)則的鐵液，一旦插口出現飛濺的鐵液，當正常鐵液澆鑄在該位置時，已不能將其熔化，形成重皮缺陷，如圖1 所示。

為避免重皮缺陷，可以從以下幾個方面采取措施：

1）翻包參數。設置快翻功能，澆鑄承口的鐵液需求量相對較大，正常翻包流出的第一股鐵液量較少。提高扇形包翻轉角速度可以增加鐵液流量，通過增加快翻功能，可以保證承口需鐵量，減少承口重皮缺陷，一般快翻設定的速度是正常翻包速度的2～3 倍。

圖1 冷隔型重皮

2）流槽和扇形包，將流槽的彎頭與流槽的軸線呈17°夾角，如圖2 所示。降低流槽的高度，使其滿足表1 所示，扇形包包嘴的寬度和高度與流槽位置相匹配，保證鐵液的落點與流槽位置相切。

圖2 流槽彎頭

表1 球墨鑄鐵管規(guī)格與流槽高度對應表

3）管模轉速，管模轉速過高，“超前流”越嚴重，在保證能夠離心澆鑄的前提下，適當降低管模轉速，可以減少重皮缺陷，管模旋轉速度可以根據公式（2）確定[5]

式中：G—重力系數；F—物體所受的離心力，N；P-物體所受的重力，N；r—管模半徑；n—管模旋轉速度，r/min；ω—管模旋轉角速度，rad/s；g—重力加速度，981 cm/s2；m—液態(tài)金屬的質量，kg.

4）澆鑄溫度和冷卻速度，澆鑄溫度在滿足工藝需要的條件下，盡量取中上限，冷卻循環(huán)水溫度不能太高也不能太低，一般控制在20 ℃～50 ℃范圍內[6]。

5 結論

水冷金屬型球墨鑄造鐵管鑄造缺陷影響因素較多，生產過程常出現的缺陷有夾渣、裂紋、氣孔、重皮。根據實際生產分析得出防止缺陷產生的辦法，可以有效避免缺陷品產生，降低缺陷品數量。