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鄭州好來邦水暖閥門有限公司
主營產品： 鑄鋼硬密封蝶閥D373,橡膠軟接頭JGD,不銹鋼硬密封蝶閥D343W |
公司信息
鑄鋼蝶閥的缺陷分析及解決措施
2019-10-29 閱讀(1753)
我國的國民經濟建設離不開閥門, 在工業領域及城鄉基礎建設領域,閥門這一產品更是*。閥門的品種繁雜, 常見的有閘閥、蝶閥、截止閥、球閥、止回閥等, 材質種類也很多, 常見的有鑄鐵、鑄鋼及鑄銅, 規格大小也各不相同, 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格, 都有不同之使用屬性。普通鑄鋼材質蝶閥, 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zuigao的。但鑄鋼蝶閥如在鑄造工程中控制不當, 會帶來很大之經濟損失。
本文結合鑄鋼蝶閥的實際生產、相關技術資料及筆者多年來從事鑄造生產的一些寶貴經驗, 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在法蘭熱節處 (內縮孔) 冒口頸部, 以及軸孔內部;閥瓣之常見縮孔位于鋸齒形密封槽內冒口頸部, 軸銷孔內部, 以及背部筋板之熱節處 (外部形成縮凹)。縮孔照片實例見圖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、皮下裂紋和內裂紋。閥體常見之裂紋發生在法蘭背部R角處, 軸孔外部和本體相接之R角處, 以及軸銷孔內部;閥瓣之裂紋主要出現在軸孔內部及背部加強筋相交之熱節處。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, 所以其液態收縮和凝固收縮*靠澆注系統和冒口的外部補縮, 所以一旦澆注系統和冒口安排不合理, 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凝固原理角度出發改進鑄造工藝
長期以來鑄鋼澆注系統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, 保證冒口后凝固, 按照這種工藝設計基本能夠生產出合格鑄件, 但實際生產中還是會存在一些問題。
1) 閥體傳統工藝
一般為平做造型工藝 (法蘭面一個在底部、一個在頂部) , 法蘭的熱節在法蘭和筒體相交處, 而冒口必須放在法蘭熱節處, 澆注系統采用底澆形式, 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處易出現縮孔, 且上法蘭冒口根部有時還會出現縮孔。另軸孔部位的熱節處在澆注位置中部離冒口太遠, 無法得到冒口補縮, 易出現縮孔。
2) 閥瓣的傳統工藝
壁厚差異大, 熱節處比較多,大熱節為軸銷孔部位, 但就是在熱節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) 動態順序凝固
動態順序凝固時[2]指冒口不放在鑄件的幾何熱節處, 而是放在鑄件的幾何熱節的次熱帶處, 利用冒口與鑄件次熱節行程的接觸熱節大于鑄件幾何熱節, 并晚于鑄件幾何熱節凝固的特性, 實現鑄件遠離冒口的部分和幾何熱節先凝固, 次熱節和冒口后凝固的凝固順序。動態順序凝固和傳統之順序凝固不同之處在于冒口的接觸熱節和鑄件的幾何熱節相分離, 當然為了減少冒口之尺寸在鑄件之幾何熱節處遠離冒口端放置冷鐵。可有效地減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、根據動態順序凝固原理特點設計澆冒口系統, 并和《華鑄CAE/interCAST集成系統》[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, 藍色的表示溫度低、紅色表示溫度gao。
(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 。
該鑄件重量1540kg、材質為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, 冒口頸位置位于大熱節(軸銷) 處的邊緣靠底部, 沒有放在熱節之正中央, 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, 但熱節處和溫度還是比較高, 其中有一個冒口頂部出現縮凹;圖4 (D) ;澆注后4517.6(4987.29s-469.69s) , 除了熱節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順序凝固的原則設計, 即澆冒口放在法蘭邊緣遠離熱節處, 但在冒口底和熱節處適當設置了補貼, 橫澆道采用階梯式上、下均采用多道內澆口把鋼水澆入型腔內, 這樣既可防止鋼水的集中沖刷型芯, 同時在下法蘭熱節處放置一圈冷鐵, 軸型芯內也放置冷鐵, 建立一個自下而上適合于動態順序凝固之溫度梯度, 保證縮孔不在鑄件內產生, 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出合格產品, 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收縮量太大, 終導致冒口液體積不足, 鑄件出現縮孔, 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) 在熱節處放置點設置冷鐵激冷, 來減少熱節園的幾何直徑;冒口可采用保溫冒口、發熱冒口、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生內應力。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, 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高易產生熱裂, P高易產生冷裂, 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造型工藝調整
1) 適當降低澆冒口所產生的溫度梯度, 減少熱應力, 具體方法是內澆口避開熱節處;冒口不要放在熱節之正中央, 應放在熱節邊緣位置;無法用冒口補縮 (距離較遠) 的熱節處應放置冷鐵, 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的及時上浮排除。
3) 設計時相交處的壁厚差異不要太大, 轉角避免直角, 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,鑄件的內應力大, 可能會引起鑄件變形和裂紋,
1-大多數壁厚<35mm和局部較厚的鑄件;
2-大多數壁厚36～80mm和局部較厚的鑄件;
3-大多數壁厚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, 只有這樣才能用經濟、合理的措施來解決復雜之問題。
