堿酚醛樹脂砂工藝生產(chǎn)流量調(diào)節(jié)閥鑄鋼件產(chǎn)生裂紋缺陷原因分析及解決方案

賀顯標(biāo)

(艾坦姆合金（山東）有限公司，山東 濟(jì)寧 273500）

閥門作為一種通用的工業(yè)零部件應(yīng)用非常廣泛，主要涉及石油、化工、石化、水利、冶金、電力、城建、機(jī)械、煤炭、食品、核工業(yè)、LNG 等領(lǐng)域。閥門種類非常多，尺寸、規(guī)格、結(jié)構(gòu)各異，主要有球閥、蝶閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥、閘閥、截止閥、止回閥、減壓閥、排污閥、隔膜閥等。質(zhì)量從幾十克到幾十噸不等，閥門材質(zhì)因工作環(huán)境而異，有鑄鐵、普通碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、耐腐蝕鋼（雙相鋼）、銅合金等材質(zhì)。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

流量調(diào)節(jié)閥是眾多閥門的一種，是在工業(yè)自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域中，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)的最終控制元件。調(diào)節(jié)閥屬于中空結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用工況有不同的技術(shù)要求。調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，技術(shù)要求高，鑄造難度比較大，在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、縮孔縮松、渣氣孔等鑄造缺陷。本文結(jié)合堿酚醛樹脂砂生產(chǎn)流量調(diào)節(jié)閥鑄鋼件現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況以及工作經(jīng)驗(yàn)，主要分析流量調(diào)節(jié)閥裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及解決方案，為堿酚醛樹脂砂生產(chǎn)閥門控制和提高鑄件質(zhì)量提供技術(shù)參考。

圖2 應(yīng)力模擬分析

閥門鑄鋼件裂紋按形成的溫度范圍分為熱裂紋和冷裂紋兩種，按照裂紋在鑄件中產(chǎn)生的位置又分為外裂紋、皮下裂紋和內(nèi)裂紋。

通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力模擬分析，流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)力主要集中在中間密封圈和隔板交接的位置（圖3）以及相鄰兩個(gè)法蘭中間位置（圖4）。實(shí)際生產(chǎn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，裂紋集中在這些位置區(qū)域。這些位置壁厚不均勻，澆注完成后凝固收縮過程中，由于應(yīng)力分布不均勻?qū)е吕选?/p>

圖3 裂紋位置

圖4 裂紋法蘭之間

經(jīng)過分析和多次試驗(yàn)驗(yàn)證，主要從以下方面解決流量調(diào)節(jié)閥鑄鋼件裂紋缺陷問題。

1 優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)

1.1 優(yōu)化鑄件自身結(jié)構(gòu)

經(jīng)過對(duì)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力分析和隔板承壓計(jì)算，在滿足承壓條件下適當(dāng)調(diào)整鑄件壁厚或者減薄與中間密封圈連接的隔板厚度來調(diào)整鑄件在凝固收縮時(shí)的應(yīng)力分布，通過減小應(yīng)力集中的方式來減輕或者消除該點(diǎn)的裂紋傾向。

1.2 增加防裂筋

在鑄件相鄰兩個(gè)法蘭中間位置增加防裂筋板，筋板厚度約為鑄件壁厚的三分之一。鑄件在凝固收縮時(shí)筋板優(yōu)先凝固形成強(qiáng)度來抵消相鄰兩個(gè)法蘭在收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，從而解決相鄰兩個(gè)法蘭之間的裂紋問題。

2 調(diào)整造型材料和造型方式

2.1 調(diào)整造型材料

正常生產(chǎn)時(shí)，砂芯一般采用新砂進(jìn)行造型，新砂的潰散性比較好，這樣澆注后型腔內(nèi)清砂比較容易。堿酚醛樹脂砂強(qiáng)度在澆注時(shí)會(huì)隨著溫度的升高而加強(qiáng)，由于新砂沒有經(jīng)過高溫相變，受熱膨脹，強(qiáng)度提高，退讓性比較差，這樣就導(dǎo)致鑄件在凝固收縮時(shí)由于受到砂芯阻力產(chǎn)生裂紋問題。

調(diào)整砂芯型砂，砂芯采用焙燒砂進(jìn)行制作，焙燒砂在經(jīng)過高溫相變以后，再進(jìn)行鑄件澆注時(shí)接觸到高溫鋼水熱脹性就會(huì)減小，同時(shí)退讓性比較好，產(chǎn)生裂紋的幾率就比較低。

調(diào)整砂芯樹脂固化劑配比，將砂芯的樹脂比例比外模的樹脂比例調(diào)低0.1%～0.2%，固化劑按相應(yīng)比例下調(diào)，這樣砂芯強(qiáng)度就比外模強(qiáng)度低，鑄件在澆注后進(jìn)行凝固收縮時(shí)砂芯阻力就會(huì)比外模阻力小，從而減少裂紋問題。

2.2 調(diào)整造型方式

調(diào)整砂芯制作方式，砂芯在制作時(shí)在保證砂芯強(qiáng)度的前提下進(jìn)行掏空，在掏空不方便時(shí)加入鋸末或者泡沫，主要是增加砂芯的退讓性以及減小鑄件在凝固收縮時(shí)的阻力來減少裂紋缺陷，同時(shí)，加入鋸末和泡沫砂芯潰散性比較好，鑄件型腔清砂比較方便。

調(diào)整外模制作方式，在制作外模時(shí)，靠近鑄件表面的面砂用手壓實(shí)來保證砂型緊實(shí)率，背砂在震實(shí)臺(tái)上適當(dāng)震實(shí)即可。

3 調(diào)整澆注溫度和澆注速度

3.1 調(diào)整澆注溫度

在保證鑄件充型良好的情況下，盡量降低澆注溫度。對(duì)于鑄鋼件，特別是碳鋼件，澆注溫度過高，凝固時(shí)收縮量增大，熱應(yīng)力就會(huì)增大，這樣就會(huì)增大熱裂傾向，當(dāng)應(yīng)力超過鑄件能承受的最大應(yīng)力時(shí)，鑄件就會(huì)沿晶界開裂。同時(shí)，澆注溫度高，鑄件易產(chǎn)生粘砂，增大了鑄件的收縮阻力，從而增大了鑄件的裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 調(diào)整澆注速度

澆注速度較慢會(huì)引起型腔受熱烘烤時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致閥門各部位溫度差增大，易使砂型翹起脫落，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、冷隔、夾渣等缺陷。澆注速度適當(dāng)提高，可使金屬液較快充滿型腔，防止?jié)膊蛔悖瑴p少金屬液氧化，減少鑄件各部位溫度差，從而避免產(chǎn)生裂紋缺陷。

4 優(yōu)化熔煉工藝

4.1 控制S、P、C 元素成份含量

通過控制原材料的質(zhì)量來降低S、P 有害元素的成份含量，S 對(duì)鋼的熱裂敏感性有突出影響，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性；P 使鋼的晶界脆性增加，增加鋼的冷脆性，使鋼的裂紋敏感性增強(qiáng)。

在滿足力學(xué)性能的前提下適當(dāng)控制C 含量，C 含量越低鋼的延展性和韌性越好，鑄件產(chǎn)生裂紋傾向性就越低。

4.2 控制Mn 元素成份含量

Mn 在小于1.0%的范圍內(nèi)，提高M(jìn)n 含量有利于減小鑄鋼件的熱裂傾向性，大于1.0%則易回硫，反而不利。

4.3 添加細(xì)化晶粒的元素

在熔煉時(shí)加入少量鈦（Ti）、鈮（Nb）等元素，可以細(xì)化晶粒，有效提高鑄件的抗裂性，實(shí)驗(yàn)證明效果很好。

5 優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)不良，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生應(yīng)力，凝固收縮時(shí)產(chǎn)生裂紋。澆注系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離鑄件熱節(jié)處，避開鑄件熱應(yīng)力比較集中的位置；冒口在滿足鑄件補(bǔ)縮的情況下也要盡量避開應(yīng)力集中處，同時(shí)，冒口配合冷鐵使用，改變鑄件凝固順序，減少鑄件收縮應(yīng)力的影響，從而減少鑄件裂紋的產(chǎn)生。

6 結(jié)語

本公司通過以上幾種方案，經(jīng)過最近半年時(shí)間的生產(chǎn)驗(yàn)證，堿酚醛樹脂砂生產(chǎn)流量調(diào)節(jié)閥鑄鋼件的裂紋問題已經(jīng)全部解決。綜上，防止和消除堿酚醛樹脂砂工藝生產(chǎn)流量調(diào)節(jié)閥鑄鋼件裂紋缺陷，從生產(chǎn)角度主要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)措施。

（1）優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，減少鑄件凝固收縮時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)。

（2）改變?cè)煨筒牧虾驮煨头绞剑捎帽簾白錾靶荆焉靶咎涂眨岣咝托镜耐俗屝浴?/p>

（3）采用高溫出鋼低溫澆注，提高澆注速度。

（4）優(yōu)化熔煉工藝，嚴(yán)格控制S、P 等有害元素，添加細(xì)化晶粒的元素，提高鑄鋼件的抗裂性。