球墨鑄管插口尺寸超標(biāo)原因分析及控制方法探討

孫西森

徐州金色雅筑，中國(guó)·浙江 徐州 221000

1 引言

球墨鑄鐵因其石墨呈球狀而得名，簡(jiǎn)稱球鐵。石墨在鑄鐵中呈球狀，減小了尖端應(yīng)力集中效應(yīng)，從而提高了鑄鐵的強(qiáng)度，其綜合性能接近于鋼，用于鑄造一些受力復(fù)雜、強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件，所以球鐵已在機(jī)床、交通、石油、農(nóng)機(jī)、冶金等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

論文目的是結(jié)合生產(chǎn)球墨鑄管的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 探討生產(chǎn)工藝對(duì)球墨鑄鐵管插口尺寸的影響, 提出生產(chǎn)工藝過(guò)程中的工藝控制要點(diǎn)及相應(yīng)的調(diào)整措施，以期能對(duì)提高離心鑄造球鐵管的質(zhì)量，減少生產(chǎn)能源消耗有所裨益。

2 插口尺寸問(wèn)題

目前，球墨鑄管生產(chǎn)常有插口尺寸不合格現(xiàn)象，插口尺寸的控制不穩(wěn)定，忽小忽大，造成大量的二退管，甚至產(chǎn)生大量插口尺寸超大廢品，不但增加了生產(chǎn)成本，而且造成了大量的人力、物力浪費(fèi)。

2.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

以下是某公司執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：

（1）插口大：插口尺寸（插口線）超出標(biāo)準(zhǔn)要求，將直接導(dǎo)致管子承插口安裝不上，一旦在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)直接判廢。

（2）插口?。翰蹇诔叽纾ú蹇诰€）小于標(biāo)準(zhǔn)要求，將直接導(dǎo)致管子安裝密封不嚴(yán)，生產(chǎn)中如有出現(xiàn)，按照要求進(jìn)行二次退火，符合標(biāo)準(zhǔn)要求予以通過(guò)。

上述兩種情況在實(shí)際生產(chǎn)中時(shí)常出現(xiàn)批量不合格品，甚至出現(xiàn)同班次同管模生產(chǎn)中，前期生產(chǎn)插口尺寸大，后期生產(chǎn)插口尺寸小的現(xiàn)象，這類(lèi)批量不合格品一直困擾著鑄管生產(chǎn)，造成大量二次退火和插口大廢品。

2.2 工藝流程調(diào)查

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，利用QA 矩陣流程調(diào)查工具，將影響插口尺寸的工藝環(huán)節(jié)列出，詳見(jiàn)表1。

表1 影響球墨鑄管插口尺寸的因素

通過(guò)工藝流程發(fā)現(xiàn)，從熔化到退火出爐，幾乎每個(gè)環(huán)節(jié)均影響到鑄管的插口尺寸，分析后，發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)影響因素較多的問(wèn)題，首先抓出重點(diǎn)影響因素，先利用現(xiàn)有材料成型理論分析鑄管插口尺寸變化的原因。

3 離心鑄造工藝的特點(diǎn)

目前，世界上離心鑄管生產(chǎn)的主流是臥式水冷離心鑄管，工藝特點(diǎn)是扇形包中的鐵水經(jīng)過(guò)流槽澆注到管模中迅速凝固，溫度從1360 度左右迅速降低到800 度左右，凝固成型的鑄管隨后被拔管鉗拔出，由運(yùn)管系統(tǒng)運(yùn)送到退火爐，這里很多公司采用運(yùn)管小車(chē)加固定管架的模式，在這個(gè)過(guò)程中鑄管溫度進(jìn)一步降低，從鐵水澆注到鑄管成型拔出，僅需數(shù)分鐘（小口徑鑄管甚至不到1 分鐘），由于鑄造過(guò)程中降溫迅速，因此水冷工藝生產(chǎn)的鑄管在未退火前基體組織以滲碳體和石墨為主。

3.1 退火對(duì)球墨鑄鐵管尺寸的影響

由上節(jié)分析，生產(chǎn)出的球墨鑄管基體組織以滲碳體和石墨為主，但滲碳體脆性很大，強(qiáng)度和塑性很差，無(wú)法滿足使用需求，因此鑄管需要經(jīng)過(guò)高溫退火，使?jié)B碳體分解，基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨，才能滿足使用要求。

在高溫退火過(guò)程中，滲碳體分解為鐵素體和石墨，石墨充分析出，使基體中的石墨球進(jìn)一步長(zhǎng)大，鑄管尺寸在這一過(guò)程中也隨之發(fā)生變化，由圖1分析可以看出，球墨鑄管尺寸的變化來(lái)源于基體組織的變化，即在退火過(guò)程中滲碳體的分解與石墨球的長(zhǎng)大。

圖1 某鑄管公司水冷鑄管工藝退火溫度曲線（℃）

如果退火爐鏈速過(guò)快，滲碳體沒(méi)有充分分解，石墨球沒(méi)有成分長(zhǎng)大，鑄件體積膨脹偏小，那么鑄管的尺寸也會(huì)偏小。

3.2 隨流孕育對(duì)球墨鑄鐵管尺寸的影響

鐵水經(jīng)球化處理后，易出現(xiàn)白口，難以產(chǎn)生石墨核心，因此在鑄造時(shí)，必須進(jìn)行隨流孕育。孕育處理可以促進(jìn)石墨化，改善球化效果，使石墨球變小，數(shù)量增多且分布均勻，球徑更圓整，顯著地改善了球鐵的性能。因此孕育處理是提高球墨鑄鐵質(zhì)量的重要手段，一般要求孕育劑加入量為鑄件重量的0.8～1.5‰。

孕育處理與溫度的關(guān)系：鐵水溫度越高，孕育效果越差，當(dāng)孕育處理溫度從1499°降到1204°時(shí)，石墨球從10 個(gè)/mm2迅速增加到120 個(gè)/mm2[1]。

隨流孕育對(duì)鑄管尺寸的影響，從理論上分析，澆注溫度過(guò)高，溶解了孕育劑，是異質(zhì)核心減少，不利于石墨球形核，從而減少了石墨球的個(gè)數(shù)，而石墨球個(gè)數(shù)將影響在后續(xù)退火中球墨鑄鐵管的膨脹情況，如果石墨球數(shù)量多且小，那么在析出同等石墨量的情況下，整體石墨球的長(zhǎng)大量會(huì)變小，鑄件的膨脹量也會(huì)變小。由此澆注溫度、隨流孕育劑加入量綜合作用將對(duì)鑄管插口尺寸產(chǎn)生影響。

具體影響是如果鑄管石墨球數(shù)量多且小，那么經(jīng)過(guò)退火后，鑄管膨化量較??；如果鑄管石墨球數(shù)量少且大，那么經(jīng)過(guò)退火后，鑄管膨化量則較大。

3.3 冷卻速度對(duì)球墨鑄鐵管尺寸的影響

臥式水冷離心鑄管，生產(chǎn)效率高，從澆注到成形僅需要數(shù)分鐘時(shí)間，DN100 的管道生產(chǎn)從澆注到成形更是不到1 分鐘時(shí)間，如此快的冷卻速度，鑄件過(guò)冷度很大，形核增多，增加石墨球數(shù)量，由此離心主機(jī)的冷卻速度關(guān)乎鑄管尺寸的變化。

離心主機(jī)的循環(huán)水的進(jìn)水溫度與水質(zhì)的硬度，均會(huì)對(duì)冷卻速度造成影響，在離心鑄造時(shí)，鐵水的降溫凝固主要通過(guò)管模散熱，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)管模的內(nèi)表面溫度接近300℃，出水溫度高的時(shí)候會(huì)達(dá)到70℃，接近管模外表面的水溫度會(huì)更高，這時(shí)如果離心機(jī)循環(huán)水的水質(zhì)偏硬，則在管模的表面極易形成水垢，影響鑄管的冷卻,從而影響過(guò)冷度，改變鐵水凝固時(shí)的形核情況。

由上述分析，在鑄管生產(chǎn)時(shí)，要定期檢測(cè)水質(zhì)硬度，如果使用硬度偏高的地下水，要添加軟水劑降低水質(zhì)硬度，改善冷卻效果，進(jìn)而改善鑄管質(zhì)量，提高制造效率。

3.4 硅含量高低對(duì)球墨鑄鐵管尺寸的影響

碳和硅元素直接影響石墨的析出量，石墨析出量則對(duì)球墨鑄鐵凝固過(guò)程中的體積變化產(chǎn)生重要影響。因石墨密度不到鑄鐵的1/3，一樣重量的石墨所占體積比鐵液大得多。

球墨鑄鐵凝固過(guò)程中體積收縮一直存在，并且全過(guò)程最后的凈變化是收縮。日本學(xué)者張博[1]試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，澆注溫度相同時(shí)，碳當(dāng)量值增大時(shí)收縮量會(huì)減小。橘忠堂也得到類(lèi)似結(jié)果?？偨Y(jié)可知，球鐵凝固時(shí)的體積變化與CE 值有關(guān)，見(jiàn)表2。

表2 某鑄管公司水冷鑄管工藝化學(xué)成分（%）

而在離心工藝生產(chǎn)球墨鑄管中，通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳含量維持穩(wěn)定，硅含量增加時(shí)反而退火后鑄管尺寸膨脹量變小，也就是收縮量變大，看似這與上面兩位學(xué)者得出的，澆注溫度相同時(shí)，碳當(dāng)量值增大時(shí)收縮量會(huì)減小相違背。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)殡x心鑄造的特殊工藝導(dǎo)致的，在離心鑄造中巨大的離心力使鑄件不會(huì)產(chǎn)生縮松縮孔，甚至晶粒都被拉成了狹長(zhǎng)型（未退火前），雖然CE 值增大了，但巨大的離心力導(dǎo)致的鑄件膨脹被大大的削弱了，而硅對(duì)石墨化的促進(jìn)卻沒(méi)有改變，尤其是對(duì)鑄件早期石墨化的影響，硅量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致石墨析出較早，使石墨球數(shù)增加，而石墨球數(shù)量的多寡、大小均會(huì)影響球墨鑄管的尺寸，影響的原因與隨流孕育劑對(duì)石墨球產(chǎn)生的影響是一樣的。

4 大小球模型

在經(jīng)過(guò)上述4 個(gè)環(huán)節(jié)的分析，可以簡(jiǎn)單的建立一個(gè)理論分析模型，即大小球模型，通過(guò)這個(gè)模型可以很好地解釋上述4 個(gè)環(huán)節(jié)鑄管尺寸的變化情況。

在鑄管退火過(guò)程中，滲碳體分解，析出的石墨會(huì)運(yùn)動(dòng)到附近的石墨球上，使石墨球進(jìn)一步長(zhǎng)大，如果石墨球數(shù)量多且小，那么在析出同等石墨量的情況下，石墨球數(shù)量多且小的鑄管膨脹量小，而石墨球數(shù)量少且大的鑄管膨脹量大。這就像在同等的容積中堆放球體一樣，這些球體就是分布在鑄件中的石墨球，數(shù)量少且大的球，在充分的石墨化過(guò)程中，瘋狂長(zhǎng)大，導(dǎo)致鑄管尺寸隨之變大；而數(shù)量多且小的球，在充分的石墨化過(guò)程中，雖然也在瘋狂長(zhǎng)大，但是由于數(shù)量眾多，均攤到每個(gè)球中，增大量就會(huì)變得很小，詳見(jiàn)圖2。

圖2 大小球模型圖

結(jié)合大小球模型，我們就可以預(yù)測(cè)如果在臥式水冷離心鑄管生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鑄管插口尺寸超標(biāo)，那么我們就可以通過(guò)改變石墨球的多寡與大?。ㄇ蚧剩﹣?lái)改變鑄管插口尺寸，具體方法如下。

4.1 退火

如果插口尺寸偏大，則提高，這樣鑄管內(nèi)滲碳體不會(huì)充分分解，析出石墨量減小，石墨球不會(huì)充分長(zhǎng)大，鑄管膨脹量減小，但這一做法可能會(huì)導(dǎo)致滲碳體超標(biāo)，金相不合格，力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，不建議使用。插口尺寸偏小，則適當(dāng)降低退火爐鏈速。

4.2 孕育劑

如果插口尺寸偏大，在澆注過(guò)程中增大孕育劑使用量，適當(dāng)降低澆注溫度，使鐵水中異質(zhì)核心增多，在鑄管凝固的過(guò)程中形成了大量石墨球，依據(jù)大小球模型，在退火過(guò)程中勢(shì)必會(huì)有較小的膨脹量，從而實(shí)現(xiàn)減小插口尺寸的目標(biāo)。反之，則減小孕育劑使用量，適當(dāng)增大澆注溫度。

4.3 硅含量

在實(shí)際生產(chǎn)中，在管模使用的后期，管模尺寸偏標(biāo)準(zhǔn)的上限，在生產(chǎn)時(shí)如果不加以控制，鑄管極易因尺寸超大判廢，由此在使用后期管模生產(chǎn)時(shí)，會(huì)適當(dāng)提高硅含量，硅含量控制在推薦最大值附近，以減小鑄管的后期膨脹，這一舉措在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果，尺寸超大現(xiàn)象幾乎杜絕，極大節(jié)約了生產(chǎn)能耗，降低生產(chǎn)成本，這與我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是一致的，這一現(xiàn)象也吻合實(shí)際生產(chǎn)的測(cè)量。

5 大小球模型的應(yīng)用

通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大小球模型可以很好地解釋鑄管生產(chǎn)中鑄管尺寸的變化情況。表3是某鑄管公司在鑄管生產(chǎn)中插口尺寸控制方法。

表3 某鑄管公司插口尺寸控制方法

在大小球模型的指導(dǎo)下，進(jìn)一步結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)值。

（1）鑄管經(jīng)過(guò)退火后，隨流孕育劑每增大或減小0.7‰，大約影響插口尺寸5～6mm 左右。

（2）鐵水Si 含量每升高0.1%，大約影響插口尺寸5～8mm 左右（澆流槽時(shí)除外）；插口壁厚越厚，經(jīng)退火爐膨脹越大，結(jié)合厚壁管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如壁厚等級(jí)K10 和K12，在生產(chǎn)時(shí)要適當(dāng)提高硅含量。

6 結(jié)語(yǔ)

論文分析了各工藝環(huán)節(jié)對(duì)鑄管插口尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)多種因素均會(huì)影響插口尺寸，由此工藝的穩(wěn)定性很重要，生產(chǎn)控制中不要出現(xiàn)多種不穩(wěn)定的工藝變量，一旦出現(xiàn)3 種以上，插口尺寸將無(wú)法得到有效控制。

（1）在鑄管生產(chǎn)中，如果發(fā)現(xiàn)插口尺寸偏大，則增大隨流孕育劑用量，反之，則減小隨流孕育劑用量，隨流孕育劑每增大或減小0.7‰，在退火后大約影響鑄管插口尺寸5～6mm 左右。

（2）管模使用后期，插口偏上限，可適當(dāng)提高硅含量，以減小鑄管的后期膨，使插口尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵水硅含量每升高或降低0.1%，大約影響插口尺寸5～8mm 左右（澆流槽時(shí)除外）