锥段转鼓的立式离心铸造工艺.pdf

锥段转鼓的立式离心铸造工艺 于宏斌1，王小军2，张应龙， (1．海军青岛地区装备修理监修室，山东青岛266034；2．海装重庆军代局，重庆400042； 3．[]JII华星炉管有限公司，四川成都610300) 摘要：分析了常规立式离心铸造工艺生产锥段转鼓时，产生气孑L、夹砂、缩凹等缺陷的原因；通过增加砂 芯的方法对常规立式离心铸造用铸型进行改进。生产结果表明：铸型中增加砂芯后，有效地控制了锥段转鼓的加 工余量，工艺出品率高，且生产的锥段转鼓无气孔、夹砂、缩凹等缺陷，无焊缝，可满足在特殊应用环境下对锥 段转鼓无缝化制造的要求。 关键词：锥段转鼓；立式离心铸造；砂芯；工艺出品率；缩凹；气孔；夹砂 中图分类号：TG249．4 文献标志码：B 文章编号：1001—2311(2016)06—0035—05 Vertical Centrifugal Casting Process for Coned Drum YU Hongbin ，WANG Xiaojun ，ZHANG Yinglong (1．Qingdao Area Maintenance＆Supervision Center，PLA Navy，Qingdao 266034，China； 2．Chongqing Military Representative Bureau，PLA Navy Equipment Department，Chongqing 400042，China； 3．Siehuan Huaxing Centrifugally Alloy Tube Co．，Ltd．，Chengdu 610300，China) Abstract：Analyzed here in the paper are the causes for development of defects like porosity，sand inclusion， and sink of the coned drum as made with conventional vertical centrifugal casting process．Accordingly，the casting mould of the conventional vertical casting process is modified by means of adding the sand core．Result of the actual operation shows that thanks to addition of the sand core to the casting mould，the machining allowance of the coned drum is properly controlled，and thus the process yield is enhanced．Moreover，the coned drum itself as cast with the modified mould is free of weld seam，and defects like porosity，sand inclusion and sink．This modified vertical centrifugal casting process is capable of meeting the requirement for making seamless coned drum to be used under special service conditions． Key words：coned drum；vertical centrifugal casting；sand core；process yield；sink；porosity；sand exclusion 近年来，伴随着离心分离机行业的飞速发展， 对离心分离机用锥段转鼓的制造要求也在不断提 高。锥段转鼓开孔削弱了其强度，开孔处有应力集 中现象[卜。]，要求锥段转鼓无气孔、夹渣等缺陷。在 特殊应用环境下，要求采用无缝化制造，以预防使 用过程中发生爆裂等危险[引，提高离心分离机使用 安全性。以往锥段转鼓多采用砂型铸造或卷板焊接 成型，其缺陷多且质量难以保证。因此，四川华星 炉管有限公司(简称华星炉管)将锥段转鼓的制造改 于宏斌(1979一)，男，工程师，从事舰艇的检测与维 护工作。 STEEL PIPE Dec．2016，Vo1．45，No．6 为立式离心铸造；同时，由于锥段转鼓两端直径相 差大、高度高，在该立式离心铸造工艺中，采用增 加砂芯的方式，控制了锥形内孔加工余量，避免了 厚壁处产生缩凹等缺陷，提高了工艺出品率，且生 产的锥段转鼓质量优异、无缺陷。 1锥段转鼓的特性分析 1．1主要尺寸参数 以国外某离心分离机用大直径不锈钢锥段转鼓 为例，其铸件主要尺寸如图1所示(已包含加工余 量)。该锥段转鼓铸件大部分内外圆均呈圆锥状， 且直径相差大、高度高，不适合做成直段再进行机 钢管2016年12月第45卷第6期 36 - 群簟 岂高装备 图1锥段转鼓铸件主要尺寸示意 械加工成锥段转鼓，故该锥段转鼓的铸件毛坯应采 用立式离心铸造方式生产。 1．2化学成分和力学性能要求 该锥段转鼓的材料采用美国ASTM A 890／A 890M一1999《一般用途的铁一铬一镍一钼一耐腐蚀双相 (奥氏体／铁素体)钢铸件》中UNS J93371双相不锈 钢，经固溶处理，要求组织中铁素体质量分数为 40％ 60％，不允许含有 相。UNS J93371锥段转 鼓的化学成分和力学性能要求见表l 2。 1．3常规立式离心铸造工艺 锥段转鼓采用常规立式离心铸造，一般情况下 都是采用大直径端在下、小直径端在上的方式进 表1 UNS J93371锥段转鼓的化学成分(质量分数)要求 ％ 表2 UNS J93371锥段转鼓的力学性能要求 行，将化学成分及杂质含量等符合标准要求的钢水 浇人具有一定转速、绕垂直轴旋转的铸型中，在离 心力的作用下充填铸型型腔，经自然冷却或水冷却 至一定温度(700 800℃)凝固成型。 锥段转鼓毛坯采用常规立式离心铸造工艺生 产，与砂型铸造、卷板焊接成型工艺相比，熔融金 属液在离心力的作用下充型、凝固成型，离心力能 显著增加金属液凝固时的补缩压力，提高对铸型的 填充效果，可获得常规(如砂型铸造)重力场下无法 获得的致密组织和力学性能。在离心力场下，金属 液中的气泡半径随旋转角速度和半径的增加而变 小，减小了气泡体积，金属液在向型腔充填的同时 将型腔内的气体挤出来，从而降低或消除气孔缺陷 的产生_4_ 。同时，立式离心铸造的锥段转鼓，其 纵、横向性能均匀，无焊缝及冷作硬化应力，铸件 整体强度较高 。在离心力及铸型激冷的作用下， 锥段转鼓可获得从外表面至内孔的定向凝固组织， 且由于枝晶的细化和枝晶间疏松得到最大限度的填 充，其强度和塑性得到提高，呈现出各项同性_7_8 3， 有利于延长产品的使用寿命。 但是，采用常规立式离心铸造工艺生产的锥段 STEEL PIPE Dec．2016，Vo1．45，No．6 转鼓铸件，在凝固过程中，由于离心力和重力共同 作用，合金液自由表面形成一抛物面并在铸件上保 留下来，垂直剖面则为抛物线。此外，最大壁厚处 较厚，在金属铸型、底板及挡板的三面激冷的作用 下，易导致铸件的内表面产生缩凹缺陷_9_m]。常规 立式离心铸造铸件缩凹如图2所示。若缩凹过于严 重，将导致铸件直接报废。此外，锥段转鼓铸件壁 厚的增加，导致壁厚处易形成双向凝固，容易产生 裂纹等缺陷，严重时同样会使锥段转鼓铸件报废。 1一铸件抛物线内表面2一铸件缩凹处内表面 图2常规立式离心铸造铸件缩凹示意 分析上述常规立式离心铸造锥段转鼓铸件后发 现，可通过在金属铸型的底板设置一砂芯进行改 进。改进后，可有效控制锥段转鼓铸件内孔的加工 余量，大大提高了工艺出品率，且不需要提高离心 转速就能够避免铸件内表面产生缩凹缺陷，同时锥 段转鼓铸件壁厚均匀，避免厚壁处产生裂纹等缺陷。 2改进型立式离心铸造用铸型的设计 2．1立式离心铸造机技术参数 使用立式离心铸造机，电机功率为75 kW，主 轴最高转速为600 r／min，无极调速。设备适用的 铸件的最大直径为1 100 mm、最大高度为1 800 mill，设备最大承载质量(铸件+铸型)为15 t。 2．2改进型铸型的设计 改进型立式离心铸造用铸型，主要由金属型 筒、挡板、带砂芯的底板三部分组成。由于该锥段 转鼓大部分内外圆均为圆锥形，直段部分较短，并 且其铸件缩尺通常约为2％，加上金属型筒对铸件 的激冷作用，冷却收缩后就能方便地脱模，故不需 要考虑铸件的拔模斜度。改进型立式离心铸造用铸 型结构如图3所示。 1一销子2一挡板3一金属型筒 4一耐火砖5一芯骨6一砂芯7一底板 图3改进型立式离心铸造用铸型结构示意 在改进型立式离心铸造用铸型中，金属型筒与 底板、底板与立式离心机采用止口定位，尽量使金 属型筒、砂芯、底板三者同心，保证锥段转鼓铸件 的同心度。整个铸型中，砂芯内芯骨采用无缝钢 管，在钢管长度方向上钻有许多小孔，用以引导砂 芯内的水汽从底板孔中排出，防止浇注时砂芯内的 气体将砂芯胀坏，使锥段转鼓铸件产生气孔、夹渣 等缺陷。砂芯顶部设有耐火砖，用以缓冲浇人模具 型腔的熔融金属液，避免砂芯被冲坏。底部沿圆周 布置有耐火砖，通过外模将其压紧在底板上，使熔 融金属液与底板隔开，尽可能减少热量传输到底板 上，由于底板与立式离心机连接板直接接触，热量 传输的减少对立式离心机也有一定的保护作用。同 时，金属将耐火砖压紧在底板上，也起到了密封作 用，可防止熔融金属液从金属型筒与底板间流出。 (1)金属型筒材料的确定。考虑到金属液温度 于宏斌等：锥段转鼓的立式离心铸造工艺 较高，为避免金属外模局部温度超过其转变温度 A (奥氏体化开始转变温度)，使金属外模内部产 生缺陷，综合国内外对离心铸造金属型筒材料的选 用情况，通常选30CrMo、34CrMo和21CrMol0等 为金属型筒材料。由于锥段转鼓生产批量大，为保 证金属外模具有较长的使用寿命，且21CrMo10材 料的合金含量高，A 温度为768℃且韧性较好， 有阻止热裂纹形成的特性_l1]，故选21CrMol0为金 属型筒材料[12]o (2)金属型筒壁厚的确定。在一般卧式离心铸 造中，通常挡板与铸件的接触面积要比金属型筒小 得多，铸件的热量主要是传递给金属型筒后散发。 根据实际生产经验，卧式离心铸造中金属型筒壁厚 与铸件壁厚6铸的比值6型 铸在1．4 2．0比较适宜。 在改进型立式离心铸造中，虽然在金属铸型底板上 设置了砂芯，砂芯将从铸件吸收更多的热量，但是 砂芯在吸收热量后会产生很多水汽，水汽在经底板 排出的同时将带走大部分的热量，使底板、挡板吸 收的热量与金属型筒相比要小得多，故在确定改进 型立式离心铸造金属型筒的壁厚时参照卧式离心铸 造即可。改进型锥段转鼓铸件中主要壁厚最厚处为 51 mm，按8型 铸在1．4 2．0计算， 型为71．4～102．0 mm，考虑到锥段转鼓铸件壁厚有的地方变大，确 定金属型筒的壁厚为90 mm，此时 =1．7。 2．3铸型首次使用前内表面的处理 首次使用的金属型筒工作表面，在机械加工后 比较光洁、存在油污等，喷涂涂料后会出现涂料容 易脱落的现象，使铸件产生夹渣等有害缺陷。因 此，金属型筒在首次使用前，通常要求喷涂涂料后 用适当温度的金属液清洗型筒一次。生产实践发 现，金属型筒工作表面在首次使用前，提前在喷涂 的涂料中加人少量的盐，然后喷涂到金属型筒工作 表面并存放5 7天，之后将金属型筒工作表面用清 水清洗干净，清洗干净后即可投入使用，且加入的 少量的盐并不会对金属型筒产生任何危害，并可以 大大减少资源的浪费、提高生产效率等。 2．4铸型加工余量的确定 采用离心铸造时，金属液在离心力的作用下进 行补缩，一般无气孔、夹渣等有害缺陷，杂质主要 聚集在锥段转鼓铸件内表面和两端面，故铸件内表 面加工余量要大于外表面。同时，在改进型立式离 心铸造工艺中，由于增加了砂芯，避免了铸件内表 面产生缩凹；因此，设计加工余量时不需要考虑缩 钢管2016年12月第45卷第6期 帮篁 砻 雾 _ 39 (2)生产的锥段转鼓无焊缝，整体强度高，可 满足特殊应用环境下对锥段转鼓无缝化制造的要 求。 … (3)铸型中增加的砂芯有效地控制了锥段转鼓 内孑L的加工余量，大大提高了工艺出品率。 (4)铸型中增加砂芯，使锥段转鼓铸件壁厚相 对均匀，且不需要考虑缩凹缺陷对锥段转鼓铸件壁 厚的影响。 (5)金属型筒首次使用前，在涂料中加入少量 盐，喷涂到金属型筒的工作表面存放5 7天，清洗 干净后可直接投入使用，提高了生产效率。 5参考文献 [1]龚俊，张凯，辛舟．离心分离机开孔转鼓的设计计算 fJ]．过滤与分离，2006，16(3)：31—33． 『2]李文辉，龚俊，刘永平．离心卸料离心机锥形转鼓筒体 有限元分析与强度计算[J]．机械制造，2012，50(7)： 18-20． [3]汤新文，陈海辉．离心机转鼓爆裂事故分析[J]．机电工 程技术，2005，34(3)：104—105． 『4]章小峰，凌兵，黄贞益，等．立式离心铸造顶头模具设 计及充型凝固模拟[J_．热加工工艺，2012，14(7)：66一 71． 『5]隋艳伟，李邦盛，刘爱辉，等．立式离心铸造液态金属 中气泡的长大规律[J]_特种铸造及有色合金，2009，29 (3)：210-212． [6]王小军，张应龙．双相不锈钢转鼓用管的离心铸造生产 工艺[J]．钢管，2015，44(1)：46～50． [7]李锡年．异型铸件立式离心铸造的工艺技术和应用[J]． 特种铸造及有色合金，2000(5)：30—32． 『8]李锡年．立式离心铸造技术及其应用[J]．特种铸造， 1999(1)：10-13． 『9]杨达飞，谢帮灵，杨为勤．大型厚壁护套的离心铸造工 艺及铸型强度校核[J]．铸造，2016，65(5)：459—462． 『l0]杨为勤，党旭亮．大型锡青铜厚壁蜗轮的离心铸造工艺 研究[J]．特种铸造及有色合金，2012，32(10)：975— 978． 『11]中国机械工程学会铸造分会．特种铸造[M]．6卷．北 京：机械工业出版社，2003． fl21王伟，张国利，姜福顺．管模用钢21CrMo10材料的研 究[J]．一重技术，1998(4)：59—61． [13]张伯明．离心铸造[M]．北京：机械工业出版社，2004． (收稿日期：2016—08—05) ●信息 中国钢结构协会钢管分会七届二次理事(扩大)会议暨 2016钢管产业链发展与应用大会在上海市召开 2016年1 1月l一3日，中国钢结构协会钢管分会(简称钢管分会)七届二次理事(扩大)会议暨2016钢管产业链发展与应 用大会在上海市召开。来自国内80余家钢管生产企业、贸易公司和行业协会的140余人参加了会议。 上海市经信委新材料处副处长李慧民、中国钢结构协会常务副会长刘毅、钢管分会理事长朱学强到会并致辞。 会议听取了国务院钢铁专家、“一带一路”研究院常务副院长、国资委大型企业监事会原主席、原国家冶金局副局长赵喜 子作的《民营钢铁企业发展新趋势》报告；钢管分会顾问庄钢作的《十三五期间中国钢管行业发展前景和机会》报告；国家电网 北京国网富达科技发展有限责任公司副总经理徐德录作的《钢管塔原材料需求与市场供应现状分析》报告；中油管道物资装备 有限公司LNG项目经理、高级工程师吕志刚作的《管道工程项目中品种钢管的应用及项目介绍》报告；海油石油工程股份有 限公司海洋工程技术中心副主任兼设计公司首席工程师赵冬岩作的《海底管道用管现状及展望》报告；中国广核集团有限公司 核安全技术中心那福利作的《核电机组用管的准入标准及采购模式》报告；大唐华东电力试验研究所总工程师王家庆作的《十 三五期间燃煤电厂发展动态展望》报告等。 会议讨论通过了钢管分会理事长、副理事长人事变动的议案；通过了9家企业的人会申请；听取了钢管分会秘书处 《钢管行业“十三五”发展规划纲要指导意见(讨论稿)》编制说明，并决定将于2016年底前下发正式稿。 会议对上海钢管行业协会为本次会议提供的周到服务表示衷心地感谢。 于宏斌等：锥段转鼓的立式离心铸造工艺 (本刊) 钢管2016年l2月第45卷第6期