球墨铸铁管壁厚均匀性工艺设备技术研究

林雪川，梅燕娜，要晓瑞

（广东新兴铸管有限公司，广东阳春 529600）

离心球墨铸铁管又称球墨铸铁管，防腐性能强、延展性能好、力学性能高、密封效果好、安装简易，主要用于市政、工矿企业给排水等，具有很高的性价比，是供水管材的首选。2022 年，住建部、发改委发布《全国城市市政基础设施规划建设“十四五”规划》，预计新建改造供水管网10.4 万公里，预计新建改造污水管网8 万公里[1]。同时，各省市也积极响应“十四五”规划中提出的城市管网建设及改造的相关目标而出台了一系列利好政策，离心球墨铸管行业市场发展向好，发展空间较大。2021 年，新兴铸管球墨铸铁管产量已达到近300万吨。为了打造铸管行业龙头，进一步提高公司以及产品竞争力，从多方面入手，包括生产、质量、销售等。球墨铸铁管壁厚的均匀性是质量提升方面重要的一环。

1 壁厚不均匀

铸管壁厚不均容易造成多方面问题：壁厚过厚、铁液浪费及铸管内径偏小，成本升高；壁厚过薄，容易造成局部不满足使用要求，可能在使用过程中出现爆管；还可能出现铸管弯曲或呈现椭圆的情况[2]。

壁厚不均匀一般包括轴向壁厚不均匀和径向壁厚不均匀两个方面。

1.1 轴向壁厚不均匀

在铸管长度方向的纵向断面上壁厚不均匀，严重时成喇叭口状或者承插口部位壁厚过厚或过薄，并产生浇不足、缺肉的现象，一般发生在DN1000 规格以下的水冷金属型铸管生产过程中。

1.1.1 扇形包铁液浇注速度的影响

离心球墨铸铁管是采用等角速度、等流量的扇形包浇注而成。当扇形包的尺寸合适时，其在单位时间内供应铁液量是相同的，如果扇形包的内衬在使用过程中发生侵蚀，包内会出现结渣的情况，如图1 所示；或者修包过程中，包的几何尺寸发生改变，不规则，都会造成铁液在浇注过程中流量不均匀。

图1 扇形包结渣

由于水冷金属型的冷却速度比较快，铁液流入管模后很快就会凝固，铁液自动调整壁厚的作用就会减弱，无法起到补缩的作用，从而容易形成轴向壁厚不均匀。而热模法浇注时，管模冷却慢，铁液可长时间保持液态，在较大范围内流动，调整壁厚，从而不会造成轴向壁厚不均匀。

1.1.2 工艺参数的影响

浇注槽与管模之间的相对轴向移动速度与扇形包的翻转速度配合不当，插口的减速控制参数设置不当，流槽出口端在承口、插口停留位置和时间不当等问题，都会造成铁液在这些部位的分配量不合适，造成轴向壁厚不均匀。

（1）离心浇注承口型腔的过程中，主机必须要停留一段时间，如果该时间过长，承口铁液充满后，会向插口方向流动，导致承口段与直管段部分铁液过多，壁厚增大；反之停留时间过短，可能承口无法充满，导致承口部分壁厚过薄。在离心浇注结束时，为了保证插口充分浇注成型，主机需慢行一段距离且停留一段时间，同时与翻包回落时间相匹配。如果翻包回落时间和主机停留时间过长的话，插口部分壁厚增大，反之变薄。

（2）离心机转速的影响。当离心机转速较低时，铁液受到的离心力相对较小，导致铁液轴向流平的趋势下降，减少了铁液轴向流平供铁系统的补充作用，造成壁厚不均匀。

（3）浇注温度的影响。浇注温度过高时，会使承口部位的壁厚增大；浇注温度过低时，会使插口部位的壁厚增大。

1.1.3 设备的影响

（1）设备的运行精度和可靠性达不到要求，会造成在浇注过程中主机走速、扇形包翻转速度发生变化，使得铁液在浇注过程中的供应量不均匀。

（2）管模和离心机振动的影响。振动越大，壁厚的不均匀程度越大。

（3）浇注流槽的影响。如果浇注流槽高低不平、不平滑，铁液在流动过程中的阻力增大，或者出现紊流情况，会造成铁液流量出现短瞬的不均匀性。

1.2 径向壁厚不均匀

铸管径向断面的不同方向壁厚不一，或者一侧偏厚，一侧偏薄。

主要原因包括：管模安装调整不当、管模弯曲或壁厚不均匀，造成管模本身轴线与离心机的旋转轴线发生偏离导致。在变化的半径上，不同的点具有不同的线速度，导致不同切向加速度。在半径最小处，离心力、线速度和切向加速度是最小的，金属铁液的聚集使壁厚增大，在半径最大处，壁厚减小。径向壁厚差值的大小与管模轴线偏移值、弯曲程度、管模的旋转速度以及金属铁液的结晶速度有关。

2 试验及措施

关于铸管壁厚均匀性问题，结合新兴铸管现场生产实际情况，具体问题具体分析，经过多方面论证，最终从扇形包、流槽以及冷却等方面入手进行相关试验。

2.1 扇形包

球墨铸铁管生产过程中，扇形包实现铁液在浇注过程中的等流量。

2.1.1 扇形包形状

通过对生产现场所有扇形包的检查发现，扇形包的砌修形状不一，如图2 所示。这样便造成在浇注过程中，扇形包在单位时间内供应铁液量是不相同的，流量不均匀，从而导致壁厚不均匀。

图2 扇形包砌修不一

结合实际生产情况，对扇形包的形状尺寸制定了统一的制作和维修标准，如图3 所示。但扇形包弧度（圆弧曲率）无法进行人工测量，根据不同规格不同扇形包的弧度，制作了专用工具弧度卡板，用来检测扇形包弧度是否合格，如图4 所示。

图3 DN350-600 扇形包制作和修包标准

图4 弧度卡板

为了进一步验证扇形包弧度对于壁厚均匀性的影响，选取同规格两个扇形包进行对比试验，一个扇形包按照标准制作维修，弧度合格，另一个扇形包未按照标准制作维修，弧度不合格，如图5 所示。在浇注参数相同的情况下，各浇注50 支管，抽取负公差接近的铸管，统计铸管的壁厚极差进行对比。

图5 试验扇形包

抽取10 支管做壁厚极差统计，结果如图6 所示，弧度合格包的铸管壁厚极差≤1.5mm 占比70%，弧度不合格包的铸管壁厚极差≤1.5mm 占比40%，相差30%。由此可见，扇形包弧度对壁厚均匀性影响比较大。

图6 试样管极差分析

2.1.2 扇形包翻包

通过对扇形包制作及修包的规范，铸管壁厚的均匀性有了很大的提高，但实际生产中对铸管壁厚进行抽查检测，发现承插口壁厚总体偏厚，中间直管段壁厚偏薄。为了进一步提高铸管整体壁厚的均匀性，结合现场生产实际情况，对扇形包的快翻包参数进行相应的调整。

承口壁厚主要受扇形包快翻延时及快翻速度两个参数影响，插口壁厚主要受扇形包翻包返回延时影响。

以DN400 普通管为例，在浇注过程中，离心机扇形包快翻延时参数通常设定为0.8～1.4 s，快翻速度设定为600～630 r/min，翻包返回设定为4300～4400 mm，离心机通过降低这三个参数来降低承插口铁水流量，从而达到控制壁厚的目的。当班生产顺畅后，扇形包快翻延时开机使用0.8 s，快翻速度使用600 r/min，翻包返回使用4300 mm，根据现场生产情况，每次对快翻延时进行降低0.1 s 的调整，快翻速度降低10 r/min，翻包返回减小10 mm，每次对调整后的管身打标记，出退火炉后进行壁厚检测。同时在当班生产过程中，如果出现包嘴粘渣的情况，根据粘渣的程度，逐步增加快翻延时0.1 s，快翻速度10 r/min，翻包返回延时增大10 mm，防止因铁水流量减小造成承口部分壁厚减薄。

经过10 个班次的参数摸索、壁厚数据的积累，最终将扇形包快翻延时稳定在0.6～0.8 s，快翻速度为稳定在560～580 r/min，翻包返回稳定在4200～4300 mm，扇形包包壁粘渣即增加参数，根据粘渣情况随时调整，扇形包新包降低相应的参数。通过对参数精细的调整，DN400 承插口壁厚降低，壁厚均匀性进一步提高，离心机DN400 的11 点壁厚极差≤1.5 mm 占比达到68.4%。较初期提高25.3%，壁厚均匀性明显提高，壁厚均匀性检测如图7 所示。

图7 壁厚均匀性

2.2 流槽

流槽的角度、光滑度等都对壁厚的均匀性有一定的影响。新兴铸管某台水冷离心机设计主机轨道斜度为1.15°，但铁液浇注过程中流动速度慢，对轨道斜度进行测量，斜度减小，从而导致承口冲型能力降低，在浇注过程中流槽中铁液宽度比较宽，在扇形包回落后，流槽内铁液浇注到管模插口铁液量减少，致使插口1～1.5 m 处壁厚不足。

经过讨论分析，决定在离心机设备基础上加大流槽斜度，加快铁液流动速度，将溜槽底座整体加高30 mm，转溜槽转盘支撑向下调整，形成较大的溜槽坡度。首先对该台离心机南侧流槽进行改进试验。

改善前后流槽铁液痕迹有明显变化，如图8所示。改善前，流槽铁液痕迹宽，且弯曲，经测量宽度为50 mm，厚度为5 mm，说明铁液流动速度较慢；改善后，流槽铁液痕迹变窄，且比较直，经测量宽度为30 mm，厚度为3 mm，说明铁液流动速度加快。

图8 改善前后流槽铁液痕迹及其宽度厚度对比

2.3 冷却

影响铸管壁厚均匀性的原因很多，为了进一步加强铸管插口的壁厚均匀性，计划通过对插口的冷却来实现。在新兴铸管两台水冷离心机插口端盖上方加装冷却水，如图9 所示。水源取自离心机机体的循环水，在铁液凝固拔管之前打开循环水阀门进行冷却，加快管道插口冷却增加强度防止铸管变形，经过连续生产，达到预期效果。

图9 离心机加装冷却装置

3 结论

（1）通过制定扇形包制作和修包标准，规范了扇形包的形状尺寸，扇形包弧度合格浇注的铸管极差值≤1.5 mm 的比例较弧度不合格浇注的铸管极差值≤1.5 mm 的比例提高30%。

（2）通过对扇形包快翻延时、快翻速度、翻包返回延时三个参数摸索，结合实际生产情况进行相应的调整，DN400 的11 点壁厚极差≤1.5 mm占比较初期提高了25.3%，壁厚均匀性得到明显提高。

（3）通过在离心机设备基础上加大流槽斜度，提高铁液在流槽中流动速度，降低铁液宽度，铁液痕迹直且厚度变薄。

（4）通过在离心机插口端加装冷却装置，有效控制铸管插口壁厚，防止铸管插口变形，达到了控制铸管壁厚均匀性的预期目的。