离心铸管工艺和设备及其应用

王兴正

沈阳亚特重型装备制造有限公司 辽宁沈阳 110135

离心铸管又称离心球墨铸铁管，适用于球墨铸铁管的离心铸造。球墨铸铁管采用离心铸造工艺进行铸造，离心铸管的凝固顺序为外表面先凝固，而后逐步地向里发展，直至内表面。这样生产的球墨铸铁管产生夹渣、气孔的可能性更小。离心铸管上述的凝固顺序也大大地改善了铸管的补缩条件。提高的球墨铸铁管的质量。离心机生产的球墨铸铁管其密度较高，而且其组织相对均匀、致密，同时自身铸造缺陷少。球墨铸铁管与灰口铸铁管相比，不仅强度高，韧性好，而且质量小，便于运输和安装。其机械性能接近钢管，但其耐腐蚀性能却远超过钢管。并且其购买价格也较便宜，因而球墨铸铁管自身具有明显的经济优势。

1 离心铸管特点

（1）运动特点。在离心力作用下，密度较小的质点向旋转中心移动（内浮）；密度较大质点向型壁移动（外沉）。其浮沉速度比一般重力铸造时可大约G倍，故离心铸造时密度较小的气泡、渣粒能很快移向自由表面或处于铸型中部的浇注补缩系统中，但铸件易产生密度偏析[1]。

（2）凝固特点。①凝固顺序是由铸管外表皮向内表皮凝固。②离心铸造的补缩能力强，金属液的离心力比重力大G倍，它具有较大的克服晶粒间补缩通道对晶粒间缩松进行补缩的能力。③进入离心铸型的金属液会在结晶前缘上有固液相混合区上发生相对滑动，使铸件横断面上得到倾斜状的柱状晶。若滑动剧烈，促使形成等轴晶。④进入铸型圆柱表面上的金属液是逐层覆盖在轴向上充填铸型。

2 离心铸管工艺和设备

（1）工艺。LZG系列铸管机生产球墨铸铁管采用水冷金属型离心制造法，通过喷水冷却，达到热平衡，保证金属铸型温度在适当范围内。因铸型采用调速电机带动，速度可无极调整，如生产DN100铸管，其适宜转速为1000-1200r/min。

LZG系列离心铸管机组具有结构简单、生产率高、噪音低、壁厚均匀、组织细密、尺寸精度高和自动化程度高等特点[2]。电气和液压等控制元件采用国际知名品牌，是具有国内外先进水平的成套设备。在铸造行业中得到广泛应用。

LZG系列铸管机工艺流程：①定量的铁水倒入扇形包内，流槽伸入铸型（外面有喷淋水管）内，流槽出口位于承口砂芯前面，电机带动铸型旋转，准备浇注。②扇形包在伺服电动机驱动下以恒定角速度绕轴旋转，铁水均匀的通过流槽，待承口型腔空间充满后，离心机带动铸型匀速向下移动，在流槽出口均匀流出的铁液以螺旋带的形式均匀地铺在铸型内表面上。③离心机移至最下端，铁液浇注完毕，流槽移出铸型，铁液全部凝固后，铸型停止转动。④拔管机伸入凝固的铁管内，张开钳爪，撑住铸管内壁，离心机向上移动，拔管机向下移动，将铸管从铸型内拉出。铸管由接管机从拔管机处运到运管车上，运管车将管子运至退火炉轨道处。

（2）设备。离心铸管机由浇注装置、离心机主机体、拔管机、接管机、运管车、电控系统、液压系统、冷却系统等组成。①浇注装置主要组成如下：扇形包及扇形包倾翻装置、浇铸车、随流孕育装置和模粉装置等[3]。②离心机主机体主要组成如下：离心机底座、离心机壳体、离心机承口机头、机尾、管模旋转驱动装置、管模支撑托轮组、管模更换升降托辊、芯架机构和主机行走驱动系统等。③拔管机主要组成如下：机架轨道、拔管小车、驱动装置和拔管钳等。LZG系列离心铸管机主要用于生产球墨铸铁管。

3 工艺控制要点

（1）铁水成分的控制。铁水具有合理的化学成分是保证球墨铸铁管金相组织和机械性能合格的必要条件。对生产球墨铸铁管用铁水的基本要求：化学成分合格，具有足够高的温度，铁水不氧化。

（2）铸型转速的优化。铸型的转速是一个非常重要的工艺参数。选择离心铸型转速时考虑两个问题:①离心铸型的转速应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成圆筒形，绕轴线旋转；②充分利用离心力的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内部产生缩孔、缩松、夹杂和气孔等缺陷。但是，如果铸型转速过高，离心国过大，也会造成偏析加剧和外表面裂纹等。

（3）铸型的行走速度。铸型行走速度要与铁水浇注速度相匹配。如果不匹配会造成球墨铸铁管有的地方浇不足或浇厚，轻则球墨铸铁管壁厚不均匀，严重造成废管。

（4）新技术的应用。①采用伺服电机驱动扇形包翻转系统，通过平行四连杆结构翻转扇形包，实现对扇形包翻转速度为匀速的控制，从而进一步控制从扇形包中流出的铁水为匀速等量流出，对铁水的凝固过程进行精确控制；②同时变频电机对离心铸管机行走驱动系统的齿轮齿条结构的运动进行控制，实现了离心铸管机高速运转，运动单元通过编码器闭环控制，通过PID控制调整运动精度和速度，保证了离心铸管机行走的稳定性和传递速度的可靠性，从而保证了铸管壁厚的均匀程度，提高了铸管的质量，节约了原料；③创新采用喷淋冷却系统，控制阀门的开关使冷却温度可调。对于进水可以根据不同区域（机头、机尾和机身等），进行不同的自动控制。管模冷却系统应采用可变流量设计，以控制管模温度，提高管模寿命和管子表面质量。除承插口外，可分3段控制水流量，实时监测冷却水总压力并可在操作面板上面显示压力、流量、水温等数据，冷却效果优于现有泡水冷却技术。④上芯自动化，采用机器人自动上芯机构完成上芯过程，实现高效、自动上芯。

4 现存问题及瓶颈

（1）由于砂芯中有树脂存在，在球墨铸铁管在生产过程中，承口砂芯在与铁水接触会产生黑烟及粉尘，造成车间的环境及空气质量污染。布袋式除尘方式难以收集，吸风式要求大功率电机及配套设施，暂无更环保的方法解决。

（2）小于80mm管径的铸造仍是难点，首先，浇入金属，当前仅靠浇口压力头喷射解决。其次，直径小的铸管转速高，易出现夹杂或断管等问题，有待于持续研究。

5 离心铸管机的应用

在车间上布置离心铸管机，还需对其他设备其自身的协调及配套给予有效的考量，同时对当前厂房实际的利用情况有一定的认识。以：LZG系列离心铸造机，介绍了铸管生产中常使用的两个典型流水线。

（1）冲天炉熔化铁锭→脱硫处理→感应炉对铁水提温→对铁水进行球化处理→浇注。

（2）高炉铁水→脱硫处理→感应炉对铁水提温并配成分→对铁水进行球化处理→浇注。