阀门前壳体顺序定向凝固铸造工艺的分析与应用

科技 2024-11-01 16:58 河南

摘要：介绍了双层锥壳结构铸件顺序定向凝固铸造工艺的技术特性，分析了阀门前壳体铸造工艺的操作规程，给出了薄壁型铸件射线探伤和超声及磁粉探伤的检测数据和结果。

关键词：阀门壳体; 铸造工艺; 顺序定向凝固; 隔砂外冷铁

1 概述

阀门铸件质量除了受铸冶设备、铸造材料及操作过程等因素影响外，铸造工艺设计对铸件质量的影响是决定性的。对于用于高温、高压、临氢、高压氧气、抗高硫、低温和其他危险介质工况及有射线探伤要求的阀门铸件等，获得优质铸件质量的重要措施是铸件在凝固成形时，实现其顺序定向凝固，从而使铸件在凝固时始终存在着与冒口贯通的补缩通道，使冒口能进行充分的补缩，获得无缩孔和无缩松的致密铸件。随着铸造零件的复杂程度不断提高，阀门的双层或多层壳体铸件对其铸造工艺提出了更高的要求。

2 工艺特性

阀门前壳体为一典型的且均匀的薄壁件，壁厚为20 mm，如果不采取特殊工艺措施，将无法加工出满足要求的铸件。在阀门前壳体铸造工艺设计上，采取了壁厚加厚，冷铁布置、顺序定向凝固及设计保温发热明冒口等一系列的措施。

2. 1 壁厚加厚

将阀门前壳体的外锥体的外壁采取上部加厚(图1 实体中三角形部分) 且斜坡至下法兰颈部。外锥体的斜度及尺寸，以铸件最底部的壁厚为基准，做一系列的内切圆的外围切线形成了外锥体的外壁，逐步到达铸件的顶部，再向上形成了冒口，形成合理的冒口高度及宽度，从而得到冒口的尺寸。内切圆2是内切圆1直径的1.3~1.8倍，内切圆3是内切圆2直径的1.3~1.8倍，依次类推，最终形成内切圆7是内切圆6的直径的1.3~1.8倍。从而造成在其纵断面上向着冒口温度递增的温度差，即形成温度梯度，保持铸件的外锥体在凝固时始终存在着与冒口贯通的补缩通道，使冒口能对外锥体进行充分的补缩，获得无缩孔和无缩松的致密外锥体。

2. 2 冷铁布置

将下法兰的上、下面及下法兰颈部外围设计并计算出放置的外冷铁的形状、尺寸及数量，如图2 所示。外冷铁分成小块，其长度是宽度的2倍，宽度为铸件的宽度1~1.5倍。冷铁间角度为30°~60°，冷铁间距离为3~5mm，并且外冷铁的厚度为该处铸件厚度的1~1.5倍。这样的布置方法，确保下法兰及下法兰颈部优先于阀门前壳体的外锥体凝固，从而配合《前壳体》的外锥体实现顺序定向凝固，以获得致密的外锥体铸件。

2. 3 形成温度梯度

将阀门前壳体内锥体的内壁采取上部加宽至足够的厚度，且斜坡至下部(图3) ，以确保满足内锥体实现顺序定向凝固的要求。同时，造成在其纵断面上向着冒口温度递增的温度差，即形成温度梯度，从而使铸件的内锥体在凝固时始终存在着与冒口贯通的补缩通道，使冒口能对内锥体进行充分的补缩，获得无缩孔和无缩松的致密内锥体。

2. 4 排气孔及隔砂外冷铁

因为阀门前壳体的内锥体是通过6 根拉筋(其厚度为20mm) 进钢液后成形的，因此，进来的钢液是降低了温度的较冷的钢液。而首先进入的钢液最先到达的部位为其内锥体的头部，所以，经过钢水温度损失模拟计算，将其内锥体的底部内壁20mm 加厚了6mm，使其厚度变成了26mm，以提高钢液的容量和温度。同时，铸造工艺要求在该处砂芯上扎通3个Ф6mm的排气孔，制芯时又放了隔砂外冷铁，目的是让该部位(最低点、又被外锥体的钢液包围) 快速凝固，以免钢液吸气而产生气渣孔，保证能浇注出无缺陷的内锥体。

内锥体的芯头(№1) 应压住下锥体的流道口，下锥体的芯头(№2) 自重应达到下锥体流道内芯子的一倍重，这样确保“不飘芯”，砂芯(№3) 形成铸件的外形。设计其铸造工艺时，将整个阀门前壳体的铸件均放在下箱(铸造造型时用的砂箱) 里，确保铸件尺寸不因造型和合箱时产生偏差。设计其铸造工艺时，浇注系统采用先从底部法兰处切线注入钢液，以便能将铸型内部的气体和钢液的脏物冲刷，螺旋上升旋转排出至冒口。

2. 5 保温发热明冒口

在上法兰的上平面及内锥体的上平面上，设计了4个横跨上法兰的上平面及内锥体的上平面的L×B×H(长×宽×高) 的保温发热明冒口(图4) 。设计其铸造工艺时规定，浇注时当钢液上升至明冒口高度的1/3时，改为直接以明冒口对角线的方式，轮换从明冒口中浇注入钢液。其结果一是浇注的钢液是高温的，有利于提高冒口中的钢液的温度，形成更好的温度梯度。二是浇注钢液时产生的动能，可以将原来冒口中的枝晶打碎熔化，而且浇注钢液时产生的动能有利于更好的补缩铸件。

对于质量要求高的特殊铸件，其铸件工艺出品率N(%) 计算为

铸件重235.4kg，冒口共重420kg，浇道重20kg，计算得出N(%)=39%。从铸件的工艺出品率为39%，说明对双层锥体薄壁件，釆取了充分的补缩措施，从而可获得优质的无缩孔和缩松组织致密的铸件。

2. 6 保温覆盖剂

铸件浇注后，在明冒口上部加盖保温覆盖剂，对冒口中的钢液进行保温，以延迟冒口中的钢液的凝固时间，增强冒口对铸件的补缩功能。

3 铸件质量

铸件要求能布片的地方实施100% 进行射线探伤及100%进行磁粉探伤和超声波探伤( 图5) ，全部区域磁粉探伤，按照阀门受压件磁粉检测^[4]，Ⅰ级合格。

按高压加氢装置用阀门技术规范^[5]的( 或ANSE B16-34) 的要求进行射线探伤，按照阀门受压铸钢件射线照相检测^[6]，Ⅱ级合格。机加工面( 除筋板两端) 超声波探伤，按照铸钢件超声检测^[7]，Ⅰ级合格。

从射线探伤检测结果表明(表1) ，无缺陷片达83.3%，，且无缩孔类，无缩松，无夹渣类缺陷，仅气孔类Ⅰ级片占12.5%，Ⅱ级片占4.2%，因此，该铸件铸造质量为优等。

4 结语

阀门前壳体采取了壁厚加厚，冷铁布置、顺序定向凝固及设计保温发热明冒口等一系列的措施，为制作双层及多层复杂铸件提供了合理的铸件工艺程序，满足了阀门前壳体铸造工艺设计的要求，提高了铸件的表面质量和性能，减少了缺陷的发生。从射线探伤检测结果表明，该铸件质量为优等品。

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