球墨鑄鐵管壁厚均勻性工藝設備技術研究

林雪川，梅燕娜，要曉瑞

（廣東新興鑄管有限公司，廣東陽春 529600）

離心球墨鑄鐵管又稱球墨鑄鐵管，防腐性能強、延展性能好、力學性能高、密封效果好、安裝簡易，主要用于市政、工礦企業(yè)給排水等，具有很高的性價比，是供水管材的首選。2022 年，住建部、發(fā)改委發(fā)布《全國城市市政基礎設施規(guī)劃建設“十四五”規(guī)劃》，預計新建改造供水管網(wǎng)10.4 萬公里，預計新建改造污水管網(wǎng)8 萬公里[1]。同時，各省市也積極響應“十四五”規(guī)劃中提出的城市管網(wǎng)建設及改造的相關目標而出臺了一系列利好政策，離心球墨鑄管行業(yè)市場發(fā)展向好，發(fā)展空間較大。2021 年，新興鑄管球墨鑄鐵管產量已達到近300萬噸。為了打造鑄管行業(yè)龍頭，進一步提高公司以及產品競爭力，從多方面入手，包括生產、質量、銷售等。球墨鑄鐵管壁厚的均勻性是質量提升方面重要的一環(huán)。

1 壁厚不均勻

鑄管壁厚不均容易造成多方面問題：壁厚過厚、鐵液浪費及鑄管內徑偏小，成本升高；壁厚過薄，容易造成局部不滿足使用要求，可能在使用過程中出現(xiàn)爆管；還可能出現(xiàn)鑄管彎曲或呈現(xiàn)橢圓的情況[2]。

壁厚不均勻一般包括軸向壁厚不均勻和徑向壁厚不均勻兩個方面。

1.1 軸向壁厚不均勻

在鑄管長度方向的縱向斷面上壁厚不均勻，嚴重時成喇叭口狀或者承插口部位壁厚過厚或過薄，并產生澆不足、缺肉的現(xiàn)象，一般發(fā)生在DN1000 規(guī)格以下的水冷金屬型鑄管生產過程中。

1.1.1 扇形包鐵液澆注速度的影響

離心球墨鑄鐵管是采用等角速度、等流量的扇形包澆注而成。當扇形包的尺寸合適時，其在單位時間內供應鐵液量是相同的，如果扇形包的內襯在使用過程中發(fā)生侵蝕，包內會出現(xiàn)結渣的情況，如圖1 所示；或者修包過程中，包的幾何尺寸發(fā)生改變，不規(guī)則，都會造成鐵液在澆注過程中流量不均勻。

圖1 扇形包結渣

由于水冷金屬型的冷卻速度比較快，鐵液流入管模后很快就會凝固，鐵液自動調整壁厚的作用就會減弱，無法起到補縮的作用，從而容易形成軸向壁厚不均勻。而熱模法澆注時，管模冷卻慢，鐵液可長時間保持液態(tài)，在較大范圍內流動，調整壁厚，從而不會造成軸向壁厚不均勻。

1.1.2 工藝參數(shù)的影響

澆注槽與管模之間的相對軸向移動速度與扇形包的翻轉速度配合不當，插口的減速控制參數(shù)設置不當，流槽出口端在承口、插口停留位置和時間不當?shù)葐栴}，都會造成鐵液在這些部位的分配量不合適，造成軸向壁厚不均勻。

（1）離心澆注承口型腔的過程中，主機必須要停留一段時間，如果該時間過長，承口鐵液充滿后，會向插口方向流動，導致承口段與直管段部分鐵液過多，壁厚增大；反之停留時間過短，可能承口無法充滿，導致承口部分壁厚過薄。在離心澆注結束時，為了保證插口充分澆注成型，主機需慢行一段距離且停留一段時間，同時與翻包回落時間相匹配。如果翻包回落時間和主機停留時間過長的話，插口部分壁厚增大，反之變薄。

（2）離心機轉速的影響。當離心機轉速較低時，鐵液受到的離心力相對較小，導致鐵液軸向流平的趨勢下降，減少了鐵液軸向流平供鐵系統(tǒng)的補充作用，造成壁厚不均勻。

（3）澆注溫度的影響。澆注溫度過高時，會使承口部位的壁厚增大；澆注溫度過低時，會使插口部位的壁厚增大。

1.1.3 設備的影響

（1）設備的運行精度和可靠性達不到要求，會造成在澆注過程中主機走速、扇形包翻轉速度發(fā)生變化，使得鐵液在澆注過程中的供應量不均勻。

（2）管模和離心機振動的影響。振動越大，壁厚的不均勻程度越大。

（3）澆注流槽的影響。如果澆注流槽高低不平、不平滑，鐵液在流動過程中的阻力增大，或者出現(xiàn)紊流情況，會造成鐵液流量出現(xiàn)短瞬的不均勻性。

1.2 徑向壁厚不均勻

鑄管徑向斷面的不同方向壁厚不一，或者一側偏厚，一側偏薄。

主要原因包括：管模安裝調整不當、管模彎曲或壁厚不均勻，造成管模本身軸線與離心機的旋轉軸線發(fā)生偏離導致。在變化的半徑上，不同的點具有不同的線速度，導致不同切向加速度。在半徑最小處，離心力、線速度和切向加速度是最小的，金屬鐵液的聚集使壁厚增大，在半徑最大處，壁厚減小。徑向壁厚差值的大小與管模軸線偏移值、彎曲程度、管模的旋轉速度以及金屬鐵液的結晶速度有關。

2 試驗及措施

關于鑄管壁厚均勻性問題，結合新興鑄管現(xiàn)場生產實際情況，具體問題具體分析，經(jīng)過多方面論證，最終從扇形包、流槽以及冷卻等方面入手進行相關試驗。

2.1 扇形包

球墨鑄鐵管生產過程中，扇形包實現(xiàn)鐵液在澆注過程中的等流量。

2.1.1 扇形包形狀

通過對生產現(xiàn)場所有扇形包的檢查發(fā)現(xiàn)，扇形包的砌修形狀不一，如圖2 所示。這樣便造成在澆注過程中，扇形包在單位時間內供應鐵液量是不相同的，流量不均勻，從而導致壁厚不均勻。

圖2 扇形包砌修不一

結合實際生產情況，對扇形包的形狀尺寸制定了統(tǒng)一的制作和維修標準，如圖3 所示。但扇形包弧度（圓弧曲率）無法進行人工測量，根據(jù)不同規(guī)格不同扇形包的弧度，制作了專用工具弧度卡板，用來檢測扇形包弧度是否合格，如圖4 所示。

圖3 DN350-600 扇形包制作和修包標準

圖4 弧度卡板

為了進一步驗證扇形包弧度對于壁厚均勻性的影響，選取同規(guī)格兩個扇形包進行對比試驗，一個扇形包按照標準制作維修，弧度合格，另一個扇形包未按照標準制作維修，弧度不合格，如圖5 所示。在澆注參數(shù)相同的情況下，各澆注50 支管，抽取負公差接近的鑄管，統(tǒng)計鑄管的壁厚極差進行對比。

圖5 試驗扇形包

抽取10 支管做壁厚極差統(tǒng)計，結果如圖6 所示，弧度合格包的鑄管壁厚極差≤1.5mm 占比70%，弧度不合格包的鑄管壁厚極差≤1.5mm 占比40%，相差30%。由此可見，扇形包弧度對壁厚均勻性影響比較大。

圖6 試樣管極差分析

2.1.2 扇形包翻包

通過對扇形包制作及修包的規(guī)范，鑄管壁厚的均勻性有了很大的提高，但實際生產中對鑄管壁厚進行抽查檢測，發(fā)現(xiàn)承插口壁厚總體偏厚，中間直管段壁厚偏薄。為了進一步提高鑄管整體壁厚的均勻性，結合現(xiàn)場生產實際情況，對扇形包的快翻包參數(shù)進行相應的調整。

承口壁厚主要受扇形包快翻延時及快翻速度兩個參數(shù)影響，插口壁厚主要受扇形包翻包返回延時影響。

以DN400 普通管為例，在澆注過程中，離心機扇形包快翻延時參數(shù)通常設定為0.8～1.4 s，快翻速度設定為600～630 r/min，翻包返回設定為4300～4400 mm，離心機通過降低這三個參數(shù)來降低承插口鐵水流量，從而達到控制壁厚的目的。當班生產順暢后，扇形包快翻延時開機使用0.8 s，快翻速度使用600 r/min，翻包返回使用4300 mm，根據(jù)現(xiàn)場生產情況，每次對快翻延時進行降低0.1 s 的調整，快翻速度降低10 r/min，翻包返回減小10 mm，每次對調整后的管身打標記，出退火爐后進行壁厚檢測。同時在當班生產過程中，如果出現(xiàn)包嘴粘渣的情況，根據(jù)粘渣的程度，逐步增加快翻延時0.1 s，快翻速度10 r/min，翻包返回延時增大10 mm，防止因鐵水流量減小造成承口部分壁厚減薄。

經(jīng)過10 個班次的參數(shù)摸索、壁厚數(shù)據(jù)的積累，最終將扇形包快翻延時穩(wěn)定在0.6～0.8 s，快翻速度為穩(wěn)定在560～580 r/min，翻包返回穩(wěn)定在4200～4300 mm，扇形包包壁粘渣即增加參數(shù)，根據(jù)粘渣情況隨時調整，扇形包新包降低相應的參數(shù)。通過對參數(shù)精細的調整，DN400 承插口壁厚降低，壁厚均勻性進一步提高，離心機DN400 的11 點壁厚極差≤1.5 mm 占比達到68.4%。較初期提高25.3%，壁厚均勻性明顯提高，壁厚均勻性檢測如圖7 所示。

圖7 壁厚均勻性

2.2 流槽

流槽的角度、光滑度等都對壁厚的均勻性有一定的影響。新興鑄管某臺水冷離心機設計主機軌道斜度為1.15°，但鐵液澆注過程中流動速度慢，對軌道斜度進行測量，斜度減小，從而導致承口沖型能力降低，在澆注過程中流槽中鐵液寬度比較寬，在扇形包回落后，流槽內鐵液澆注到管模插口鐵液量減少，致使插口1～1.5 m 處壁厚不足。

經(jīng)過討論分析，決定在離心機設備基礎上加大流槽斜度，加快鐵液流動速度，將溜槽底座整體加高30 mm，轉溜槽轉盤支撐向下調整，形成較大的溜槽坡度。首先對該臺離心機南側流槽進行改進試驗。

改善前后流槽鐵液痕跡有明顯變化，如圖8所示。改善前，流槽鐵液痕跡寬，且彎曲，經(jīng)測量寬度為50 mm，厚度為5 mm，說明鐵液流動速度較慢；改善后，流槽鐵液痕跡變窄，且比較直，經(jīng)測量寬度為30 mm，厚度為3 mm，說明鐵液流動速度加快。

圖8 改善前后流槽鐵液痕跡及其寬度厚度對比

2.3 冷卻

影響鑄管壁厚均勻性的原因很多，為了進一步加強鑄管插口的壁厚均勻性，計劃通過對插口的冷卻來實現(xiàn)。在新興鑄管兩臺水冷離心機插口端蓋上方加裝冷卻水，如圖9 所示。水源取自離心機機體的循環(huán)水，在鐵液凝固拔管之前打開循環(huán)水閥門進行冷卻，加快管道插口冷卻增加強度防止鑄管變形，經(jīng)過連續(xù)生產，達到預期效果。

圖9 離心機加裝冷卻裝置

3 結論

（1）通過制定扇形包制作和修包標準，規(guī)范了扇形包的形狀尺寸，扇形包弧度合格澆注的鑄管極差值≤1.5 mm 的比例較弧度不合格澆注的鑄管極差值≤1.5 mm 的比例提高30%。

（2）通過對扇形包快翻延時、快翻速度、翻包返回延時三個參數(shù)摸索，結合實際生產情況進行相應的調整，DN400 的11 點壁厚極差≤1.5 mm占比較初期提高了25.3%，壁厚均勻性得到明顯提高。

（3）通過在離心機設備基礎上加大流槽斜度，提高鐵液在流槽中流動速度，降低鐵液寬度，鐵液痕跡直且厚度變薄。

（4）通過在離心機插口端加裝冷卻裝置，有效控制鑄管插口壁厚，防止鑄管插口變形，達到了控制鑄管壁厚均勻性的預期目的。