水冷離心球墨鑄鐵管裂紋產生原因及預防措施的研究

張衛剛

摘要：裂紋是水冷離心球墨鑄鐵管生產中經常發生的質量問題，導致其產生的原因主要是冷卻速度不均勻、機械阻礙、鑄造組織不均勻、流槽位置不合理及高脆性斷裂等。一旦水冷離心球墨鑄鐵管產生裂紋，不僅會影響其使用壽命及內在質量，而且會增加企業的生產成本，這對于激烈市場競爭下球墨鑄鐵管生產企業提高核心競爭力是非常不利的，故本文將對此展開深入探討。

關鍵詞：水冷金屬型；離心球墨鑄鐵管；裂紋產生原因；預防措施

1.離心球墨鑄鐵管的離心鑄造方法

離心球墨鑄鐵管被廣泛地應用于大型給水工程的輸水管和配水管、輸送冷卻用海水或用于路循環管路系統、輸送污水、城市煤氣和天然氣輸送管道等多種途徑。目前國內外常用的離心球墨鑄鐵管的離心鑄造方法，主要有如下三類（見表1）：

表1 三種離心鑄造方法的對比

方法 備注

水冷金屬型工藝 具有生產效率高、力學性能好、水壓合格率高等優點，但管模壽命較短

噴涂料熱模法 具有管模壽命較高、內外表面光潔等優點

襯樹脂砂熱模法 具有設備配置和工藝操作簡單、一次性投入低等優點，但容易產生重皮、石墨漂浮、球化衰退、內表面龜紋嚴重等質量問題

第一，水冷金屬型工藝（即De Lavaud法）。水冷金屬型工藝的生產過程為：準備澆注→澆注→澆注完畢，拔管鉗伸入型內→鑄型向右移動，拔出鐵管后鑄型復位，準備下一根管子的澆鑄。作為目前世界應用最為廣泛的離心鑄造方法，水冷金屬型工藝非常適合用于大批量生產中小管徑的離心球磨鑄鐵管（DN80～1000mm）。

第二，噴涂料熱模法（即Wheat-Spray法）。噴涂料熱模法是將管模加熱到180～250℃，在管模內壁涂上一層隔熱性能較好的涂料，此方法非常適合用于管模制造困難且費用高的DN1200～2600mm大口徑鑄管。

第三，襯樹脂砂熱模法。襯樹脂砂熱模法是將管模加熱到160～220℃，在管模內壁襯上一層覆膜樹脂砂。作為三種方法中鑄管冷卻速度最慢的一種，襯樹脂砂熱模法容易產生重皮、石墨漂浮、球化衰退、內表面龜紋嚴重等質量問題。

2.水冷離心球墨鑄鐵管裂紋的產生原因

2.1鑄造組織不均勻。管模在冷卻條件下不均勻或者是鐵液中存在微觀成分、濃度偏析（主要是由晶內偏析引起）而造成局部組織中碳化物量或珠光體量與周圍組織存在著較大的差異，從而導致冷卻凝固過程中應力集中而產生裂紋。

2.2冷卻速度不均勻。在澆注水冷離心球墨鑄鐵管的過程中，流槽因震動會濺出少量的鐵液，在澆注前這部分濺出的鐵液會離心旋轉成環狀。隨后當正常澆注的鐵液覆蓋在環狀鐵液上時，會導致正常澆注的鐵液局部傳熱條件降低，從而出現周圍鐵液已經完全凝固而該處鐵液還處于固液兩相區的狀態，最終導致水冷離心球墨鑄鐵管裂紋的產生。在水冷離心球墨鑄鐵管的生產中，當管模自身嚴重龜裂且拔管困難時，如果向球鐵管中打水將促使球鐵管的快速冷卻，但是此種操作會導致球鐵管冷卻速度的不均勻，從而形成裂紋管。

2.3流槽的位置不合理。流槽在管模中的位置適合合理，直接影響著水冷離心球墨鑄鐵管裂紋的產生。當流槽位置不合理時，落入管模的鐵液處于不穩定狀態，極易分流分散，造成過早凝固而產生裂紋。

2.4機械阻礙。當承口部位的鐵液流入管模和砂芯的間隙中形成飛刺或毛邊時，水冷離心球墨鑄鐵管的收縮將會受到阻礙，在鑄管內產生的應力會引起圓周裂紋或斷裂。在生產實踐中，當管模龜裂嚴重或芯架壓力太小時，如果鐵水落點不好，那么很容易發生鑄管斷裂。

2.5高脆性斷裂。如果過早或過量加入隨流孕育劑，硅含量增加，會導致鐵素體晶格的扭曲，降低水冷離心球墨鑄鐵管的沖擊韌度值，從而導致裂紋的產生。

3.水冷離心球墨鑄鐵管裂紋的預防措施

第一，減少鐵液在高溫的停留時間，調整好離心機機頭的冷卻水布局。在鐵液長時間高溫時，要盡量為鐵液的凝固提供足夠的外來核心（如加強孕育），并且盡量減少鐵液在高溫中的停留時間；調整好離心機機頭的冷卻水布局，確保流槽涂料厚度的均勻，從而保證化學成分和鑄造組織的均勻。

第二，采用合適的碳當量。根據管徑的大小來選擇合適的碳當量，避免因碳當量過高，從鐵液中析出初生石墨球數量過高而引起凝固前體積膨脹量過大，從而減少裂紋的產生。

第三，合理確定流槽位置。一般在生產實踐中，要求流槽的出口與離心機的軸線大約呈17°的夾角，同時根據水冷離心球墨鑄鐵管的直徑來確定流槽出口距離心機軸線的高度。

第四，加強管模的維護和保養，避免管模出現龜裂裂紋。①內孔修磨后，表面粗糙度應為Ra3.2～6.3μm，表面應無氧化皮及其它雜質和缺陷，園弧處過渡要平滑；避免倒錐、鑼（腰）鼓、和局部凹陷等不平整現象；從而預防拔管困難或斷管及棱角應力過集中導致鑄管模開裂。②管模內壁打點要均勻，通常要求點間距小于0.5-0.7mm，深度0.2-0.3mm，點直徑為1.5-2.2mm，從而消除熱疲勞應力、增加鑄管模內表面強度，消除預防細微裂紋延伸，便于管模粉均勻吸附和增加鐵水與鑄管模內表面的摩擦力。③同一種規格的管模在保證其機械性能使用的條件下，設計時應盡可能減少壁厚，而且整體壁厚要均勻，圓弧過度要盡量平緩，降低尺寸突變落差，以便減少應力集中點防止局部早期熱裂。

4.小結

本文對生產中水冷離心球墨鑄鐵管裂紋的缺陷進行了分析，在掌握水冷離心球墨鑄鐵管裂紋產生原因的基礎上，針對性從減少鐵液在高溫的停留時間、調整好離心機機頭的冷卻水布局，采用合適的碳當量，合理確定流槽位置，加強管模的維護和保養等幾個方面，提出預防水冷離心球墨鑄鐵管裂紋產生的對策。