欢迎来到山东山诚机械科技股份有限公司!
打开客服菜单
山东山诚机械科技股份有限公司
当前位置: 山诚铸造 > 泵体铸件 > 一种双相钢(2205)材质、大流量单级双吸式离心泵的铸造工艺

一种双相钢(2205)材质、大流量单级双吸式离心泵的铸造工艺

  • 产品参数1:
  • 产品参数2:
  • 产品参数3:
  • 产品参数4:
产品描述




摘要:通过对铸造工艺方法、材质配料熔炼的重新设计、计算,采用树脂砂造型方法、保温发热冒口工艺、随型冷铁激冷方式,解决了此类型中开泵传统铸造工艺中,易缩松、易裂纹、多气孔三大缺陷问题,并采用中频炉熔炼CrN铁加氮方法,使2205材质(国标牌号ZG03Cr22Ni6Mo3N)中的氮元素含量保持更加稳定,也寻找到了更优、更经济的材料配比,使得此材质中开泵在所应用的领域中,更加适用于严厉的工况,铸件强度、耐腐蚀性、抗汽蚀、抗点蚀能力更为出色、突出,耐点蚀当量PREN达到34以上。


关键词:2205双相钢、单级双吸式离心泵、树脂砂、保温发热冒口、中频炉熔炼、CrN铁、耐点蚀当量PREN


Abstract: By melting casting process method, material ingredients of design, calculation, resin sand molding method, heat insulation riser technology, along with the type of cold iron chill, solves this type of pump in the traditional casting process, easy to shrinkage, easy to crack, blowhole three defects, and by adopting the method of intermediate frequency furnace smelting CrN iron and nitrogen, The nitrogen content of 2205 material (national standard brand ZG03Cr22Ni6Mo3N) is kept more stable, but also to find a better, more economical material ratio, so that the material in the field of application, more suitable for severe working conditions, casting strength, corrosion resistance, cavitation resistance, pitting resistance ability is more excellent, outstanding, The pitting resistance equivalent PREN reaches more than 34.


Keywords: 2205 double-phase steel, single-stage double-suction centrifugal pump, resin sand, thermal insulation heating riser, intermediate frequency furnace smelting, CrN iron, pitting resistance equivalent PREN

 

近年,石油、化工、电力、冶金、船舶领域不断发展,各行业呈现繁荣向上的趋势,对于大流量的单级双吸式离心泵(大型中开泵)需求量逐日增多,行业内对这种大型中开泵的铸件质量、材料性能以及所适用的工况等要求也更加严格、苛刻;在耐腐蚀的材料中,以2205为代表的双相钢材质,兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起,这种优越的性能在氯蚀严重的环境中,应用更为广泛,寿命周期也更长;而中开泵结构复杂,型腔内排气不畅,铸造热节分布不均匀,最终凝固点分散且多,铸造工艺布置补缩冒口存在困难,经过长期的经验积累,从熔炼和造型等工艺方法上进行不断摸索,总结出更为经济、更为有效的应用技术,来制造出性能、质量都合格的双相钢材质中开泵铸件产品。




一、中开泵结构特点和技术要求


该类铸件为结构复杂件,结构如图1所示,材质为2205(ZG03Cr22Ni6Mo3N),毛坯重700kg,壁厚不均,导流板厚度12mm,吸入室与排出室最大壁厚70mm,凝固后期形成多处独立且分散的热节,容易形成缩松、缩孔、打压渗漏等缺陷,需要合理设置冒口、冷铁和浇注系统,铸造尺寸精度要求CT10级。其力学性能要求抗拉强度≥600MPa,屈服强度≥420MPa,延伸率≥20%,冲击功≥30J。

离心泵泵体铸件 (1)
离心泵泵体铸件 (2)

图1    中开泵泵体铸件三维图



二、模具准备


铸件木型从中间分模,采用数控加工制作,材料选用红松木,芯盒中导流板为数控铝制,保证铸件的流量、扬程等水力要求,上模型及下木型分别镶嵌在型板上,使取型更方便。芯头采用方形便于堆叠定位,木型制作根据材质收缩特性,制作缩尺按2%设计,保证加工面最小加工量10mm,做出砂箱定位;模具需预留涂料层余量,外型单边增加1mm,芯盒单边减少1mm。




三、造型与制芯工艺


从铸造工艺性分析,泵体中开面向上有利于整体铸件补缩,但砂芯数量多,生产过程繁琐,合箱后尺寸精度无法保证;中开面向下生产有利于组芯合箱,但不便于在热节处安放冒口,铸件内在质量得不到有效保障;侧放造型生产,综合工艺性优良,即便于操作检查,又可有效保证产品质量,具体工艺见图2、图3及图4所示。


铸件外型使用碱酚醛树脂砂砂箱造型工艺,造型砂选用水洗石英砂40-70目,树脂添加比例占砂比重2.5%,固化剂添加比例占树脂比重28%,此数据配比经过砂型试验设备(砂型强度仪)检验,常温下2h抗拉强度达到0.5MPa以上,保证型腔表面强度。在砂型上,平均每100mm距离,戳出φ6mm出气孔,保证排气。


由于芯盒内腔结构多变,芯子主体采用50-140目的水洗石英砂、圆角过渡处配以铬铁矿砂(激冷效果好,有利于热节处的快速收缩)混合树脂和固化剂制作、生产,砂芯中间放置Φ60钢管,并钻分散的排气眼,砂芯中间配以木屑、草绳,增加退让性,便于收缩,排气绳串通两端芯头,排气通畅,防止气孔缺陷。


以前的铸造工艺在铸件模具外型圆角处及芯盒导流板处,多用φ16mm圆钢充当冷铁棍,经常出现组织不致密、缩松,在试压环节,出现多处渗漏。现工艺将所有过渡处,添加随型冷铁,配合芯子中的铬铁矿砂,进一步增加激冷效果,消除热节效应。随型冷铁制作方案:在造型生产前,先将外型及芯盒圆角处,贴上混配好的原子灰,待风干后取下,即为成型的随型冷铁模具,用于造型,在生产其他铸件产品时,用所剩铁水用来浇注随型冷铁(最好是灰铁材质,不易变形),如图5所示。


浇注系统采用底返浇注形式,使用φ80mm变φ60mm耐火陶瓷管,从两法兰底端进入。通过模数法及热节圆法计算出各个热节需要设置的冒口大小及位置,冒口类型选取发热保温冒口,此类冒口在浇铸时,冒口中的燃烧发热剂燃烧放出的热量使其冒口内钢液温度升高,使冒口内金属液凝固时间变长,延长补缩时间,提高冒口对铸件的补缩效率。


外型型腔及芯子表面均涂刷醇基锆英粉涂料(耐火度≥1800℃),涂刷次数为3次,秉持薄--厚--薄的原则,对凹坑处进行填补、对凸起处进行打磨,每次涂刷均明火点燃、充分燃烧,保证耐火层强度及表面光洁度。


离心泵泵体铸件 (3)

图2  中开泵铸件工艺主视图


离心泵泵体铸件 (4)

图3  中开泵铸件工艺俯视图


离心泵泵体铸件 (5)

图4  中开泵铸件工艺左视图

离心泵泵体铸件 (6)
离心泵泵体铸件 (7)

图5  导流板处及圆角过渡处随型冷铁示意图

离心泵泵体铸件 (8)



四、熔炼及浇注工艺


铸件材质要求为2205,国标牌号ZG03Cr22Ni6Mo3N;材料配比时,主要关注以下三点:

1. 贵重合金元素加入比例;

2. 钢水出炉前脱氧;

3. 氮元素熔炼加入及钢水填充型腔时,避免铁水中氮元素与型腔内气体反应产生气孔。

此熔炼工艺为中频炉熔炼,钢水中加氮方式为添加氮化铬铁,根据经验积累,总结出各元素烧损比例。

2205双相钢配料单见表1。

离心泵泵体铸件 (8)

表1  2205双相钢配料单

配料表中各原材料成分中,C、SI、Mn、S、P均按元素上限计算,实际含量比理论计算值还要低;Cr、Ni、Mo、Cu、N均按元素中限计算。

配料计算过程:

①C%:

(476*0.03%+175.4*0.03%+19.3*0.1%+37*0.03%)*93%/1000=0.021%

②Si%:

(476*1.5%+175.4*1%+19.3*1%+37*0.03%)*97%/1000=0.97%

③Mn%:

(476*2%+2*99.9%)*90%/1000=1%

④S:

(476*0.025%+175.4*0.025%+32.3*0.03%+37*0.04%)/1000=0.019%

⑤P:

(476*0.035%+175.4*0.03%+32.3*0.04%+37*0.03%)/1000=0.024%

⑥Cr:

(476*19%+175.4*65%+37*60%)*97%/1000=22%

⑦Ni:

476*10.5%*100%/1000=5%

⑧Mo:

(476*2.2%+32.3*62%)*98%/1000=3%

⑨Cu:

8.3*99.9%*97%/1000=0.8%

⑩N:

37*6%*90%/1000=0.2%


配料表中,各元素作用如下:

①Cr:钢水中的Cr元素达到一定浓度,可以在铸件表面形成耐大气腐蚀的钝化膜,其铸件耐腐蚀性能随Cr含量的增加而增强,Cr也可以提高钢水在高温下的抗氧化能力。

②Ni:可以稳定奥氏体组织的元素,但效果远远不如N有效。

③Mo:它与Cr一起配合,能提高不锈钢的抗氯化物腐蚀的能力,同时,Mo也是铁素体形成的元素。

④N:可以极大的提高不锈钢的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力,并能提高钢的强度,是固溶强化最有效的元素。

⑤Mn:配料单中加入2kg电解锰,不仅增加钢水中Mn元素含量,还起到了一定的预脱氧效果。

通过实践经验所得,为了防止钢水中高浓度的N元素含量与型腔内的空气发生反应,造成气孔缺陷,在铁水出炉前,向水口杯中通入纯氮气并覆盖好冒口,使型腔形成一个良好的氮气氛围,降低缺陷反应的发生,可以帮助铸件降低气孔缺陷的产生率。

此材质及泵型结构的浇注钢水,为保证产品质量,出炉温度1670℃,浇注温度1530℃。




五、热处理工艺


根据美标ASTM A995标准,制定2205(CD3MN或ZG03Cr22Ni6Mo3N)热处理工艺,以100℃/h升温速度,升温到680℃,保温一小时(为了更好地蓄热),再以100℃/h升温速度,升温至1070℃进行保温,保温时间计算方式为,根据最大壁厚厚度,每25mm保温一小时,保温结束后出炉,30秒内入水,进行水冷并不断搅动,使其快速冷却。

根据此热处理工艺,截取铸件本体试棒三支,各个机械性能数值如表2:

离心泵泵体铸件 (9)

表2  机械性能数据表



六、生产实践


上述过程均通过生产实践验证,通过对API 610标准理解、重新设计图纸、制作模型、准备工装、优化生产工艺等,使双相钢材质的中开泵型铸件,在经过抛丸、热处理、机加工后,采用X射线探伤,未发现气孔、缩松、裂纹、冷隔、夹渣等铸造缺陷,材料机械性能也满足技术要求与验收标准。最终铸件如图6所示。

离心泵泵体铸件 (10)

图5  2205材质中开泵泵体铸件




七、结束语


传统钢水加氮工艺为AOD真空炉熔炼,此工艺为中频炉熔炼CrN铁方式进行加氮,与传统工艺相比,更为经济,降低了设备要求。

此成型冷铁方案,与圆钢冷铁比较,贴合性好,激冷效果更为明显。

根据实践经验,相同模数的发热冒口是砂冒口补缩效果的1.5倍,使用发热冒口可有效减少钢水用量,提高工艺出品率。

PREN耐点蚀值:%Cr+3.3*%Mo+16*%N=22+3.3*3+16*0.2=35.1,根据配料单计算结果,PREN值远大于普通标准的34,该配料方式耐点腐蚀效果更好。

本文所讲述的铸造工艺以及配料方式方法,在实际生产中,已成功生产出多种规格的双相钢材质单级双吸式泵体铸件,极大的提高了产品的铸造质量,同时也为企业带来显著的经济效益和竞争优势。



cache
Processed in 0.006264 Second.