離心鑄鋼管表面缺陷控制分析與實踐

劉煥龍

（新興鑄管股份有限公司）

0 前言

離心鑄鋼管技術是指將鋼水注入高速旋轉的管模之中，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 ，但其高溫持久強度和抗氧化性卻要高許多，并能適應生產設備對離心鑄鋼管多品種多規格的要求[1]。目前，國內外在機械、建材、 電力和石化等行業的許多大型成套設備和裝置的關鍵部位 ,均采用了大量離心鑄鋼或合金鋼鑄管。在離心鑄鋼管生產過程中，為了保護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量產生影響，甚至會造成產品報廢。筆者就離心鑄鋼管表面的氣孔、氣坑缺陷進行了分析調查，并有針對性地采取工藝應對措施，結合生產實踐驗證，有效改善了鑄鋼管的表面質量。

1 缺陷成因分析

采用離心鑄造技術生產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過熱處理、機加工等工序后才能作為成品使用。離心鑄鋼管經加工后的表面不得有目視可見的結疤、氣孔、針孔、折疊、重皮、夾渣和深度超過 0.5 mm 的裂紋[3]。某鑄鋼管廠生產的離心鑄鋼管在進行表面加工后，發現鑄鋼管表面的缺陷根本無法消除，不能達到使用要求，甚至報廢，故解決鑄鋼管該類表面質量問題非常必要。某鑄鋼管廠生產的的離心鑄管表面質量缺陷如圖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，同時氣坑內未見異物壓入現象，分布面積較大，無明顯規律性，由此可初步判定鑄鋼管表面的質量缺陷為氣孔和氣坑缺陷。對有該缺陷的鑄鋼管表面經車床進行表面加工之后，外表面仍可見到數量眾多的氣孔（因氣孔形狀細小如針扎狀，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現有單獨存在的氣坑缺陷，即使外表面加工深度達到3 mm，個別氣坑的面積仍較大，而且深度較深，個別氣坑深度達到3 mm 以上，寬度超過10 mm，所以加工后的鑄鋼管根本無法達到使用的技術要求。

圖2 表面氣坑

經過和現場工作人員的核實，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；對驗收、存放等環節的情況進行比照，也是按照要求來執行的，基本上可以排除是涂料質量本身的問題，故將解決重點放在管模涂層的噴涂質量上。

原管模噴涂工藝參數設定見表1。

表1 原管模噴涂工藝參數

由于在鑄鋼管生產過程中，需要將液態鋼水快速注入管模，液態鋼水在離心力作用下隨管模高速旋轉，此時鋼水由液態逐漸轉為固態，氣孔和氣坑應是在這個由液態轉換為固態的過程中產生的。查閱有關資料顯示，鑄鋼管所使用的涂層在高溫下都有一定的發氣量，從涂層中產生的氣體在形成一定壓力后 ，有向鑄管表面傳滲的可能[2]，因此出現針孔（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、氣坑應該主要是涂層帶來的發氣量向鑄鋼管表面傳滲導致的。該鑄鋼管在澆鑄成型后，表面的涂層出現大面積脫落現象（如圖3 所示），也從一方面驗證了涂層工藝設定控制存在問題。正常情況下，鑄鋼管澆鑄完畢后，表面應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，應是解決該類缺陷的關鍵。

圖3 鑄鋼管表面涂層剝落

圖4 鑄鋼管表面涂層附著

2 工藝方案及實施

2.1 工藝方案

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

（1）適當提高涂料噴涂時的管模溫度，有利于涂層快速干燥和游離水分的排出。

（2）適當降低涂層厚度，相當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）適當增加烘烤時間，其目的同樣是為了使涂料本身攜帶的水分有充足時間排出，進而減少鑄鋼管澆鑄過程中氣體排出對鑄鋼管表面質量的影響。最終確認的管模噴涂工藝參數見表2。

表2 改進后的涂層噴涂工藝參數

2.2 實施過程

工藝參數確定后，在某鑄鋼管廠進行了試生產試驗，按照改進后的噴涂工藝在DN600 的管模上進行了噴涂作業。

（1）離心機調試完畢后，將DN600 管模裝入離心機，離心機保持低速旋轉，在離心機推桿上安裝鋼絲刷，對管模內壁進行清理，要求內壁清理光滑，無雜物。

（2）管模內壁清理完畢后，使用離心機配套的烘烤裝置對管模進行烘烤，管模烘烤時，離心機保持低速旋轉。

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

（4）管模整體溫度達到200 ～210 ℃后，開始噴涂作業。噴涂前，將管模轉速調整到300 轉/分。轉速穩定之后開始涂層噴涂作業，注意噴涂推桿保持勻速運動。

（5）涂層噴涂完成后，離心機停止旋轉，管模停穩后對涂層噴涂質量進行檢查，檢查項目主要包括涂層表面質量、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，噴涂質量合格后，管模繼續在離心機保持低速旋轉，同時開啟烘烤裝置繼續烘烤，保持時間20 min。注意在烘烤過程中每間隔5 min 左右對管模進行一次測溫，管模整體溫度保持在210 ℃左右。

（7）烘烤時間達到20 min 后即可開始下一步的離心鑄造作業。

按照改進后的噴涂工藝完成涂層噴涂后，對涂層表面質量進行檢查，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表面（如圖5 所示）。涂層表面質量與之前噴涂工藝涂層質量（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，噴涂工藝改進后的涂層效果較之前有了顯著提高。

3 效果

采用改進后的噴涂工藝噴涂涂層完成后，在某鑄鋼管廠使用DN600 規格管模進行了離心鑄鋼管的澆鑄作業，澆鑄采用的鋼種為35CrMo。對澆鑄的離心鑄鋼管后續加工情況進行了跟蹤，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，完全達到了預期效果（如圖8 所示）。

圖8 精加工后表面

4 結論

（1）涂層噴涂質量好壞對鑄鋼管表面質量有直接影響，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鍵。

（2）通過對管模溫度、涂層厚度、烘烤時間等涂層噴涂工藝的關鍵參數進行優化，取得了明顯的改善效果。

（3）生產實踐證明，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間不低于20 min 時，可以達到理想的涂層質量，經車床加工后鑄鋼管表面質量光滑無氣孔，可達到產品的使用要求。。