水冷球墨铸铁煤气管气密性不合格原因分析及改进措施

陈建波，李志杰，孟 新，李 强，岳晓璇

（新兴铸管股份有限公司，河北邯郸 056300）

关键字：水冷球墨铸铁煤气管；气密性；疏松

随着“十三五”规划中加快新型城镇化步伐的提出，加快农业转移人口市民化，推进城乡发展一体化，新一轮的城市化建设袭来。作为建设中的一部分，煤气管道将迎来新一轮的爆发。目前国内用于城市煤气中压管道的管材主要有钢管、灰口铸铁管、球墨铸铁管、PE管等等。无论从管材性能还是从造价上面，球墨铸铁管都有较大的优势。

1 球墨铸铁煤气管生产现状

近几年来，球墨铸铁煤气管是一款差异化产品，是特殊管型的主打产品，拥有极高的市场占有率。但由于较低的气密性合格率，造成生产成本的提高及人员的浪费，在生产中不得不多生产20%的富余量来确保满足订单。在当前全球球墨铸铁管行业竞争越来越激烈的情况下，企业不仅要推进降本增效，而且要进行技术创新。对于该产品，通过采取有效措施，最大限度提高其气密性合格率，已经迫在眉睫。

水冷球墨铸铁煤气管气密检验工序为：用气密机胶圈密封住煤气管成品承、插口两端，将管身降到水面以下，然后通过气密机向煤气管内进行充气，若水面以下的管身有气泡冒出，即该煤气管气密性不合格，判定为废品，如图1所示。

图1 气密性检验示意图

2 气密性不合格分析

对气密性不合格煤气管进行分析，发现管身内壁及外壁外观无冷隔、微裂纹等缺陷，且金相合格。但是绝大多数气密性不合格煤气管的不合格断口处全部存在疏松缺陷，这样就造成管壁实际壁厚不足，如图2所示，可以判定疏松是造成气密性不合格的最主要原因。另外还有一部分的不合格断口处存在气孔缺陷，且无法在水压处检测出来。

图2 疏松缺陷

3 气密性不合格原因分析

3.1 管壁疏松

根据生产经验可知，影响球墨铸铁管管壁疏松的因素主要为铁水纯净度、生产节奏、扇形浇包结构等。

3.1.1 铁水纯净度

对所有气密性不合格煤气管进行统计分析，发现承口法兰处和钻眼处漏气比例达到75%以上。通过对不合格产品的破解，对承口法兰处和钻眼处进行断口分析，发现承口漏气位置处含渣量比较高，并且皮下有微小针孔串联在一起。分析造成这种情况的原因一般是球化铁水温度偏低，铁水纯净度较差；铁水成型后冷凝收缩较慢，致密度较低。

3.1.2 生产节奏

相对于普通T型接口管而言，NS接口与同等规格管型的班产相比只有普通T型接口的二分之一。由于NS管拔管困难，生产节奏慢，机时产量低会导致铁水温降较大，流动性随之变差。较差的铁水流动性造成在浇注成型的过程中铁水与渣层分离困难，夹渣量变大，导致致密度下降。

3.1.3 扇形浇包结构

现有扇形浇包结构如图3所示，在每次浇注完毕后，扇形包底部残余铁水较多，这就造成了铁水的温降较快，新兑入的铁水温度在向残余铁水传递的过程中，温度下降，尤其是在生产受阻、节奏较慢的情况下，铁水温降更加严重，降低铁水流动性。此外，现有扇形包包嘴较小，第一股铁水的流量往往达不到要求。

图3 扇形包浇注后剩余铁水

3.2 皮下气孔

皮下气孔主要是由于气体的产生和排气不畅的因素所造成，主要包括管模内表面的附着物、铁水中的氧含量过高等[1]。

3.2.1 管模内表面附着物

新换管模内表面有黏附的润滑脂等，在浇注过程中，高温使这些油脂气化，从而产生大量气体，在球墨铸铁管凝固过程中，这些气体来不及排除就会在管身处形成皮下气孔。

在换新管模、设备检修或者生产停滞时间过长的过程中，管模内表面由于温度过低会吸附大量的气体和水蒸气；管模使用时间过长，在管模内表面会有龟裂产生，增加内表面吸附面积，吸附气体和水蒸气会相应增多。在浇注过程中，这些气体来不及排除就会在管身形成皮下气孔。

3.2.2 铁水中氧含量

铁水中氧含量过高会导致气孔针孔的形成[2]。氧与铁水中的碳发生下列反应：

随着铁水温度的升高，铁水中的平衡含氧量会升高，当铁水温度降低到一定温度后，平衡氧会达到饱和状态而析出，和铁水中的碳发生反应生成CO气体。

另外，导致产生气孔的原因还包括其他工艺因素。例如：潮湿的炉料、硅铁以及中间合金等物料可能会带入氢气；浇注过程中如果铁水飞溅，在管模中高速旋转的铁水也会卷入空气；管模的气体排出能力差等。

4 改进措施

4.1 提高浇注铁水纯净度

增加球化铁水净置时间，采用小功率保温，使用聚渣剂，能更好地去除夹杂物，有利于渣层的分离，进而提高铁水的纯净度[3]。生产实践表明，熔炼铁水中较高的废钢比例能有效提高铁水的冷凝速度，所以在不改变现有熔炼工艺的基础上，将废钢质量分数由原来的10%提高到30%以上，以加速铁水冷凝。

扇形包中的残渣要及时清理出去，避免在浇注过程中随铁水进入管子中；流槽要在每次浇注后进行清理，并涂刷涂料，确保流槽的整洁光滑，无残渣残铁。

4.2 改变生产节奏

通过分析得知较小的管模坡度会造成红管拔管困难。此外，现有的拔管钳采用三爪结构，如图4a）所示，且所用材质单薄，拔管中受高温影响极易产生形变，造成拔管钳与红管不同心，加大拔管难度。以上两点都在一定程度上影响了生产节奏。

针对以上两点，对此类球墨铸铁管的管模坡度进行改造，将管模通身打磨后，在插口内径不变的基础上，从插口端到承口端，每隔1 m将原有内径扩大0.5 mm，从而有效地提高了坡度。此外将拔管钳支撑板处进行加厚处理，将拔管钳三爪结构改造为四爪，如图4b）所示，提高了拔管钳的强度及抓力，提升了拔管的效率。

图4 拔管钳结构示意图

4.3 改造扇形浇包结构

对相应扇形包进行结构改造，如图5所示，将包嘴加宽，由原来包嘴宽120 mm，增宽至160 mm.增大浇注中铁水的流出量；将扇形包进行重新设计，填充了部分包底，减少浇注后残余铁水量，将残余铁水量由之前600 kg降为200 kg.

4.4 保持管模内表面整洁

定期检测管模内表面附着物情况，并进行及时清理；尤其是新管模和维修后的管模，必须及时进行清理管模内表面的油脂和杂物；对于出现严重龟裂的管模，要进行及时焊补修复，消除裂纹。

4.5 控制铁水中含氧量

控制含氧量的措施包括[3]：烘烤预热扇形包、流槽、落槽等工具，使其保持干燥；烘烤预热废钢、孕育剂、模粉、硅铁等金属炉料；球化过程中，喷吹惰性气体；控制浇注温度在1 340℃～1 360℃；增大循环冷却水流量，加快冷却凝固速度；浇注过程中，保持浇注平稳，防止铁水飞溅卷入气体。

图5 扇形包改造

4.6 提高排气能力

在管模上钻排气孔，提高管模排气能力；保证一定管模粉量，可填充管模裂纹驱赶气体。

5 改进效果

通过提高铁水纯净度，合理设计扇形包容积，将废钢质量分数提高到30%以上，对拔管钳和管模进行改造处理后，班产由100支提高到150支以上，对扇形包包嘴进行改造后，气密性合格率对比如表1所示。

表1 实施措施前后气密性对比

由表1可知，实施措施后2018年气密性合格率较2017年提高了14.77%，较2016年提高了19.35%.

6 总结

针对造成球墨铸铁煤气管气密性差的原因，采取提高球化铁水出铁温度、增加废钢加入比例、优化管模坡度、改进拔管钳结构等措施，消除缩松，减少针孔气孔的概率，能够有效提高产品的气密性，极大降低了订单生产的富余量，节约了生产成本并对组织生产带来很大益处。