高温高压阀门铸件制造工艺及应用.pdf

Ma r ． 2 01 5 Vo 1 ． 6 4 NO ． 3 铸 造 F OU NDR Y 2 4 3 高温高压阀门铸件制造工艺及应用 蒋春宏，陈永丽 兰石铸造有限责任公司，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 介绍了高温高压工况TC F 8 C 阀门的制造工艺。提出不锈钢阀门类铸钢件分型面、冒口、浇注系统、冷铁等 铸造参数的选择与设置方法；采用高硅、高镍 、高温、高压双管连续吹氧及时加合金 ，快速降低炉内钢液温度和合 理供 电等工艺措施 ，实施电弧炉返回吹氧法冶炼C F 8 C 材质的冶炼工艺。实践应用表明，生产出的铸件质量完全满足 客户要 求 。 关键词阀门；C F 8 C；铸造工艺；冶炼工艺 ；电弧炉返回吹氧法 中图分类号 T G2 6 0 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 9 7 7 2 0 1 5 0 3 0 2 4 3 0 4 Ma n u f a c t u r i n g Pr o c e s s a n d Ap p l i c a t i on o f Hi g h Te mp e r a t u r e a n d Hi g h Pr e s s u r e Va lv e Ca s t i n g J ] ANG Cb un ho n g， CHEN Yo ng l i L a n z h o u L a n s h i F o u n d r y C o ．， L t d ． ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， Ga n s u ， C h i n a Ab s t r a c t Th e ma n u f a c t u r i n g p r o c e s s o f CF 8 C v a l v e c a s t i n g a p p l i e d u n d e r h i p r e s s u r e a n d h i g h t e mp e r a t u r e wo r k c o n d i t i o n wa s i n t r o d u c e d ． S e l e c t i o n a n d s e t t i n g me t h o d o f c a s t i n g p a r a me t e r s f o r s t a i n l e s s s t e e l v a l v e c a s t i n g we r e p u t f o r wa r d s u c h a s mo l d p a r t i n g ． r i s e r , g a t i n g s y s t e m， c h i l l a n d e t c ． T h e me l t i n g p r o c e s s o f v a l v e c a s t i n g ma t e r i a l CF8C i s d e s c r i b e d a s e l e c t r i c a r c f u r n a c e ba c k bl o wi ng me t h o d , ma i n p r o c e s s me t ho d i nc l ud e s h i g h b o r o s i l i c a t e a n d h i gh n i c k e l ， d o u b l e t u b e wi t h h i gh p r e s s u r e a n d h i g h t e mp e r a t u r e c o n t i n u o u s l y b l o w i n g o x y g e a d d i n g a l l o y i n t i me t o r e d u c e t h e f u rna c e t e mp e r a t u r e a n d r e a s o n a b l e p o we r ． T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t he c a s t i ng s fu l l y me e t t h e c us t o me r ’ S r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s v a l v e ； C F 8 C； c a s t i n g p r o c e s s ； s me l t i n g p r o c e s s ； e l e c tri c a r c f u r n a c e b a c k b l o wi n g me t h o d 中石化阀门零件工作环境具有高温 、高压和临氢 并含有硫化氢特点 ，其压力一般为1 4 - 2 5 MP a ，反 应系统温度高达4 0 0℃左右【 ” ，这些特点要求阀门铸件 必须采用高强度、耐磨、耐腐蚀的材质制造，且铸件 不能有夹杂 、夹渣 、气孔 、缩松 、裂纹等铸造缺陷。 我公司经组织工艺攻关 ，采用先进的铸造和冶炼工艺 ， 制造的阀门铸件完全满足客户要求。 1 技术 要求 1 ． 1 CF 8 C化学成分及力学性能要求 C F 8 C化学 成 分 要 求及 力 学 性 能 要 求 As T M A 3 5 1 见表1 、表2 所示 。 表 1 C F S C 化学成分 型 竺 P 2 1 垒 竺 2 1 苎 C S i Mn S P C r Ni Mo Nb ≤ 0 0 8≤ 2 0 0≤ 1 5 0≤ 0 0】 5≤ 0 0 2 0】 8 ．0 ～2 1 ． 09 ． 0 -1 2 ． 0≤ 0 ． 5 0 8 C～1 ． 0 O 注 N b 含量为C 含量的1 ～ 8 倍。 1 ． 2 金相检测 逐件 进行金 相结构 和侵蚀试 验 ，试 验按AS T M E 3 8 1 执行 ，夹杂物级别要求符合表3 的要求；不允许有 尺寸大于A S T M E 4 5 标准中的2 ． 5 级的偏析和带状不均 匀组织；铁素体含量4 ％～ 1 6 ％。 表2 C F S C力学性能 T a b l e 2 M e c h a n i c a l p r o p e r t y o f CF 8 C 1 ． 3 晶间腐蚀检测 逐件进行敏化态晶间侵蚀试验 ，试验方法和试验 结果应符合AS T M A2 6 2 E 法的要求。 1 ． 4 无损检测 1 ． 4 ． 1 射线探伤检测 逐 件进 行 1 0 0 ％射 线探 伤检 测 ，检测 范 围符合 AS ME B1 6 ． 3 4 ，检测方法按MS S S P 5 4 标准进行 ，检测 收稿日期 2 0 1 4 -- 0 9 - 0 9 收到初稿，2 0 1 4 ～ 1 1 _ o 6 收到修订稿。 作者简介 蒋春宏 1 9 7 1 一 ，男，硕士，高级工程师，主要从事铸造工艺及材料研究工作。E ma i l x s d ma o 1 6 3 ．c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 4 F OUNDRY Ma r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 6 4 NO ． 3 结果应符合 气孑 L ／ 缩孔，不小于2 级 ；其他，不允许。 1 ． 4 ． 2 液体渗透检测 逐 件进 行 1 0 0 ％液 体渗 透 检 测 ，检 测 按AS T M E 1 6 5 标准进行 ，检测结果应符合下列要求 ①任何线 性显示的缺陷长度不大于2 I B m；②单个圆形缺陷的尺 寸不大于4 mm；③密集缺陷 指尺寸小于0 ． 5 rai n 的集 中缺陷累积长度在任何1 0 0 mmx l 0 0 mm的面积中不 大 于2mm 2 制造工艺 加氢裂化装置阀门铸件虽在局部结构上存在着差 异 ，但共 同具备的结构特点是 ，外形呈三通管状 ，各 管道中心线在 同一平面上 ，管壁较厚且基本均匀 ，铸 件材质一般为耐蚀不锈钢C F 8 C。我公司在研制阀门铸 件 的过程 中积累 了一些经验 ，文 中将以典型的零件 D N 4 0 0 2 5 0 0 1 b 阀门的铸造为例加以分析阐述。 2 ． 1 铸造工艺 2 ． 1 ． 1 铸造工艺分析 D N 4 0 0 2 5 0 0 1 b 阀门的结构见图1 。该铸件毛坯重量 为4 3 0 0 k g ，外轮廓尺寸 1 5 3 8 mmx l 3 1 0 mm 8 4 0 mm。铸件外形呈三通管状 ，各管分别为圆环形管道， 各管道 中心线在同一平面上 ，同一轴向的两个管道管 口处有法兰 ，与其垂直方向的管道管 口部位壁厚增大 ， 各管口全部加工 ，管道主体壁厚为1 1 5 mm，管壁较厚 且基本均匀 ，管道相交处形成热节。 图l 阀门铸件剖面结构 图 F i g ．1 Va l v e c a s t i n g s e c t i o n s t r u c t u r e 该阀门铸件主体为圆环形管 ，具有圆环形铸件的 共同特征 ，各管之间同心度难以保证 ，铸件壁厚公差 较难控制 ，环形管道如何做到三个方 向的管道同时补 缩难度较大 ，所 以在设计铸造工艺时需充分考虑这些 因素。 2 ． 1 ． 2 铸造工艺设计 1 铸件收缩率的确定。该铸件选用的C F 8 C 材质 属于奥氏体不锈钢 ，在受阻收缩的请况下 ，结合铸件 结构形状 ，铸件外腔缩尺采用2 ． 0 ％，内腔缩 尺采用 1 ． 5 ％ 。 2 分型面选择。阀门要求各管道中心线在同一 平面上 ，各环形管道补缩较困难 ，因此 ，以三个管 口 的中心所在平面为分型面，将铸件分为上下两半 图 2 。 分型面的选择经过阀门铸件各管 口的中心 ，使分 型面所在的平面为阀门铸件的最大截面 ，保证阀门铸 件各管 口轴向中心线在同一平面上 ，减少铸造砂芯 的 使用 ，减少了下芯合箱装配偏差 ，避免浇注后形成披 缝 ，提高了阀门铸件各部位相对尺寸精度和表面质量 ， 造型较方便简单。 4 8 1 ． 阀门铸件2 ． 管 V I 3 ． 冒15 1 4 ． 分型面5 内 浇遭 6 ．冷铁7 ．横浇道8 ． 铬矿砂9 ． 加工量1 0 ． 补缩通道 图2 阀门铸件工艺结构示意图 F i g． 2 S c h e ma t i c o f v a l v e c a s t i n g p r o c e s s s t r u c tur e 3 浇注系统设计。阀门铸件浇注系统采用底注 式浇注系统 。底注式浇注系统内浇道基本上在淹没状 态下工作 ，充型平稳 ，可避免金属液发生激溅 、氧化 及由此而形成的铸件缺陷 ；无论浇口比是多大 ，横浇 道基本工作在充满状态下 ，有利阻渣 ，型腔 内的气体 容易顺序排出[2 ] 。 C F 8 C 材质合金元素c r 含量较高。c r 熔点高，使钢 液液相线温度上升 ，降低钢液流动性 ，浇注过程中易 产生冷隔、表面皱皮等现象。c r 在钢液中易氧化形成 氧化铬膜 ，充型紊乱时易产生氧化夹杂。浇注系统设 置时应充分考虑以上因素，保证充型快速 、平稳。 a 浇注时间。根据铸件的液重可以按表4 查出铸 件的大致浇注时间 ，结合生产实际确定铸件 的浇注时 间。该 阀门液重为9 3 5 0 k g ，根据表4 查出浇注时问在 4 0 ～ 1 5 0 S 。为保证快速平稳充型 ，结合生产实际，浇注 时间选择t 1 0 5 S 。 表4 铸钢件质量与浇注时间关系 T a b l e 4 Re l a t i o n s h i p b e t we e n s t e e l q u a l i t y a n d p o u r i n g time 质量／ k g 浇注时间／ s 5 O 0 ～l 0 0 0 l 0 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0 5 0 0 0 5 0 O 0 ～1 00 0 0 ≥ 1 0 0 0 0 l 2 ～2 0 2O ～5 0 5 0 ～8 O 4 0 -1 5 O 8 0 ～l 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铸造 蒋春宏等 高温高压阀门铸 件制造工艺 及应用 浇注时间的设置是否合适 ，可用浇注时钢液在型 腔内的上升速度 验算。液面上升速度 按公式 1 计 算 v H ／ t 1 5 6 0 ／ 1 0 5 1 5 mr n ／ s 1 式中 为铸件高度 ，mm； 为浇注时间，s 。 根据我公 司生产经验 ，浇注不锈钢时钢液在型腔 内的上升速度在1 0 ～ 2 0 mr n ／ s 之间较为合适 。 b 钢液 的质量流率。质量流率 按公式 2 计 算 V G ／ N n t 2 式中 G 为铸件质量 ，k g ；N 为 同时浇注的浇包个数 ； n 为每个浇包所用的塞座砖数 ； 为钢液的浇注时间。 计算得V 9 3 5 0 ／ 1 0 5 8 9 k g ／ s 。 C 包孔直径 。根据计算所得的钢液质量流率 ， 可以按表5 查出钢包的包孔直径。根据钢液质量流率选 择钢包包孔直径为4 6 0 mm。 表5 包孔直径与其对应的钢液质量流率的关系 Ta b l e 5 Th e r e l a tio n s h i p be t we e n p a c k a g e h o l e d i a me t e r a n d c o r r e s p o n d i n g qu a l i t y o f l i q u i d s t e e l flo w r a t e 包孔直径 b ／ mm 钢液质量流率／ k g s -1 d 浇注系统各组元截面积的计算 。用塞杆包浇 注铸钢件时 ，均采用开放式浇注系统 ，各组元截面积 比例为 F 包 1 1 ． 7 - 2 1 ． 7 - 2 2 ． 0 - 2 ． 8 根据钢包包孔直径 ，通过计算浇注系统各部分设 计 大 小 如 下 F 46 0 mm、F 48 0 mm、F 48 0 mm、F 45 0mm 4 个 。 2 ． 1 - 3 其他工艺参数的确定 我公司铸钢件生产采用冷硬呋喃树脂石英砂工艺 ， C F 8 C 不锈钢阀门也采用冷硬呋喃树脂石英砂作为造型 材料。砂型涂料采用锆英粉醇基涂料两遍打底 ，再涂 刷两遍镁砂粉醇基涂料 ，单纯的锆英粉涂料或镁砂粉 涂料 ，涂料剥离性不好 ，双层复合涂刷两种涂料 ，钢 液不容易侵蚀砂型 ，涂料层容易剥离，有效防止粘砂。 阀门管 口部位各设置一个 冒口，冒口下沿管 口设 置补缩通道 ，有利于管 口部位 的补缩 ，提高 冒口补缩 效率 ；阀门上方各管相交处各设置一个 冒口，使 阀门 铸件主体能够补缩充分 ，形成致密组织 ，同时集渣效 果显著 ；在阀门各管相交处厚大部位及管体下方施放 间接外冷铁 ，隔砂层采用3 0 ～ 5 0 m m厚铬矿砂 ，形成了 补缩末端 ，增加了冒口有效补缩距离 ，实现 了铸件顺 序凝固 ，减少了阀门铸件在凝 固和冷却过程 中产生的 缩孔 、缩松和裂纹缺陷。间接外冷铁不与铸件表面直 接接触 ，合理施放可以改善铸件表面质量。砂芯内部 合理施放退让性材料 ，吃砂量控制8 0 ～ 1 0 0 mm，有效 防止铸件产生裂纹。 2 ． 2 冶炼工艺 C F 8 C 材质因在高温高压环境使用时变形小 ，强度 大 ，耐磨耐腐蚀 ，一般被选用为阀门材质。标准 的 C F 8 C材质成分要求硫磷含量分别为S ≤0 ． 0 4 0 ％、P≤ 0 ． 0 4 0 ％，硫磷含量较高。硫含量高 ，阀门使用中硫与 氢形成硫化氢 ，硫化氢常温下可引起金属材料的应力 腐蚀开裂 ，高温高压下能引起金属材料的快速均匀腐 蚀【 3 1 ，不能满足阀门高温高压环境使用要求。为满足高 温高压阀门使用要求 ，将有害元素硫含量严格控制在 0 ． 0 1 5 ％以下 ，有害元素磷含量控制在0 ． 0 2 0 ％以下。 C F 8 C 材质合金元素含量较高，碳含量较低 ，硫 、 磷含量低 ，电弧炉返 回吹氧法冶炼过程 中主要存在以 下问题 冶炼过程 中合金元素烧损严重 ；冶炼时间较 长；炉衬烧损严重。浇注过程 中钢液表面易产生氧化 铬膜、冷隔、表面皱皮和夹杂等现象。 为解决C F 8 C 材质冶炼过程 中存在的问题 ，得到合 格的化学成分，主要采用 以下措施。 配料 9 0 ％的炉料采用本钢种高合金钢返 回料 ， 在装料前炉底加入钢液重量1 ． 0 ％～ 1 ． 5 ％的F e S i ，配入N i 到中上线。 熔化期 当炉料熔 清后 ，钢液的温度 ≥1 6 0 0℃ 时 ，根据炉渣情况 ，判断是否放渣 ，保证吹氧脱碳在 薄渣下进行。 氧化期 取试样分析钢液成分 ，将 S i 的成分调整 控制到钢液重量的1 ． 0 ％～ 1 ． 5 ％，Ni 的成分调整控制到钢 液重量的9 ． 5 ％～ 1 0 ． 5 ％，计算钢液成分铬碳质量 比，确 定吹氧温度 1 7 0 5 ～ 1 8 3 5℃ ，当炉 内钢液温度满足 要求时，将吹氧压力提高至1 ． 5 ～1 ． 8 MP a ，用两根吹氧 管连续吹氧1 8 ～ 2 2 mi n ，观察炉膛气氛 、吹氧火焰的颜 色，再次取样分析钢液成分 ，将C的成分调整控制到≤ 钢液重量的0 ． 0 3 ％。 还原期 在脱氧 良好 的白渣情况下补加F e C r 合 金 ，及时搅拌钢液 ，把露于渣面上的固体F e ． c r 合金块 推入钢液中 ，分批次加入还原剂回收渣 中的C r ，当加 入的合金露于渣面上时，采用电压2 1 0 V、电流 1 0 k A 的供电方式 ；如合金埋人渣面下时则采用电压 1 8 0 V， 电流8 k A的供电方式 ，还原期严禁短弧操作 ，电极下 降要同步。 为解决钢液流动性差 ，使铸件产生冷隔 、表面皱 加 如 ∞ 如 ∞加 ∞ ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 6 F OUNDRY Ma r ． 2 01 5 V o1 ． 6 4 No ． 3 皮 、夹杂及钢液表面氧化铬膜等问题 ，浇注时 ，应适 当提高浇注温度 ，并合理设计浇注系统缩短浇注时间 ， 同时实施氩气保护浇注。 3 铸件质量 以上工艺方案经铸造C AE 模拟确定后投人生产 ， 产品全部合格交付客户使用。化学成分检验结果如表6 所示，力学性能检验结果见表7 ，金相检验结果、铁素 体检验结果见表8 、表9 。 表6 化学成分检验结果 Ta b l e 6 Ch e m i c a l c o mp o s i t i o n t e s t r e s u l t s 炉号 试样编号C S i Mn S P C r N i M0 N b C1 3 20 6 3 C6 8 8 0 ． 0 6 0 ．71 0 ． 7 1 0 ． 0 0 7 0 ． 0 2 1 8 ． 3 9 ． 5 2 0 ． 0 7 0．0 4 9 C1 3 2 l 0 3 C7 4 8 0 ． 0 7 0 ． 7 4 0 ． 6 7 0 ． 0 0 5 0 ． 0 2 l 8 ． 91 9 ． 3 3 0 ． 0 8 0 ． 0 5 9 表7 力学性能检验结果 Ta bl e 7 M e c ha ni c al pr o pe r t y t e s t r e s u l t s 试样编号 S J mm 温度／ ℃ R 。 a ％ 4 P a R ／ MP a A o ／ ％ Z ／ ％ 执行标准 3 C6 8 8 1 2 4 ．4 9 室温 2 9 0 5 3 0 4 6 ． 5 6 6 ． 0 AS T M A3 5 1 3 C7 4 8 1 2 4 ．6 9室温 2 7 5 5 1 5 5 3 ． 5 5 9 ． 5 AS T M A3 5 1 C1 3 - 2 0 6 3 C68 8 0． 5 0 ． 5 0 ． 5 1 ．O C1 3 - 21 0 3 C7 4 8 0．5 0． 5 0 ． 5 2．0 3 ．0奥氏体 铁素体 A S T M E 3 8 1 5 ．0 奥氏体 铁素体 AS T M E 3 8 1 晶间腐蚀结果合格 硫酸． 硫酸铜法 。铸件表面 打磨达到探伤要求后 ，按AS ME B 1 6 ． 3 4 对铸件全体积 表9 铁素体 检验 结果 Ta bl e 9 Fe r r i t e t e s t r e s ul t s 进行1 0 0 ％射线探伤检测 ，无裂纹缺陷显示 ，气孔 、缩 孔、夹砂满足2 级要求 ；按AS T M E 1 6 5 对铸件表面进行 1 0 0 ％液体渗透检测，无裂纹缺陷显示 ，任何线性显示 的长度不大于2 mm，单个圆形缺陷的尺寸不大于4 m m， 密集缺陷 指尺寸小于0 ． 5 mm的集中缺陷累积长度 在任何1 0 0 m mx l 0 0 m m的面积中不大于2 mm。 4 结束语 对于阀门类铸件，合理设计分型面、缩尺、冒口、 浇注系统和冷铁等铸造工艺参数 ，可以有效防止裂纹、 缩孔 、缩松、夹杂 、冷隔等铸造缺陷的产生 ，生产出 尺寸合格的产品。采用高硅 、高镍 、高温 、高压 、双 管连续吹氧等工艺措施 ，可以实现电弧炉返 回吹氧法 冶炼C F 8 C 材质。 参考文献 [ 1 ] 吴伟阳，乐精华，董霞，等． 高压加氢装置阀门的工况要求及技 术分析 [ J ] ． 阀门，2 0 0 6 6 3 3 3 7 ． [ 2 ] 王文清，李魁盛． 铸造工艺学 [ M] ． 北京机械工业出版社，2 0 0 2 ． [ 3 ] 唐纳德皮克纳 [ 美] ，I M伯恩斯坦 ． 不锈钢 手册 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ，1 9 8 7 ． 编辑潘继勇，P J Y f o u n d r y w o r l d ． c o rn 雄邦压铸进军新能源汽车 i 2 0 1 5 年3 月 ，雄邦压铸南通有限公司新能源汽车 关键零部件生产线已完成正式投产准备。该生产线 今年1 月份试生产， 将于4 、 5 月份正式 投产， 此条生 产线未来将给公司带来上亿元的销售额。 雄邦压铸南通有限公司位于高新区，由广东文 灿压铸股份有 限公司投资建办 ，总投资7 5 0 0 万美 元，是一家集模具设计 、制造、铝合金压铸 、精密 加工等于一体的企业 ，所产汽车零部件广泛应用于 奔驰 、宝马 、沃尔沃、福特等品牌汽车。公司2 0 0 9 年3 月正式投产 ，短短5 年时间 ，实现年销售5 ． 6 亿 元，纳税4 8 0 0 万元。雄邦压铸南通有限公司作为长 三角地 区最大的汽车压铸企业 ，一直在用强有力的 数据证明着实力。 今年，雄邦压铸又有了新动作 ，他们瞄准全球 发展新能源汽车的趋势，新增 了新能源汽车关键零 部件生产线。 “ 我们去年和美国特斯拉公司签订了战略合作 j伙 伴 关系， 目 前 正 在进 行 特斯 拉车门 等关 键零 部件 ． ．． ．。 。． ． ．。 ．十． ． ． ． ． ． 。 ． 。． ． _ 的研发 。 ”公司管理部经理王俊有介绍。在生产车 间，大型压铸设备与精细模具成排排列 ，在工作人 员操控下 ，多个机器人手臂正在井然有序地进行压 铸等工序。在如此高端流水线 上生产 的产品具有 “ 轻 、耐腐蚀、安全性高”的优势，王俊有介绍 ，与 传统 的焊接或冲压成型相比，雄邦压铸采用一次铸 压成型工艺， “ 一次铸压有高强度、轻量化的效果， 也是国际汽车行业发展的方向和趋势。 ” “ 以人为本，技术先导”是雄邦压铸的基本理 念 ，目前 ，公司已组建以著名 日本压铸专家为核心 的技术团队，现有各类技术人员5 0 余名 ，并配备各 类辅助设计系统。 “ 除稳定的技术研发和生产队伍 外 ，我们还需要新鲜的 ‘ 血液 ’ 。 ”王俊有说， “ 企 业最终的竞争实际还是人才的竞争 ，所以我们还需 要大量数控 、模具 、电器工程 自动化 、机电一体化 等专业技术人员加入 ，共同提升公司的研发能力。 ” 来源南通市政府网 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m