离心铸钢管表面缺陷控制分析与实践

2021-04-14刘焕龙

河南冶金 2021年6期

刘焕龙

（新兴铸管股份有限公司）

0 前言

离心铸钢管技术是指将钢水注入高速旋转的管模之中，由于钢水在离心力作用下凝固，不仅管体组织致密，而且可使渣、杂质从钢水中浮出，使得钢水在凝固前得到净化，因此，离心铸钢管与相同成分的锻钢管相比，虽常温性能稍差，但其高温持久强度和抗氧化性却要高许多，并能适应生产设备对离心铸钢管多品种多规格的要求[1]。目前，国内外在机械、建材、电力和石化等行业的许多大型成套设备和装置的关键部位 ,均采用了大量离心铸钢或合金钢铸管。在离心铸钢管生产过程中，为了保护金属管模免受高温钢水的热冲击和热侵蚀，防止铸钢管粘附在管模上，通常必须在金属管模内喷涂料。这不仅能延长管模的寿命、控制铸钢管的冷却速度，而且能直接影响铸管的表面质量[2]。铸钢管表面的气孔、气坑等缺陷直接对铸钢管的表面质量产生影响，甚至会造成产品报废。笔者就离心铸钢管表面的气孔、气坑缺陷进行了分析调查，并有针对性地采取工艺应对措施，结合生产实践验证，有效改善了铸钢管的表面质量。

1 缺陷成因分析

采用离心铸造技术生产出来的铸钢管一般称之为离心铸造毛坯，离心铸钢管毛坯一般是不能直接使用的，大部分铸钢管需要经过热处理、机加工等工序后才能作为成品使用。离心铸钢管经加工后的表面不得有目视可见的结疤、气孔、针孔、折叠、重皮、夹渣和深度超过 0.5 mm 的裂纹[3]。某铸钢管厂生产的离心铸钢管在进行表面加工后，发现铸钢管表面的缺陷根本无法消除，不能达到使用要求，甚至报废，故解决铸钢管该类表面质量问题非常必要。某铸钢管厂生产的的离心铸管表面质量缺陷如图1、图2 所示。

图1 表面针状气孔

从图1 和图2 可以看出，铸钢管表面有肉眼可见的表面针状气孔和表面凹坑缺陷，均有一定深度，同时气坑内未见异物压入现象，分布面积较大，无明显规律性，由此可初步判定铸钢管表面的质量缺陷为气孔和气坑缺陷。对有该缺陷的铸钢管表面经车床进行表面加工之后，外表面仍可见到数量众多的气孔（因气孔形状细小如针扎状，也被称之为针孔），而且气孔分布不均匀，分布面积较大；另外，在铸钢管外表面还发现有单独存在的气坑缺陷，即使外表面加工深度达到3 mm，个别气坑的面积仍较大，而且深度较深，个别气坑深度达到3 mm 以上，宽度超过10 mm，所以加工后的铸钢管根本无法达到使用的技术要求。

图2 表面气坑

经过和现场工作人员的核实，该铸钢管所使用的涂料与其他铸造厂所使用的涂料基本没有差别；对验收、存放等环节的情况进行比照，也是按照要求来执行的，基本上可以排除是涂料质量本身的问题，故将解决重点放在管模涂层的喷涂质量上。

原管模喷涂工艺参数设定见表1。

表1 原管模喷涂工艺参数

由于在铸钢管生产过程中，需要将液态钢水快速注入管模，液态钢水在离心力作用下随管模高速旋转，此时钢水由液态逐渐转为固态，气孔和气坑应是在这个由液态转换为固态的过程中产生的。查阅有关资料显示，铸钢管所使用的涂层在高温下都有一定的发气量，从涂层中产生的气体在形成一定压力后，有向铸管表面传渗的可能[2]，因此出现针孔（气孔）的主要原因可能是金属液和涂料中含有大量气体，同时铸管两端凝固速度相对太快，气体来不及从金属液或涂料中排出,从而在铸管表面形成缺陷。从铸钢管表面形成的缺陷可以判断，铸钢管表面的气孔、气坑应该主要是涂层带来的发气量向铸钢管表面传渗导致的。该铸钢管在浇铸成型后，表面的涂层出现大面积脱落现象（如图3 所示），也从一方面验证了涂层工艺设定控制存在问题。正常情况下，铸钢管浇铸完毕后，表面应该是紧密附着有一层涂层（如图4 所示），而不是完全脱落。由此确定，在铸钢管浇铸前最大限度的减少涂料本身及喷涂过程所带来的气体含量，应是解决该类缺陷的关键。

图3 铸钢管表面涂层剥落

图4 铸钢管表面涂层附着

2 工艺方案及实施

2.1 工艺方案

通过以上分析，涂层喷涂工艺的优化措施重点在减少涂料所带来的发气量，提高涂料喷涂质量，由此来解决表面的气孔和气坑问题。因此，从喷涂工艺的各个方面制定了针对性工艺控制措施。

（1）适当提高涂料喷涂时的管模温度，有利于涂层快速干燥和游离水分的排出。

（2）适当降低涂层厚度，相当于减少了单位面积涂料的用量，从总量上控制气体的含量。

（3）适当增加烘烤时间，其目的同样是为了使涂料本身携带的水分有充足时间排出，进而减少铸钢管浇铸过程中气体排出对铸钢管表面质量的影响。最终确认的管模喷涂工艺参数见表2。

表2 改进后的涂层喷涂工艺参数

2.2 实施过程

工艺参数确定后，在某铸钢管厂进行了试生产试验，按照改进后的喷涂工艺在DN600 的管模上进行了喷涂作业。

（1）离心机调试完毕后，将DN600 管模装入离心机，离心机保持低速旋转，在离心机推杆上安装钢丝刷，对管模内壁进行清理，要求内壁清理光滑，无杂物。

（2）管模内壁清理完毕后，使用离心机配套的烘烤装置对管模进行烘烤，管模烘烤时，离心机保持低速旋转。

（3）对管模温度进行测量，注意测量管模温度时要保证管模整体均达到200 ～210 ℃，不符合温度的部位要根据温度高低，调整烘烤装置火焰，使管模温度整体达到温度要求。

（4）管模整体温度达到200 ～210 ℃后，开始喷涂作业。喷涂前，将管模转速调整到300 转/分。转速稳定之后开始涂层喷涂作业，注意喷涂推杆保持匀速运动。

（5）涂层喷涂完成后，离心机停止旋转，管模停稳后对涂层喷涂质量进行检查，检查项目主要包括涂层表面质量、涂层厚度、涂层附着情况、涂层厚度均匀性等。

（6）涂层检查完毕，喷涂质量合格后，管模继续在离心机保持低速旋转，同时开启烘烤装置继续烘烤，保持时间20 min。注意在烘烤过程中每间隔5 min 左右对管模进行一次测温，管模整体温度保持在210 ℃左右。

（7）烘烤时间达到20 min 后即可开始下一步的离心铸造作业。

按照改进后的喷涂工艺完成涂层喷涂后，对涂层表面质量进行检查，包括：目测可见涂层表面光滑，有较均匀的气孔；对管模头部、尾部、中间部分取点测量，厚度分别为1.40 mm、1.40 mm、1.35 mm，涂层的厚度和均匀性都比较好；涂层牢牢附着在管模内表面（如图5 所示）。涂层表面质量与之前喷涂工艺涂层质量（如图6 所示）相比，涂层附着均匀，涂层表面气孔均匀分布（涂层表面气孔是涂层喷涂过程中气体排出的痕迹），由此可见，喷涂工艺改进后的涂层效果较之前有了显著提高。

3 效果

采用改进后的喷涂工艺喷涂涂层完成后，在某铸钢管厂使用DN600 规格管模进行了离心铸钢管的浇铸作业，浇铸采用的钢种为35CrMo。对浇铸的离心铸钢管后续加工情况进行了跟踪，该铸钢管使用车床粗加工3 mm 深度后气孔、气坑等表面缺陷基本全部消失（如图7 所示），精加工后（加工量为3.5 mm）的成品表面光滑，完全达到了预期效果（如图8 所示）。