球墨铸铁气缸套铸造工艺优化

球墨铸铁气缸套铸造工艺优化

毛洪宇

辽宁远宇重工机械有限公司 辽宁省 铁岭市112300

摘要：随着计算机数值模拟技术的发展为离心铸造工艺设计人员提供了探索离心铸造充型过程和凝固规律的新途径。虽然目前的铸造模拟软件对卧式离心铸造过程的模拟还不成熟，与实际生产过程还存在一定的差距，但其以开发周期短、研究成本低、工艺参数调整方便等优点，在指导实际生产及工艺改进过程中起到越来越重要作用。

关键词：球墨铸铁；气缸套；铸造工艺；优化

1球墨铸铁管施工特点及优势

1.1施工特点

球墨铸铁管是铸铁管的一种。从质量角度来看，铸铁管的球化等级应控制在1-3级，因此，该材料具有良好的机械性能，包括铁的本质和钢的性能。球墨铸铁管退火后的金相组织是在铁素体中加入适量的珠光体，具有机械性能好、耐腐蚀性强、延展性和密封性好、安装方便等突出优点。主要用于市政、工矿企业的施工过程，如供水、输油、输气等。球状石墨附着在铁素体和珠光体表面。由于标称直径下所需的伸长率不同，铁素体和珠光体的比重将不同。当珠光体直径较小时，比重为≤20%，如果直径较大，则约为25%。

1.2施工优势

与传统铸铁管相比，铸铁管在抗拉强度和强度方面都具有优势。科学实验表明，球墨铸铁管的抗拉和耐压性能比灰铸铁管高约1倍，其性能优于钢铸铁管。此外，球墨铸铁管经济且壁薄。在市场上，直径小于200mm的球墨铸铁管的价格接近灰铸管，但管壁比灰铸管薄。如果管壁较薄，管道市场价格应较高，但两种价格几乎相同。可以看出，球墨铸铁管的性价比将更高。灰铸铁管在运输过程中容易损坏，球墨铸铁管的损坏率低于灰铸铁管，无形中降低了运输成本。

2初始铸造工艺模拟分析

2.1数学模型建立

卧式离心铸造的充型过程属于带有自由表面、粘性、不可压缩、非稳态流动。因此流体运动状态符合连续性方程和动量守恒方程。

金属液充型流动过程的温度场模拟中，金属液不仅要符合描述流体运动状态的连续性方程和Navier-Stokes方程。

2.2网格划分

采用非结构四面体网格对模具、挡板、铸件及保温涂料进行网格划分，增加保温涂料和铸件的网格密度，增加模具及挡板网格尺寸以减少计算量，浇注位置设于铸件内表面，面网格数99812,体网格数719843。

2.3初始工艺条件和物性参数

2.3.1经验公式计算离心转速

生产实践中根据康斯坦丁夫经验公式[9]计算铸件浇注离心转速，公式如下：

（1）

式中n-模具转速(r/min),G-重力系数，r-铸件内表面半径(m),一般重力系数取40～110。计算得到此铸件浇注转速范围为840～1380r/min,根据生产经验取铸件的浇注转速为1200r/min。

2.3.2边界条件和物性参数

气缸套铸件材质为珠光体球墨铸铁，材料化学成分如表l所示，模具和挡板材料选用HT250。

2.4模拟结果分析

2.4.1凝固过程温度场分析

初始工艺铸件的温度场模拟结果表明，在离心铸造的凝固过程中，铸件的外表面与隔热涂层接触，隔热涂层与模具接触。由于在铸造的初始阶段液态金属和模具之间的温差较大，铸件的热量很容易以低温传递到模具，因此铸件的外表面首先被冷却和凝固。旋转铸件的内表面与空气接触，铸件内壁通过空气导热，导致铸件内表面温度低于铸件中间层温度，因此铸件内表面不易产生缺陷。铸件的两端与挡板和模具接触，导致铸件两端的热传递比中间部分更快。此外，由于铸件壁厚的差异，厚壁端有更多的热量。因此，在空冷过程中，铸件厚壁端的模具快速升温，最终，在空冷却结束时铸件厚壁处的温度较高。在水冷过程中，虽然模具温度趋于均匀，但由于铸件本身的壁厚处存在热点，难以从外部到内部均匀地冷却铸件。

t=150s初始工艺铸件温度场的温度分布为：铸件内层温度为1160℃，铸件外层温度为1120℃，铸件中间层温度为1180℃，铸件两端温度较低。这是因为铸件内壁和模具之间的双向热传递导致铸件的温度场以三明状态分布。

2.4.2凝固过程中固液相分布分析

熔融金属通过热辐射将热量传递到周围环境。由于快速冷却，靠近模具和挡板的熔融金属首先凝固。由于铸件内表面和模具的双向散热，当温度较低时，铸件的内表面和外层首先凝固，当温度较高时，铸件壁厚处的中间层缓慢凝固。根据初始过程和实际生产过程中100次防白缺陷金相照片，缺陷位置分布在距铸件内壁约7mm处，铸件缺陷位置与最终凝固区域几乎在同一位置。因此，证明了利用固液分布模拟结果可以预测铸件缺陷的位置，为工艺优化提供了依据。

3铸造工艺优化

3.1管道安装要点

首先，管道运输到现场，因此中间容易受到许多因素的影响。例如，装卸过程中容易引起管座变形，不符合施工要求。在这种情况下，必须切断变形位置。如果安装是≥500mm，应使用专业工具重新调整通道。可使用水泥进行修补，但修补前应清除表面杂物，同时应注意清洁橡胶圈表面的材料。安装橡胶圈时，技术人员应将其形状改为梅花形或“8”形，然后将橡胶圈安装在插座上。同时，按压橡胶圈或使用橡胶锤确保橡胶圈均匀嵌入凹槽中。在插座表面和橡胶圈上涂抹润滑剂时，应注意以下事项：润滑剂应均匀涂抹，插座线外的插座也应涂抹。根据施工现场的具体情况，选择科学合理的管道敷设方式。采用的方法包括手动和机械方法。机械设备安装过程中，技术人员应加强监督管理，确保清洗后的管道损坏，及时做好安全防护工作。在将管道插入承插位置的过程中，为了避免用力过大，确保管道顺利插入橡胶圈，可以固定钢丝绳和链条滑车，并拧紧链条滑车。在此阶段，技术人员可以用力摇动喇叭口处的管道，直到其准确插入喇叭口。同时，技术人员还应注意插座和插座之间的2mm间隙。球墨铸铁管重量轻。如果在安装过程中使用一根钢丝绳，很容易导致管道位置不稳定和偏转方向，导致安装的橡胶圈移位，影响管道的安装质量。在整个安装过程中，技术人员也可以尝试使用双链滑车法。力平衡可以减少外力引起的橡胶圈挤压。球墨铸铁管安装完毕后，质检人员应严格执行质量检验标准，确保管道安装质量符合设计要求。

3.2管道支墩

根据设计规范，在管道弯头和三通位置做好支墩施工。（1）确保制造扶壁所用的原材料和比例符合设计要求。（2）管道、管道附件支墩和锚固结构的对应位置应准确，锚固应固定。（3）支墩施工时，确保基础牢固。如后墙无原状土，应及时采取有效措施，确保支墩受力时不受破坏。（4）管道接口和固定位置完成后，方可修建管道支墩。管道安装时，支墩砌筑砂浆和混凝土强度达到设计标准后方可拆除临时固定支架。

3.3管道冲洗

（1）输水管道水压试验完成后，在竣工验收前，应对管道进行冲洗消毒。（2）冲洗水流的速度也非常重要。它保持在≥1.0m/s。采用连续冲洗的方法清理死角，打开各配水点，在系统最低处设置出水口，在最高处设置排气孔。清洁时间得到很好的控制。冲洗标准与进水口水质、浊度和颜色一致。（3）如果是生活饮用水系统，冲洗后应向管道中注入游离氯水（20-30mg/L），以完成相应的消毒。含游离氯的水应在管道中停留较长时间，约24小时。

结论

总之，随着我国市政工作规模的逐渐扩大，管道工程建设项目越来越多，为了满足施工要求，球墨铸铁管被广泛地应用于市政工程项目中，此技术的应用在很大程度上促进了管道施工效率及质量的提高，对于国内管道工程建设与发展具有积极的推动作用。为此，在具体施工环要重视球墨铸铁管技术难点的总结，通过不断优化技术方法，采用科学合理的方法突破难点，保证球墨铸铁管技术优势得以充分发挥。时代在进步，社会在发展，球墨铸铁管施工技术在重视施工前准备工作、安装要点、支墩、冲洗及防腐处理的同时，也应该在不断改进与优化中寻找最佳的发展路径，进而促进管道施工保质保量完成。

参考文献：

[1]王正达，宗廷学，王峰，等.球墨铸铁管施工质量控制及问题处理[J].云南水力发电，2019,35(Z2):72-77.

[2]刘维娜.固安县城区水厂扩建工程：取源管外线球墨铸铁管管道安装施工方案研究[J].河北水利，2021(5):46-47.

[3]李志强，陈小波，向起来.滑轮组合牵引系统快速安装T型球墨铸铁管施工技术的应用[J].重庆建筑，2019,18(6):55-57.