林雪川，梅燕娜，要曉瑞

（廣東新興鑄管有限公司，廣東陽(yáng)春 529600）

離心球墨鑄鐵管又稱球墨鑄鐵管，防腐性能強(qiáng)、延展性能好、力學(xué)性能高、密封效果好、安裝簡(jiǎn)易，主要用于市政、工礦企業(yè)給排水等，具有很高的性價(jià)比，是供水管材的首選。2022 年，住建部、發(fā)改委發(fā)布《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)“十四五”規(guī)劃》，預(yù)計(jì)新建改造供水管網(wǎng)10.4 萬(wàn)公里，預(yù)計(jì)新建改造污水管網(wǎng)8 萬(wàn)公里[1]。同時(shí)，各省市也積極響應(yīng)“十四五”規(guī)劃中提出的城市管網(wǎng)建設(shè)及改造的相關(guān)目標(biāo)而出臺(tái)了一系列利好政策，離心球墨鑄管行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展向好，發(fā)展空間較大。2021 年，新興鑄管球墨鑄鐵管產(chǎn)量已達(dá)到近300萬(wàn)噸。為了打造鑄管行業(yè)龍頭，進(jìn)一步提高公司以及產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從多方面入手，包括生產(chǎn)、質(zhì)量、銷售等。球墨鑄鐵管壁厚的均勻性是質(zhì)量提升方面重要的一環(huán)。

1 壁厚不均勻

鑄管壁厚不均容易造成多方面問(wèn)題：壁厚過(guò)厚、鐵液浪費(fèi)及鑄管內(nèi)徑偏小，成本升高；壁厚過(guò)薄，容易造成局部不滿足使用要求，可能在使用過(guò)程中出現(xiàn)爆管；還可能出現(xiàn)鑄管彎曲或呈現(xiàn)橢圓的情況[2]。

壁厚不均勻一般包括軸向壁厚不均勻和徑向壁厚不均勻兩個(gè)方面。

1.1 軸向壁厚不均勻

在鑄管長(zhǎng)度方向的縱向斷面上壁厚不均勻，嚴(yán)重時(shí)成喇叭口狀或者承插口部位壁厚過(guò)厚或過(guò)薄，并產(chǎn)生澆不足、缺肉的現(xiàn)象，一般發(fā)生在DN1000 規(guī)格以下的水冷金屬型鑄管生產(chǎn)過(guò)程中。

1.1.1 扇形包鐵液澆注速度的影響

離心球墨鑄鐵管是采用等角速度、等流量的扇形包澆注而成。當(dāng)扇形包的尺寸合適時(shí)，其在單位時(shí)間內(nèi)供應(yīng)鐵液量是相同的，如果扇形包的內(nèi)襯在使用過(guò)程中發(fā)生侵蝕，包內(nèi)會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣的情況，如圖1 所示；或者修包過(guò)程中，包的幾何尺寸發(fā)生改變，不規(guī)則，都會(huì)造成鐵液在澆注過(guò)程中流量不均勻。

圖1 扇形包結(jié)渣

由于水冷金屬型的冷卻速度比較快，鐵液流入管模后很快就會(huì)凝固，鐵液自動(dòng)調(diào)整壁厚的作用就會(huì)減弱，無(wú)法起到補(bǔ)縮的作用，從而容易形成軸向壁厚不均勻。而熱模法澆注時(shí)，管模冷卻慢，鐵液可長(zhǎng)時(shí)間保持液態(tài)，在較大范圍內(nèi)流動(dòng)，調(diào)整壁厚，從而不會(huì)造成軸向壁厚不均勻。

1.1.2 工藝參數(shù)的影響

澆注槽與管模之間的相對(duì)軸向移動(dòng)速度與扇形包的翻轉(zhuǎn)速度配合不當(dāng)，插口的減速控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，流槽出口端在承口、插口停留位置和時(shí)間不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，都會(huì)造成鐵液在這些部位的分配量不合適，造成軸向壁厚不均勻。

（1）離心澆注承口型腔的過(guò)程中，主機(jī)必須要停留一段時(shí)間，如果該時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，承口鐵液充滿后，會(huì)向插口方向流動(dòng)，導(dǎo)致承口段與直管段部分鐵液過(guò)多，壁厚增大；反之停留時(shí)間過(guò)短，可能承口無(wú)法充滿，導(dǎo)致承口部分壁厚過(guò)薄。在離心澆注結(jié)束時(shí)，為了保證插口充分澆注成型，主機(jī)需慢行一段距離且停留一段時(shí)間，同時(shí)與翻包回落時(shí)間相匹配。如果翻包回落時(shí)間和主機(jī)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的話，插口部分壁厚增大，反之變薄。

（2）離心機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，鐵液受到的離心力相對(duì)較小，導(dǎo)致鐵液軸向流平的趨勢(shì)下降，減少了鐵液軸向流平供鐵系統(tǒng)的補(bǔ)充作用，造成壁厚不均勻。

（3）澆注溫度的影響。澆注溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使承口部位的壁厚增大；澆注溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)使插口部位的壁厚增大。

1.1.3 設(shè)備的影響

（1）設(shè)備的運(yùn)行精度和可靠性達(dá)不到要求，會(huì)造成在澆注過(guò)程中主機(jī)走速、扇形包翻轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化，使得鐵液在澆注過(guò)程中的供應(yīng)量不均勻。

（2）管模和離心機(jī)振動(dòng)的影響。振動(dòng)越大，壁厚的不均勻程度越大。

（3）澆注流槽的影響。如果澆注流槽高低不平、不平滑，鐵液在流動(dòng)過(guò)程中的阻力增大，或者出現(xiàn)紊流情況，會(huì)造成鐵液流量出現(xiàn)短瞬的不均勻性。

1.2 徑向壁厚不均勻

鑄管徑向斷面的不同方向壁厚不一，或者一側(cè)偏厚，一側(cè)偏薄。

主要原因包括：管模安裝調(diào)整不當(dāng)、管模彎曲或壁厚不均勻，造成管模本身軸線與離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生偏離導(dǎo)致。在變化的半徑上，不同的點(diǎn)具有不同的線速度，導(dǎo)致不同切向加速度。在半徑最小處，離心力、線速度和切向加速度是最小的，金屬鐵液的聚集使壁厚增大，在半徑最大處，壁厚減小。徑向壁厚差值的大小與管模軸線偏移值、彎曲程度、管模的旋轉(zhuǎn)速度以及金屬鐵液的結(jié)晶速度有關(guān)。

2 試驗(yàn)及措施

關(guān)于鑄管壁厚均勻性問(wèn)題，結(jié)合新興鑄管現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，具體問(wèn)題具體分析，經(jīng)過(guò)多方面論證，最終從扇形包、流槽以及冷卻等方面入手進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2.1 扇形包

球墨鑄鐵管生產(chǎn)過(guò)程中，扇形包實(shí)現(xiàn)鐵液在澆注過(guò)程中的等流量。

2.1.1 扇形包形狀

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所有扇形包的檢查發(fā)現(xiàn)，扇形包的砌修形狀不一，如圖2 所示。這樣便造成在澆注過(guò)程中，扇形包在單位時(shí)間內(nèi)供應(yīng)鐵液量是不相同的，流量不均勻，從而導(dǎo)致壁厚不均勻。

圖2 扇形包砌修不一

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)扇形包的形狀尺寸制定了統(tǒng)一的制作和維修標(biāo)準(zhǔn)，如圖3 所示。但扇形包弧度（圓弧曲率）無(wú)法進(jìn)行人工測(cè)量，根據(jù)不同規(guī)格不同扇形包的弧度，制作了專用工具弧度卡板，用來(lái)檢測(cè)扇形包弧度是否合格，如圖4 所示。

圖3 DN350-600 扇形包制作和修包標(biāo)準(zhǔn)

圖4 弧度卡板

為了進(jìn)一步驗(yàn)證扇形包弧度對(duì)于壁厚均勻性的影響，選取同規(guī)格兩個(gè)扇形包進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，一個(gè)扇形包按照標(biāo)準(zhǔn)制作維修，弧度合格，另一個(gè)扇形包未按照標(biāo)準(zhǔn)制作維修，弧度不合格，如圖5 所示。在澆注參數(shù)相同的情況下，各澆注50 支管，抽取負(fù)公差接近的鑄管，統(tǒng)計(jì)鑄管的壁厚極差進(jìn)行對(duì)比。

圖5 試驗(yàn)扇形包

抽取10 支管做壁厚極差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6 所示，弧度合格包的鑄管壁厚極差≤1.5mm 占比70%，弧度不合格包的鑄管壁厚極差≤1.5mm 占比40%，相差30%。由此可見，扇形包弧度對(duì)壁厚均勻性影響比較大。

圖6 試樣管極差分析

2.1.2 扇形包翻包

通過(guò)對(duì)扇形包制作及修包的規(guī)范，鑄管壁厚的均勻性有了很大的提高，但實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)鑄管壁厚進(jìn)行抽查檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)承插口壁厚總體偏厚，中間直管段壁厚偏薄。為了進(jìn)一步提高鑄管整體壁厚的均勻性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)扇形包的快翻包參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

承口壁厚主要受扇形包快翻延時(shí)及快翻速度兩個(gè)參數(shù)影響，插口壁厚主要受扇形包翻包返回延時(shí)影響。

以DN400 普通管為例，在澆注過(guò)程中，離心機(jī)扇形包快翻延時(shí)參數(shù)通常設(shè)定為0.8～1.4 s，快翻速度設(shè)定為600～630 r/min，翻包返回設(shè)定為4300～4400 mm，離心機(jī)通過(guò)降低這三個(gè)參數(shù)來(lái)降低承插口鐵水流量，從而達(dá)到控制壁厚的目的。當(dāng)班生產(chǎn)順暢后，扇形包快翻延時(shí)開機(jī)使用0.8 s，快翻速度使用600 r/min，翻包返回使用4300 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，每次對(duì)快翻延時(shí)進(jìn)行降低0.1 s 的調(diào)整，快翻速度降低10 r/min，翻包返回減小10 mm，每次對(duì)調(diào)整后的管身打標(biāo)記，出退火爐后進(jìn)行壁厚檢測(cè)。同時(shí)在當(dāng)班生產(chǎn)過(guò)程中，如果出現(xiàn)包嘴粘渣的情況，根據(jù)粘渣的程度，逐步增加快翻延時(shí)0.1 s，快翻速度10 r/min，翻包返回延時(shí)增大10 mm，防止因鐵水流量減小造成承口部分壁厚減薄。

經(jīng)過(guò)10 個(gè)班次的參數(shù)摸索、壁厚數(shù)據(jù)的積累，最終將扇形包快翻延時(shí)穩(wěn)定在0.6～0.8 s，快翻速度為穩(wěn)定在560～580 r/min，翻包返回穩(wěn)定在4200～4300 mm，扇形包包壁粘渣即增加參數(shù)，根據(jù)粘渣情況隨時(shí)調(diào)整，扇形包新包降低相應(yīng)的參數(shù)。通過(guò)對(duì)參數(shù)精細(xì)的調(diào)整，DN400 承插口壁厚降低，壁厚均勻性進(jìn)一步提高，離心機(jī)DN400 的11 點(diǎn)壁厚極差≤1.5 mm 占比達(dá)到68.4%。較初期提高25.3%，壁厚均勻性明顯提高，壁厚均勻性檢測(cè)如圖7 所示。

圖7 壁厚均勻性

2.2 流槽

流槽的角度、光滑度等都對(duì)壁厚的均勻性有一定的影響。新興鑄管某臺(tái)水冷離心機(jī)設(shè)計(jì)主機(jī)軌道斜度為1.15°，但鐵液澆注過(guò)程中流動(dòng)速度慢，對(duì)軌道斜度進(jìn)行測(cè)量，斜度減小，從而導(dǎo)致承口沖型能力降低，在澆注過(guò)程中流槽中鐵液寬度比較寬，在扇形包回落后，流槽內(nèi)鐵液澆注到管模插口鐵液量減少，致使插口1～1.5 m 處壁厚不足。

經(jīng)過(guò)討論分析，決定在離心機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)上加大流槽斜度，加快鐵液流動(dòng)速度，將溜槽底座整體加高30 mm，轉(zhuǎn)溜槽轉(zhuǎn)盤支撐向下調(diào)整，形成較大的溜槽坡度。首先對(duì)該臺(tái)離心機(jī)南側(cè)流槽進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)。

改善前后流槽鐵液痕跡有明顯變化，如圖8所示。改善前，流槽鐵液痕跡寬，且彎曲，經(jīng)測(cè)量寬度為50 mm，厚度為5 mm，說(shuō)明鐵液流動(dòng)速度較慢；改善后，流槽鐵液痕跡變窄，且比較直，經(jīng)測(cè)量寬度為30 mm，厚度為3 mm，說(shuō)明鐵液流動(dòng)速度加快。

圖8 改善前后流槽鐵液痕跡及其寬度厚度對(duì)比

2.3 冷卻

影響鑄管壁厚均勻性的原因很多，為了進(jìn)一步加強(qiáng)鑄管插口的壁厚均勻性，計(jì)劃通過(guò)對(duì)插口的冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。在新興鑄管兩臺(tái)水冷離心機(jī)插口端蓋上方加裝冷卻水，如圖9 所示。水源取自離心機(jī)機(jī)體的循環(huán)水，在鐵液凝固拔管之前打開循環(huán)水閥門進(jìn)行冷卻，加快管道插口冷卻增加強(qiáng)度防止鑄管變形，經(jīng)過(guò)連續(xù)生產(chǎn)，達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 離心機(jī)加裝冷卻裝置

3 結(jié)論

（1）通過(guò)制定扇形包制作和修包標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了扇形包的形狀尺寸，扇形包弧度合格澆注的鑄管極差值≤1.5 mm 的比例較弧度不合格澆注的鑄管極差值≤1.5 mm 的比例提高30%。

（2）通過(guò)對(duì)扇形包快翻延時(shí)、快翻速度、翻包返回延時(shí)三個(gè)參數(shù)摸索，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，DN400 的11 點(diǎn)壁厚極差≤1.5 mm占比較初期提高了25.3%，壁厚均勻性得到明顯提高。

（3）通過(guò)在離心機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)上加大流槽斜度，提高鐵液在流槽中流動(dòng)速度，降低鐵液寬度，鐵液痕跡直且厚度變薄。

（4）通過(guò)在離心機(jī)插口端加裝冷卻裝置，有效控制鑄管插口壁厚，防止鑄管插口變形，達(dá)到了控制鑄管壁厚均勻性的預(yù)期目的。