大型雙金屬?gòu)?fù)合耐磨彎頭鑄造工藝的研制
摘要：采用消失模鑄造工藝制造的大型雙金屬?gòu)?fù)合耐磨彎頭，外壁非工作層選用16Mn材質(zhì)鋼管，內(nèi)壁工作層材質(zhì)為高鉻鑄鐵。從彎頭材質(zhì)成分選擇、熔煉工藝、消失模鑄造工藝及熱處理工藝等方面介紹了彎頭的制備技術(shù)及方法，分析并解決了鑄造過(guò)程中出現(xiàn)的塌箱、脹箱問(wèn)題。通過(guò)磨損試驗(yàn)證明，雙金屬?gòu)?fù)合彎頭的耐磨損性能為16Mn材質(zhì)彎頭的2倍。經(jīng)實(shí)踐考核得出復(fù)合彎頭的使用壽命是原配單一材質(zhì)彎頭的2一3倍。
煤粉輸送管道是火電廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的關(guān)鍵配件煤粉的輸送是一個(gè)快速而持續(xù)的過(guò)程，較快的輸送速度使管道承受嚴(yán)重的沖擊磨損，在彎頭部位經(jīng)常發(fā)生穿洞失效現(xiàn)象，使用壽命僅為直管的 1 /3，頻繁的維修補(bǔ)焊已成為影響煤粉輸送效率的重要因素之一卩]。目前，電廠使用的彎頭多為 16Mn單一材質(zhì)，硬度低，耐磨性能差。單位承接某電廠大型彎頭，金屬焊接制成，其形狀如圖1。為提高彎頭的使用壽命，將單一材質(zhì)改為雙金屬?gòu)?fù)合彎頭，彎頭尺寸較大，為保證其品質(zhì)，采用消失模鑄造工藝[2]。
1.偏心狀"泡沫模型；2.抽真空鋼管；3.直澆道；4.內(nèi)澆道圖1大型復(fù)合彎頭示意圖；
1試驗(yàn)方法
雙金屬耐磨彎頭外壁非工作層采用鋼管分節(jié)對(duì)接，內(nèi)部工作層模型由手工電阻絲切割聚苯乙烯泡沫而成，涂刷水基石英粉專用耐火涂料，在烘干室內(nèi)進(jìn)行干燥，選用底抽式真空砂箱；砂箱于二維振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行震動(dòng)；采用中頻感應(yīng)爐熔煉高鉻鑄鐵，澆注前，開(kāi)啟抽真空系統(tǒng)鐵液出爐溫度為1 480 ℃，澆注溫度控制在1420、1430 ℃，熱處理在臺(tái)車式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，耐磨性試驗(yàn)在NUS-IS03型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。
2試制過(guò)程與結(jié)果分析
2• 1彎頭材質(zhì)成分選擇
輸送煤粉過(guò)程中，彎頭部位承受煤粉的沖擊與磨損嚴(yán)重，因此要求彎頭具備很好的耐磨性，同時(shí)，彎頭的安裝、拆卸、以及使用過(guò)程中的維修都要求其具有良好的焊接性能。在電廠工況下，高鉻鑄鐵的抗磨損性能是較好的[1]，但脆性很高，若單一使用高鉻鑄鐵材質(zhì)，彎頭不能焊接。使用16Mn材質(zhì)鋼管與之復(fù)合鑄造，不僅使彎頭具備了良好的耐磨性能，而且實(shí)現(xiàn)了焊接，很大程度提升了彎頭的使用周期。
試驗(yàn)彎頭工作層高鉻鑄鐵各元素含量根據(jù) GB/T8263 •2010中BTMCr巧選定腳為：2•0％、3 • 6％
C ; 1.2％Si；2 •0％Mn；14％、18％Cr；3 •0％MO；
2.5%Ni；Cu< 1.2％；0，06％P；0•06％S。彎頭外層非工作層選用16N材質(zhì)鋼管。
2•2復(fù)合彎頭非工作部位制作工藝
所研制的彎頭外型尺寸如圖1，中心弧長(zhǎng)為 1 282mm，對(duì)應(yīng)的半徑為RI 050mm，彎頭兩端所成中心角為70。；采購(gòu)成品16Mn材質(zhì)鋼管，鋼管外徑為273mm，壁厚6mm，用線切割的方法，將鋼管根據(jù)所試制彎頭的角度切分為7段，并按1：1放大樣進(jìn)行焊接，形成彎頭的非工作部位。
2•3工作部位模型制作工藝
工業(yè)發(fā)達(dá)的在開(kāi)發(fā)消失模鑄造工藝的過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)大型鑄件泡沫模型的熱解特性，金屬充型凝固特性，干砂充填緊實(shí)度等專題進(jìn)行研究，并取得了很好效果。因所制彎頭尺寸較大，故內(nèi)部工作部位采用消失模鑄造工藝制備。
煤粉在輸送過(guò)程中，彎頭背部所受的沖擊磨損較嚴(yán)重，所以內(nèi)部工作層設(shè)計(jì)采用沿弧逐漸加厚的 “偏心"結(jié)構(gòu)，如圖1中1所示；彎頭內(nèi)部工作層“偏心"狀模型的制作選用聚苯乙烯泡沫，采用電阻絲手工切割，鑄造收縮率為1％。將泡沫模型分節(jié)切割，填充于鋼管彎頭內(nèi)，并盡量做到嚴(yán)絲合縫，有縫隙之處用報(bào)紙粘貼嚴(yán)實(shí)，填堵完成后涂刷鎂砂粉涂料，涂層厚度約2 • 2•5 mmo因彎頭尺寸較大，為防止塌箱，涂料涂刷4遍，每層涂刷后在烘干室內(nèi)進(jìn)行烘干，待完全干燥后涂刷下一層。
2•4澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于彎頭尺寸較大，采用水平式澆注易發(fā)生塌
箱事故。經(jīng)試驗(yàn)，澆注工藝采用如圖1中的豎立式階梯澆注[7]。階梯澆注系統(tǒng)分2層澆道，兩個(gè)內(nèi)澆道向同一方向傾斜；便于補(bǔ)縮、同時(shí)防止鐵液冷卻收縮將其拉裂。根據(jù)文獻(xiàn)介紹[8]，階梯式澆注系統(tǒng)的直澆道截面積應(yīng)大于其他澆道截面積，研制試驗(yàn)設(shè)計(jì)直澆道截面尺寸45mm×45mm，內(nèi)澆道截面尺寸
30 mmx45 mm,長(zhǎng)180mm。
2•5模型合箱
彎頭內(nèi)涂料完全干透后，將模型與澆注系統(tǒng)組裝完整，同時(shí)在彎頭內(nèi)設(shè)置抽真空鋼管，圖1中2 所示。
之前試制過(guò)程中因沒(méi)設(shè)抽真空鋼管，發(fā)生脹箱和塌箱現(xiàn)象，致鑄件不合格，經(jīng)分析討論其原因?yàn)椋簭濐^內(nèi)腔型砂緊密度和硬度不夠。彎頭內(nèi)部設(shè)置抽真空鋼管可增強(qiáng)型砂硬度和緊密度，防止脹箱等現(xiàn)象發(fā)生。
抽真空鋼管固定于彎頭內(nèi)中心位置，避免偏心與內(nèi)壁接觸，防止抽塌。將組裝好的模型整體放人砂箱內(nèi)，檢查涂料有無(wú)脫落或“露白"現(xiàn)象，若有發(fā)生及時(shí)用泥粘嚴(yán)，避免澆注時(shí)型砂進(jìn)人鑄件形成夾砂。
砂箱內(nèi)以硅砂作為型砂，模型在砂箱內(nèi)的吃砂量為：下部90、100mm，四壁與上部120、巧Omm。將砂箱置于二維震動(dòng)臺(tái)震動(dòng)1 min左右，后吊人澆注坑。表面覆蓋塑料薄膜，放置澆口杯，將潮砂覆于薄膜上，用于固定澆口杯以及防止外濺鐵液燒破薄膜而泄壓
2•6鐵液熔煉與澆注
高鉻鑄鐵的熔煉在250 kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行，按照已設(shè)定鐵液的化學(xué)成分進(jìn)行配料計(jì)算。裝爐時(shí)爐料要緊密，以求快速熔化；開(kāi)始通電6、8min 內(nèi)先以小功率送電，待電流沖擊停止后，逐漸將功率增大；熔煉過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)推料防止“搭橋"，并陸續(xù)添加爐料。待爐料全部熔化，溫度升到約1480 ℃時(shí)出鐵液，并開(kāi)啟真空泵，鐵液鎮(zhèn)靜 2、3 min后進(jìn)行澆注。澆注完成后將負(fù)壓度調(diào)整為娌025 a，抽真空保持巧min關(guān)閉真空泵，鑄件于砂箱內(nèi)保溫8 h倒箱。鑄件在空氣中冷卻。
2•7熱處理工藝
為了提高大型復(fù)合彎頭使用壽命，達(dá)到火力發(fā)電廠輸送煤粉的指標(biāo)要求，對(duì)彎頭進(jìn)行了正火和回火處理。正火和回火工藝如圖2和圖3所示。
2•8耐磨性試驗(yàn)及結(jié)果分析
為對(duì)比雙金屬耐磨彎頭與單一材質(zhì)16Mn彎頭的耐磨損性能，分別從研制成功的雙金屬?gòu)濐^及16Mn 彎頭上取樣，進(jìn)行了磨粒磨損試驗(yàn)。
時(shí)間/min 圖2彎頭正火工藝
圖3彎頭回火工藝
將試樣制成50 mmx50 mmx4 mm的試樣塊，于NUS-IS03型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，記錄試樣減重量；對(duì)試驗(yàn)機(jī)“往復(fù)次數(shù)"及試樣塊
“累計(jì)減重量"用的函數(shù)關(guān)系0軟件進(jìn)行直線擬合，分別得到如圖4所示的兩條直線，直線斜率即表示試樣的磨損率。
200 400 600 800 1000 1200 往復(fù)次數(shù)
圖4試樣往復(fù)次數(shù)一累計(jì)減重量關(guān)系圖
圖4中兩種試樣對(duì)應(yīng)的斜率分別為： Kl：7• 8× 10 5
1<2：1.6× 104 從圖4中直線斜率可以得出：雙金屬耐磨彎頭試樣的耐磨性能是16Mn材質(zhì)彎頭耐磨性能的
2 • 05倍
2•9大型雙金屬?gòu)濐^的應(yīng)用研制成功的大型復(fù)合彎頭在某電廠進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤表明：使用了18個(gè)月未發(fā)現(xiàn)穿孔失效現(xiàn)象，較該電廠原配彎頭使用壽命提高2、3倍，品質(zhì)得到該電廠的認(rèn)可。
3結(jié)論
（1） 采用消失模固液復(fù)合鑄造16Mn材質(zhì)鋼一高鉻鑄鐵復(fù)合大型彎頭，既保證了彎頭良好的焊接性能，同時(shí)擁有很高的耐磨性，大幅度增加了彎頭的使用周期，提高了煤粉輸送效率。
（2） 澆注過(guò)程中，采用豎立式階梯澆注并在復(fù)合彎頭內(nèi)添加抽真空鋼管，解決了塌箱、脹箱問(wèn)題。
（3） 與單一材質(zhì)16Mn彎頭相比，雙金屬?gòu)?fù)合彎頭的耐磨性能是其2 ℃ 5倍，使用壽命較前者提高2、3倍。