浅析铸铁管件生产工艺选择

球墨铸铁管及管件是城镇供水、燃气管网的理想管材，集强度高、塑性好、耐侵蚀性强的长处，具有铁的实质、钢的功能，是传统铸铁管和普通钢管的更新换代产物，是一种普遍用于压力供水、燃气输送的管材，具有强度高、韧性好、耐腐蚀、易安装等特点，是传统灰铁管和普通钢管的更新换代产品，已成为供水、输气行业的首选材料。

　　球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用在铸造一些受力复杂铸件上，球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。

　　球墨铸铁管及管件是铸铁管及管件的一种。质量上要求铸铁管的球化等级控制为1～3级（球化率»80%），因而材料本身的机械性能得到了较好的改善，具有铁的本质、钢的性能。退火后的球墨铸铁管，其金相组织为铁素体加少量珠光体，机械性能良好，防腐性能优异、延伸性能好，密封效果好，安装简易，主要用于市政、工矿企业给水、输气、输油等。

　　在铁素体和珠光体基体上分布有一定数量的球状石墨，根据公称口径及对延伸率的要求不同，基体组织中的铁素体和珠光体的比例有所不同，小口径的珠光体比例一般不大于20%，大口径的一般控制在25%左右。

　　进入21世纪，我国铸造企业达到突飞猛进的发展与增长；到2013年铸件产量已经达4,500万t；我国铸铁管的年产量约为600万t，其中供水管道用的离心球墨铸铁管约为500万t，离心灰铸铁排水管约80万t；各类铸铁管件约25万t；铸铁管件一般均采用黏土砂、覆膜砂、水玻璃砂、树脂砂、消失模、V法铸造工艺生产；排水灰口管件采用黏土砂、覆膜砂工艺偏多。

（1）最小抗拉强度：420MPa；

（2）最小屈服强度：300MPa；

（3）最小伸长率：7%；

（相当于我国QT450-10、GB/T13295、ISO2531。）

（4）口径：DN80～DN2600。

（1）防止爆管；

（2）小口径大流量；

（3）高压远距离输送。

（1）水冷金属型离心铸造；

（2）树脂砂衬离心铸造；

（3）热模法离心铸造。

（1）黏土砂铸造工艺；

（2）覆膜砂铸造工艺；

（3）树脂砂铸造工艺；

（4）水玻璃砂铸造工艺（水玻璃工艺因为水玻璃砂残留强度高，不易清理，现逐步淘汰该工艺在铸铁管件上的应用）；

（5）消失模铸造工艺；

（6）V法铸造工艺。

（1）黏土砂铸造工艺（DN80-DN300）；

（2）覆膜砂铸造工艺（DN80-DN200）；

（3）树脂砂铸造工艺（DN80-DN2600）；

（4）消失模铸造工艺（DN400-DN1200）；

（5）V法铸造工艺 （DN80-DN2600）。

　　黏土砂是以黏土（陶土）作黏结剂的型（芯）砂。黏土砂造型由于其生产成本低廉，所以目前仍然作为球墨铸铁管件生产的一种生产方式。

（1）优点：生产成本低，生产灵活性大，生产率高，生产周期短。

（2）缺点：容易产生夹砂、结疤、鼠尾、气孔、砂眼、胀砂等铸造缺陷；不适合在中、大口径球铁管件生产；最佳口径≤DN300。

图1 铸件生产工艺过程

　　采用热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂(如乌洛托品)与润滑剂(如硬脂酸钙)通过一定的覆膜工艺配制成覆膜砂，覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔体的体型结构，从而使覆膜砂固化成形。

（1）优点：产品精度高且表面光洁；生产效率高；用人少；占地面积小。

（2）缺点：生产成本高；模具投资大；不适合在中、大口径球铁管件生产；最佳口径≤DN200。

　　树脂砂铸造就是把原砂和树脂、固化剂混合均匀后放入砂箱、模样中造型制芯，合箱后进行浇注，是现在广泛采用的一种铸造方式，虽然尺寸精度比覆膜砂造型差一些，但其适合于多品种小批量的铸件，被管件企业广泛采用。

（1）优点：铸件尺寸精度高，外形轮廓清晰，铸件表面光洁，外观质量好，适应范围广，适合所有口径管件。

（2）缺点：造型硬化反应需一定时间，其生产效率低；球铁管件表面因渗硫可能造成球化不良，浇注时有剌激性气味及一些有害气体发生；与黏土砂相比，成本较高。

图2 覆膜砂铸造工艺流程

　　消失模铸造是把涂有耐火材料涂层的泡沫塑料模样放入砂箱，模样四周用干砂充填，采用微震加负压紧实，在没有芯子的情况下浇注液态金属，在浇注和凝固过程中继续保持一定的负压，使泡沫塑料气化继而被金属取代形成铸件的一种新型铸造工艺方法。

（1）优点：铸件精度高，壁厚均匀；设计灵活，通过泡沫塑料模片组合铸造出各种变径管件；机械加工余量小，甚至直接把法兰止水圈和法兰孔铸出。

（2）缺点：并非所有的球体管件都适合消失模铸造工艺；管件表面容易出现皱皮，波纹状、滴瘤状、冷隔状、渣状、夹气夹杂状缺陷；工艺流程长；控制点多，技术要求高，管理难度大，管理人员、操作人员素质要求高；只适合中、大口径球铁管件生产。

图3 树脂砂铸造工艺

图4 消失模铸造工艺流程

图5  V法铸造工艺

　　真空密封造型（V法造型）与传统砂型铸造方法有很大的不同，是一种物理造型法。它将真空技术与砂型铸造结合，用不加水分和黏结剂的原砂造型，靠塑料薄膜将砂型的型腔面和背面密封起来，借助真空泵抽气产生负压，造成砂型内、外压差使型砂紧固成形，经下芯、合箱、浇注，待铸件凝固，解除负压或停止抽气，型砂便随之溃散而获得铸件。

（1）优点：管件表面光洁、轮廓清晰、尺寸准确；工艺流程短，生产成本低；金属利用率高，工艺出品率高；投资少；运行费用低；适应范围广；适合所有口径管件单件小批量。

（2）缺点：模具投资较大；造型效率不高。

（1）优先采用低成本铸造工艺。

（2）铸造方法应和生产批量相适应。

（3）造型方法应适合工厂条件。

（4）要兼顾铸件的精度要求和成本。

不同口径管件的最佳工艺：

≤DN300：黏土砂、覆膜砂、V法等铸造工艺；

≥DN400：消失模、树脂砂、V法等铸造工艺。

V法、树脂砂、消失模铸造的球墨铸铁管件表面光洁度比较（图6）。

图6  V法、树脂砂、消失模铸造的球墨铸铁管件表面光洁度比较

　　当下客户对铸铁管件产品质量、铸造精度、使用性能等要求在不断提高，铸铁管件生产技术向着精密化、高质量、自动化和清洁化、绿色制造的方向发展。

　　铸铁管件生产的主要工艺过程包括：金属熔炼、模型制造、浇注凝固和脱模清理打压精整等。铸铁管件生产常用黏土砂铸造工艺；覆膜砂铸造工艺；树脂砂铸造工艺；消失模铸造工艺；V法铸造等工艺；采用什么工艺要根据企业自身实际情况进行选择。

　　单件小批是大口径和特大口径铸铁管件生产的特点及特性，树脂砂手工造型仍是重要的方法，手工造型能适应各种复杂的要求，比较灵活，不要求很多工艺装备。树脂砂铸造对于单件小批量生产的大型球墨铸铁管件最为适宜，采用地坑造型法成本低，投产快。

　　小口径球墨铸铁管件采用机械造型覆膜砂芯工艺，其生产效率快；质量保证；合格率高；出口和几何尺寸与表面质量要求高的产品优先选择V法铸造工艺。

　　不同的企业生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考虑适合做什么和不适合做什么？各种铸造方法所获得的铸件精度不同，初投资和生产率也不一致，最终的经济效益也有差异。因此，要做到多、快、好省，就应当兼顾到各个方面。应对所选用的铸造工艺方法进行初步的成本估算，以确定经济效益高又能保证铸件要求的。