高温高压阀门铸件制造工艺及应用

高温高压阀门铸件制造工艺及应用
１技术要求。

1.1ＣＦ８Ｃ化学成分及力学性能要求
CF8C化学成分要求及力学性能要求（ASTMA351）见表1、表2所示。

1.2金相检测。

逐件进行金相结构和侵蚀试验，试验按ASTM E381执行，夹杂物级别要求符合表3的要求；不允许有尺寸大于ASTME45标准中的2.5级的偏析和带状不均匀组织；铁素体含量4%~16%。

1.3晶间腐蚀检测。

逐件进行敏化态晶间侵蚀试验，试验方法和试验结果应符合ASTMA262E法的要求。

1.4无损检测
1.4.1射线探伤检测
逐件进行100%射线探伤检测，检测范围符合ASMEB16.34，检测方法按MSSSP54标准进行，检测结果应符合：气孔/缩孔，不小于2级；其他，不允许
注：Nb含量为C含量的1~8倍。

1.4.2液体渗透检测逐件进行100%液体渗透检测，检测按ASTME165标准进行，检测结果应符合下列要求：①任何线性显示的缺陷长度不大于2mm；②单个圆形缺陷的尺寸不大于4mm；③密集缺陷（指尺寸小于0.5mm的集中缺陷）累积长度在任何100mm×100mm的面积中不大于2mm。

2制造工艺
加氢裂化装置阀门铸件虽在局部结构上存在着差异，但共同具备的结构特点是，外形呈三通管状，各管道中心线在同一平面上，管壁较厚且基本均匀，铸件材质一般为耐蚀不锈钢CF8C。

我公司在研制阀门铸件的过程中积累了一些经验，文中将以典型的零件DN400-2500lb 阀门的铸造为例加以分析阐述
2.1铸造工艺
2.1.1铸造工艺分析 DN400-2500lb阀门的结构见（图1）。

该铸件毛坯重量为4300kg，外轮廓尺寸：1538mm
×1310mm×840mm。

铸件外形呈三通管
状，各管分别为圆环形管道，各管道中
心线在同一平面上，同一轴向的两个管
道管口处有法兰，与其垂直方向的管道
管口部位壁厚增大，各管口全部加工，
管道主体壁厚为115mm，管壁较厚且基
本均匀，管道相交处形成热节。

图1阀门铸件剖面结构图
该阀门铸件主体为圆环形管，具有圆环形铸件的共同特征，各管之间同心度难以保证，铸件壁厚公差较难控制，环形管道如何做到三个方向的管道同时补缩难度较大，所以在设计铸造工艺时需充分考虑这些因素。

2.1.2铸造工艺设计
（1）铸件收缩率的确定。

该铸件选用的CF8C材质属于奥氏体不锈钢，在受阻收缩的请况下，结合铸件结构形状，铸件外腔缩尺采用2.0%，
内腔缩尺采用1.5%。

（2）分型面选择。

阀门要求各管道中
心线在同一平面上，各环形管道补缩
较困难，因此，以三个管口的中心所
在平面为分型面，将铸件分为上下两
半（图2）。

图2阀门铸件工艺结构图
分型面的选择经过阀门铸件各管口的中心，使分型面所在的平面为阀门铸件的最大截面，保证阀门铸件各管口轴向中心线在同一平面上，减少铸造砂芯的使用，减少了下芯合箱装配偏差，避免浇注后形成披缝，提高了阀门铸件各部位相对尺寸精度和表面质量，造型较方便简单。

（3）浇注系统设计。

阀门铸件浇注系统采用底注式浇注系统。

底注式浇注系统内浇道基本上在淹没状态下工作，充型平稳，可避免金属液发生激溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷；无论浇口比是多大，横浇道基本工作在充满状
态下，有利阻渣，型腔内的气体容易顺序排出。

CF8C材质合金元素Cr含量较高。

Cr熔点高，使钢液液相线温度上升，降低钢液流动性，浇注过程中易产生冷隔、表面皱皮等现象。

Cr 在钢液中易氧化形成氧化铬膜，充型紊乱时易产生氧化夹杂。

浇注系统设置时应充分考虑以上因素，保证充型快速、平稳。

（a）浇注时间。

根据铸件的液重可以按表4查出铸件的大致浇注时间，结合生产实际确定铸件的浇注时间。

该阀门液重为9350kg，根据表4查出浇注时间在40~150s。

为保证快速平稳充型，结合生产实际，浇注时间选择t=105s。

浇注时间的设置是否合适，可用浇注时钢液在型腔内的上升速度v验算。

液面上升速度v按公式（1）计算：
v=H/t=1560/105=15mm/s（1）
式中：H为铸件高度mm；t为浇注时间s
（b）钢液的质量流率。

质量流率V按公式（2）计算：
V=G/Nnt（2）
式中：G为铸件质量，kg；N为同时浇注的浇包个数；n为每个浇包所用的塞座砖数；t为钢液的浇注时间。

（c）包孔直径。

根据计算所得的钢液质量流率，可以按表5查出钢
包的包孔直径。

（d）浇注系统各组元截面积的计算。

用塞杆包浇注铸钢件时，均采用开放式浇注系统，各组元截面积比例为：
F包∶F直∶F横∶F内=1∶（1.7~2）∶（1.7~2）∶（2.0~2.8）
2.1.3其他工艺参数的确定
铸钢件生产采用冷硬呋喃树脂石英砂工艺，CF8C不锈钢阀门也采用冷硬呋喃树脂石英砂作为造型材料。

砂型涂料采用锆英粉醇基涂料两遍打底，再涂刷两遍镁砂粉醇基涂料，单纯的锆英粉涂料或镁砂粉涂料，涂料剥离性不好，双层复合涂刷两种涂料，钢液不容易侵蚀砂型，涂料层容易剥离，有效防止粘砂。

门管口部位各设置一个冒口，冒口下沿管口设置补缩通道，有利于管口部位的补缩，提高冒口补缩效率；阀门上方各管相交处各设置一个冒口，使阀门铸件主体能够补缩充分，形成致密组织，同时集渣效果显著；在阀门各管相交处厚大部位及管体下方施放间接外冷铁，隔砂层采用30~50mm厚铬矿砂，形成了补缩末端，增加了冒口有效补缩距离，实现了铸件顺序凝固，减少了阀门铸件在凝固和冷却过程中产生的缩孔、缩松和裂纹缺陷。

间接外冷铁不与铸件表面直接接触，合理
施放可以改善铸件表面质量。

砂芯内部合理施放退让性材料，吃砂量控制80~100mm，有效防止铸件产生裂纹。

2.2冶炼工艺
CF8C材质因在高温高压环境使用时变形小，强度大，耐磨耐腐蚀，一般被选用为阀门材质。

标准的CF8C材质成分要求硫磷含量分别为S≤0.040%、P≤0.040%，硫磷含量较高。

硫含量高，阀门使用中硫与氢形成硫化氢，硫化氢常温下可引起金属材料的应力腐蚀开裂，高温高压下能引起金属材料的快速均匀腐蚀[3]，不能满足阀门高温高压环境使用要求。

为满足高温高压阀门使用要求，将有害元素硫含量严格控制在0.015%以下，有害元素磷含量控制在0.020%以下。

CF8C材质合金元素含量较高，碳含量较低，硫、磷含量低，电弧炉返回吹氧法冶炼过程中主要存在以下问题：冶炼过程中合金元素烧损严重；冶炼时间较长；炉衬烧损严重。

浇注过程中钢液表面易产生氧化铬膜、冷隔、表面皱皮和夹杂等现象。

为解决CF8C材质冶炼过程中存在的问题，得到合格的化学成分，主要采用以下措施。

配料：90%的炉料采用本钢种高合金钢返回料，在装料前炉底加入钢液重量1.0%~1.5%的FeSi，配入Ni到中上线。

熔化期：当炉料熔清后，钢液的温度≥1600℃时，根据炉渣情况，判断是否放渣，保证吹氧脱碳在薄渣下进行。

氧化期：取试样分析钢液成分，将Si的成分调整控制到钢液重量的1.0%~1.5%，Ni的成分调整控制到钢液重量的9.5%~10.5%，计算钢液
成分铬碳质量比，确定吹氧温度（1705~1835℃），当炉内钢液温度满足要求时，将吹氧压力提高至1.5～1.8MPa，用两根吹氧管连续吹氧18~22min，观察炉膛气氛、吹氧火焰的颜色，再次取样分析钢液成分，将C的成分调整控制到≤钢液重量的0.03%。

还原期：在脱氧良好的白渣情况下补加Fe-Cr合金，及时搅拌钢液，把露于渣面上的固体Fe-Cr合金块推入钢液中，分批次加入还原剂回收渣中的Cr，当加入的合金露于渣面上时，采用电压210V、电流10kA 的供电方式；如合金埋入渣面下时则采用电压180V，电流8kA的供电方式，还原期严禁短弧操作，电极下降要同步。

为解决钢液流动性差，使铸件产生冷隔、表面皱皮、夹杂及钢液表面氧化铬膜等问题，浇注时，应适当提高浇注温度，并合理设计浇注系统缩短浇注时间，同时实施氩气保护浇注。

3总结
对于阀门类铸件，合理设计分型面、缩尺、冒口、浇注系统和冷铁等铸造工艺参数，可以有效防止裂纹、缩孔、缩松、夹杂、冷隔等铸造缺陷的产生，生产出尺寸合格的产品。

采用高硅、高镍、高温、高压、双管连续吹氧等工艺措施，可以实现电弧炉返回吹氧法冶炼CF8C 材质。