離心鑄鋼管表面缺陷控制分析與實(shí)踐

劉煥龍

（新興鑄管股份有限公司）

0 前言

離心鑄鋼管技術(shù)是指將鋼水注入高速旋轉(zhuǎn)的管模之中，由于鋼水在離心力作用下凝固，不僅管體組織致密，而且可使渣、雜質(zhì)從鋼水中浮出，使得鋼水在凝固前得到凈化，因此 ，離心鑄鋼管與相同成分的鍛鋼管相比，雖常溫性能稍差 ，但其高溫持久強(qiáng)度和抗氧化性卻要高許多，并能適應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備對離心鑄鋼管多品種多規(guī)格的要求[1]。目前，國內(nèi)外在機(jī)械、建材、 電力和石化等行業(yè)的許多大型成套設(shè)備和裝置的關(guān)鍵部位 ,均采用了大量離心鑄鋼或合金鋼鑄管。在離心鑄鋼管生產(chǎn)過程中，為了保護(hù)金屬管模免受高溫鋼水的熱沖擊和熱侵蝕，防止鑄鋼管粘附在管模上，通常必須在金屬管模內(nèi)噴涂料。這不僅能延長管模的壽命、控制鑄鋼管的冷卻速度，而且能直接影響鑄管的表面質(zhì)量[2]。鑄鋼管表面的氣孔、氣坑等缺陷直接對鑄鋼管的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，甚至?xí)斐僧a(chǎn)品報(bào)廢。筆者就離心鑄鋼管表面的氣孔、氣坑缺陷進(jìn)行了分析調(diào)查，并有針對性地采取工藝應(yīng)對措施，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，有效改善了鑄鋼管的表面質(zhì)量。

1 缺陷成因分析

采用離心鑄造技術(shù)生產(chǎn)出來的鑄鋼管一般稱之為離心鑄造毛坯，離心鑄鋼管毛坯一般是不能直接使用的，大部分鑄鋼管需要經(jīng)過熱處理、機(jī)加工等工序后才能作為成品使用。離心鑄鋼管經(jīng)加工后的表面不得有目視可見的結(jié)疤、氣孔、針孔、折疊、重皮、夾渣和深度超過 0.5 mm 的裂紋[3]。某鑄鋼管廠生產(chǎn)的離心鑄鋼管在進(jìn)行表面加工后，發(fā)現(xiàn)鑄鋼管表面的缺陷根本無法消除，不能達(dá)到使用要求，甚至報(bào)廢，故解決鑄鋼管該類表面質(zhì)量問題非常必要。某鑄鋼管廠生產(chǎn)的的離心鑄管表面質(zhì)量缺陷如圖1、圖2 所示。

圖1 表面針狀氣孔

從圖1 和圖2 可以看出，鑄鋼管表面有肉眼可見的表面針狀氣孔和表面凹坑缺陷，均有一定深度，同時(shí)氣坑內(nèi)未見異物壓入現(xiàn)象，分布面積較大，無明顯規(guī)律性，由此可初步判定鑄鋼管表面的質(zhì)量缺陷為氣孔和氣坑缺陷。對有該缺陷的鑄鋼管表面經(jīng)車床進(jìn)行表面加工之后，外表面仍可見到數(shù)量眾多的氣孔（因氣孔形狀細(xì)小如針扎狀，也被稱之為針孔），而且氣孔分布不均勻，分布面積較大；另外，在鑄鋼管外表面還發(fā)現(xiàn)有單獨(dú)存在的氣坑缺陷，即使外表面加工深度達(dá)到3 mm，個(gè)別氣坑的面積仍較大，而且深度較深，個(gè)別氣坑深度達(dá)到3 mm 以上，寬度超過10 mm，所以加工后的鑄鋼管根本無法達(dá)到使用的技術(shù)要求。

圖2 表面氣坑

經(jīng)過和現(xiàn)場工作人員的核實(shí)，該鑄鋼管所使用的涂料與其他鑄造廠所使用的涂料基本沒有差別；對驗(yàn)收、存放等環(huán)節(jié)的情況進(jìn)行比照，也是按照要求來執(zhí)行的，基本上可以排除是涂料質(zhì)量本身的問題，故將解決重點(diǎn)放在管模涂層的噴涂質(zhì)量上。

原管模噴涂工藝參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 原管模噴涂工藝參數(shù)

由于在鑄鋼管生產(chǎn)過程中，需要將液態(tài)鋼水快速注入管模，液態(tài)鋼水在離心力作用下隨管模高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)鋼水由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為固態(tài)，氣孔和氣坑應(yīng)是在這個(gè)由液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)的過程中產(chǎn)生的。查閱有關(guān)資料顯示，鑄鋼管所使用的涂層在高溫下都有一定的發(fā)氣量，從涂層中產(chǎn)生的氣體在形成一定壓力后 ，有向鑄管表面?zhèn)鳚B的可能[2]，因此出現(xiàn)針孔（氣孔）的主要原因可能是金屬液和涂料中含有大量氣體，同時(shí)鑄管兩端凝固速度相對太快，氣體來不及從金屬液或涂料中排出,從而在鑄管表面形成缺陷。從鑄鋼管表面形成的缺陷可以判斷，鑄鋼管表面的氣孔、氣坑應(yīng)該主要是涂層帶來的發(fā)氣量向鑄鋼管表面?zhèn)鳚B導(dǎo)致的。該鑄鋼管在澆鑄成型后，表面的涂層出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象（如圖3 所示），也從一方面驗(yàn)證了涂層工藝設(shè)定控制存在問題。正常情況下，鑄鋼管澆鑄完畢后，表面應(yīng)該是緊密附著有一層涂層（如圖4 所示），而不是完全脫落。由此確定，在鑄鋼管澆鑄前最大限度的減少涂料本身及噴涂過程所帶來的氣體含量，應(yīng)是解決該類缺陷的關(guān)鍵。

圖3 鑄鋼管表面涂層剝落

圖4 鑄鋼管表面涂層附著

2 工藝方案及實(shí)施

2.1 工藝方案

通過以上分析，涂層噴涂工藝的優(yōu)化措施重點(diǎn)在減少涂料所帶來的發(fā)氣量，提高涂料噴涂質(zhì)量，由此來解決表面的氣孔和氣坑問題。因此，從噴涂工藝的各個(gè)方面制定了針對性工藝控制措施。

（1）適當(dāng)提高涂料噴涂時(shí)的管模溫度，有利于涂層快速干燥和游離水分的排出。

（2）適當(dāng)降低涂層厚度，相當(dāng)于減少了單位面積涂料的用量，從總量上控制氣體的含量。

（3）適當(dāng)增加烘烤時(shí)間，其目的同樣是為了使涂料本身攜帶的水分有充足時(shí)間排出，進(jìn)而減少鑄鋼管澆鑄過程中氣體排出對鑄鋼管表面質(zhì)量的影響。最終確認(rèn)的管模噴涂工藝參數(shù)見表2。

表2 改進(jìn)后的涂層噴涂工藝參數(shù)

2.2 實(shí)施過程

工藝參數(shù)確定后，在某鑄鋼管廠進(jìn)行了試生產(chǎn)試驗(yàn)，按照改進(jìn)后的噴涂工藝在DN600 的管模上進(jìn)行了噴涂作業(yè)。

（1）離心機(jī)調(diào)試完畢后，將DN600 管模裝入離心機(jī)，離心機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，在離心機(jī)推桿上安裝鋼絲刷，對管模內(nèi)壁進(jìn)行清理，要求內(nèi)壁清理光滑，無雜物。

（2）管模內(nèi)壁清理完畢后，使用離心機(jī)配套的烘烤裝置對管模進(jìn)行烘烤，管模烘烤時(shí)，離心機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)。

（3）對管模溫度進(jìn)行測量，注意測量管模溫度時(shí)要保證管模整體均達(dá)到200 ～210 ℃，不符合溫度的部位要根據(jù)溫度高低，調(diào)整烘烤裝置火焰，使管模溫度整體達(dá)到溫度要求。

（4）管模整體溫度達(dá)到200 ～210 ℃后，開始噴涂作業(yè)。噴涂前，將管模轉(zhuǎn)速調(diào)整到300 轉(zhuǎn)/分。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后開始涂層噴涂作業(yè)，注意噴涂推桿保持勻速運(yùn)動(dòng)。

（5）涂層噴涂完成后，離心機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，管模停穩(wěn)后對涂層噴涂質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查項(xiàng)目主要包括涂層表面質(zhì)量、涂層厚度、涂層附著情況、涂層厚度均勻性等。

（6）涂層檢查完畢，噴涂質(zhì)量合格后，管模繼續(xù)在離心機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟烘烤裝置繼續(xù)烘烤，保持時(shí)間20 min。注意在烘烤過程中每間隔5 min 左右對管模進(jìn)行一次測溫，管模整體溫度保持在210 ℃左右。

（7）烘烤時(shí)間達(dá)到20 min 后即可開始下一步的離心鑄造作業(yè)。

按照改進(jìn)后的噴涂工藝完成涂層噴涂后，對涂層表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括：目測可見涂層表面光滑，有較均勻的氣孔；對管模頭部、尾部、中間部分取點(diǎn)測量，厚度分別為1.40 mm、1.40 mm、1.35 mm，涂層的厚度和均勻性都比較好；涂層牢牢附著在管模內(nèi)表面（如圖5 所示）。涂層表面質(zhì)量與之前噴涂工藝涂層質(zhì)量（如圖6 所示）相比，涂層附著均勻，涂層表面氣孔均勻分布（涂層表面氣孔是涂層噴涂過程中氣體排出的痕跡），由此可見，噴涂工藝改進(jìn)后的涂層效果較之前有了顯著提高。

3 效果

采用改進(jìn)后的噴涂工藝噴涂涂層完成后，在某鑄鋼管廠使用DN600 規(guī)格管模進(jìn)行了離心鑄鋼管的澆鑄作業(yè)，澆鑄采用的鋼種為35CrMo。對澆鑄的離心鑄鋼管后續(xù)加工情況進(jìn)行了跟蹤，該鑄鋼管使用車床粗加工3 mm 深度后氣孔、氣坑等表面缺陷基本全部消失（如圖7 所示），精加工后（加工量為3.5 mm）的成品表面光滑，完全達(dá)到了預(yù)期效果（如圖8 所示）。

圖8 精加工后表面

4 結(jié)論

（1）涂層噴涂質(zhì)量好壞對鑄鋼管表面質(zhì)量有直接影響，在鑄鋼管澆鑄前最大限度的減少涂料本身及噴涂過程所帶來的氣體含量，是解決鑄管表面針孔及氣坑缺陷的關(guān)鍵。

（2）通過對管模溫度、涂層厚度、烘烤時(shí)間等涂層噴涂工藝的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了明顯的改善效果。

（3）生產(chǎn)實(shí)踐證明，在管模溫度控制在200 ～210 ℃，涂層厚度控制在1.2 ～1.6 mm，涂層噴涂完畢后烘烤時(shí)間不低于20 min 時(shí)，可以達(dá)到理想的涂層質(zhì)量，經(jīng)車床加工后鑄鋼管表面質(zhì)量光滑無氣孔，可達(dá)到產(chǎn)品的使用要求。。