我國的國民經(jīng)濟建設離不開閥門，在工業(yè)領域及城鄉(xiāng)基礎建設領域，閥門這一產品更是不可或缺。 閥門的品種繁雜，常見的有閘閥、蝶閥、截止閥、球閥、止回閥等，材質種類也很多，常見的有鑄鐵、鑄鋼及鑄銅，規(guī)格大小也各不相同，小的幾十克，大的幾十噸；不同之品種、不同之材料及不同之規(guī)格，都有不同之使用屬性。普通鑄鋼材質蝶閥，由于具備較高之耐壓強度，良好之密封性能，較低之成本，故在工業(yè)領域及市政工程領域得到廣泛應用，同樣由于蝶閥結構簡單、操作可靠、造價低廉、口徑齊全（50 ~5000mm ）在閥門需求領域上的比重應當是較高的。 但鑄鋼蝶閥如在鑄造工程中控制不當，會帶來很大之經(jīng)濟損失。

 

本文結合鑄鋼蝶閥的實際生產、相關技術資料及筆者多年來從事鑄造生產的一些寶貴經(jīng)驗， 對鑄鋼蝶閥常見的縮孔、裂紋作了原因分析，并提出了改進措施，并使用了科學軟件進行論證等方法，以給閥門生產廠家參考。

 

1 鑄鋼蝶閥之常見缺陷

蝶閥主要有閥體、閥瓣兩大鑄件（見圖 1 ），鑄造缺陷有縮孔、裂紋、氣孔、渣孔、夾砂、冷隔等，其中較為常見的是縮孔和裂紋，這兩大缺陷往往會導致鑄件無法修補（或修補成本很高）而報廢，故本文主要針對這兩類缺陷進行分析和找對策。

 

1 . 1 縮孔（Shrinkage ）

鑄鋼件的縮孔大致可分為內部縮孔、 敞露縮孔、縮松、縮陷及芯面縮孔等，閥體常見的縮孔位置出現(xiàn)在法蘭熱節(jié)處（內縮孔）冒口頸部，以及軸孔內部；閥瓣之常見縮孔位于鋸齒形密封槽內冒口頸部，軸銷孔內部，以及背部筋板之熱節(jié)處（外部形成縮凹）。 縮孔照片實例見圖2 。

 

1 . 2 裂紋

鑄鋼件的裂紋大致可分為縮裂、熱裂及冷裂，也有把其分為外裂紋、皮下裂紋和內裂紋。 閥體常見之裂紋發(fā)生在法蘭背部R 角處， 軸孔外部和本體相接之R 角處，以及軸銷孔內部；閥瓣之裂紋主要出現(xiàn)在軸孔內部及背部加強筋相交之熱節(jié)處。 裂紋照片實例見圖3 。

 

2 形成縮孔、裂紋之原因分析

2 . 1 造成縮孔之原因分析

由于鑄鋼件其液態(tài)收縮和凝固收縮值是一定的，收縮時間等于鑄件凝固時間， 收縮貫穿凝固過程的始終，不同于鑄鐵在凝固過程有析出石墨的石墨化膨脹，不存在有自補功能，所以其液態(tài)收縮和凝固收縮完全靠澆注系統(tǒng)和冒口的外部補縮，所以一旦澆注系統(tǒng)和冒口安排不合理，冒口補貼能力不足、鋼液澆注溫度過高、收縮量大，就會產生各類縮孔缺陷。也有這樣論述“鑄件在凝固過程中，鋼液的凝固收縮和液態(tài)收縮大于凝固收縮，凝固期過大造成縮孔”[ 1 ] ，實例照片（見圖2 ）

 

2 . 2 造成裂紋之原因分析

熱裂其實大部分和補縮及鑄件線收縮受阻有關系，其發(fā)生的時間段為凝固收縮之后期，此時的鑄件還未完成凝固，溫度比較高，同時鑄件的斷面厚薄連接處圓角過��；澆注系統(tǒng)不合理；鑄型的退讓性不足；硫磷含量過高等都為造成熱裂和縮裂（照片見圖3 ）。冷裂主要是鑄造應力超過合金之抗拉強度引起的鑄件開裂，其原因是鑄件設計不合理；壁厚懸殊；澆冒系統(tǒng)設置不科學，鑄件各部分溫差大，開箱過早或者開箱后未及時退火處理（實例照片是圖3 ）。

 

3 缺陷防止方法

3 . 1 縮孔、縮松的防止

3 . 1 . 1 凝固原理角度出發(fā)改進鑄造工藝

長期以來鑄鋼澆注系統(tǒng)工藝的制定都是遵循順序凝固原則采取的工藝措施，保證鑄件結構上各部分按遠離冒口的部分先凝固，靠近冒口的部分后凝固，冒口本身較后凝固的順序進行，以便在鑄件從遠離冒口部分到冒口之間建立一個遞增的溫度梯度。 為此要加強冒口要放在熱節(jié)處，如果實在無法防止就用補貼過渡，但冒口和補貼都要足夠大，保證冒口較后凝固，按照這種工藝設計基本能夠生產出合格鑄件，但實際生產中還是會存在一些問題。

 

1 ）閥體傳統(tǒng)工藝

一般為平做造型工藝（法蘭面一個在底部、一個在頂部），法蘭的熱節(jié)在法蘭和筒體相交處，而冒口必須放在法蘭熱節(jié)處，澆注系統(tǒng)采用底澆形式，澆注快結束時在冒口補澆熱鋼水，但缺點冒口必須足夠大，工藝出品率低且底法蘭熱節(jié)處易出現(xiàn)縮孔，且上法蘭冒口根部有時還會出現(xiàn)縮孔。 另軸孔部位的熱節(jié)處在澆注位置中部離冒口太遠，無法得到冒口補縮，易出現(xiàn)縮孔。

 

2 ）閥瓣的傳統(tǒng)工藝

壁厚差異大，熱節(jié)處比較多，較大熱節(jié)為軸銷孔部位， 但就是在熱節(jié)處放置冒口還是無法得到合格鑄件，同時由于軸銷處的熱節(jié)很大，冒口必須足夠大，故其工藝出品率及加工成本很高。

3 ）動態(tài)順序凝固

動態(tài)順序凝固時[ 2 ] 指冒口不放在鑄件的幾何熱節(jié)處，而是放在鑄件的幾何熱節(jié)的次熱帶處，利用冒口與鑄件次熱節(jié)行程的接觸熱節(jié)大于鑄件幾何熱節(jié)，并晚于鑄件幾何熱節(jié)凝固的特性，實現(xiàn)鑄件遠離冒口的部分和幾何熱節(jié)先凝固，次熱節(jié)和冒口后凝固的凝固順序。 動態(tài)順序凝固和傳統(tǒng)之順序凝固不同之處在于冒口的接觸熱節(jié)和鑄件的幾何熱節(jié)相分離，當然為了減少冒口之尺寸在鑄件之幾何熱節(jié)處遠離冒口端放置冷鐵。 可有效地減小冒口之體積提高工藝出品率， 同時也可有效地防止冒口頸之缺陷

 

a 、根據(jù)動態(tài)順序凝固原理特點設計澆冒口系統(tǒng)，并和《 華鑄 CAE / interCAST 集成系統(tǒng)》[ 3 ] 進行凝固過程電腦模擬驗證，模擬的三維照片見圖4 。照片說明：（1 ）由下而上，藍色的表示溫度較低、紅色表示溫度較高。

（2 ）顯示的顏色為液體表面而溫度一旦凝固變成固體，就不再顯示顏色，只用線條表示，S 表示秒，數(shù)字表示開始澆注后的時間。

（3 ）黑色表示鑄造缺陷（縮孔）。

b 、閥瓣（DN1600 蝶閥）軟件驗證實例（圖4 ）。該鑄件重量1540kg、材質為WCB、澆注溫度1580°C 、凝固溫度為1420°C 、設計的工藝為采用2 個熱暗冒口，冒口頸位置位于較大熱節(jié)（軸銷）處的邊緣靠底部，沒有放在熱節(jié)之正中央，下列圖4 （A ~F ）是澆注結束（ 澆注用469.69s） 后鑄件液體表面溫度狀況。 時間為469 . 69S →16050 . 31S ，即澆注結束至全部凝固之時間。 圖4 （A ）為剛澆注結束（時間點為469 . 69s ）的表面溫度模擬圖，由此看出由于鑄型的表面溫度較低， 鋼水迅速冷卻，表面的迅速降至1500 °C 以下，但由于熱節(jié)處以冒口處表面溫度局部還在 1513 °C 以上；圖 4 （B ）澆注后 351 . 9S（821 . 59s - 467 . 69s ）筋板部分開始凝固， 但熱節(jié)處和冒口處鋼液表面溫度變化不大。 圖四4 （C）澆注后1764.23s(2233.92s-469.69s)橫澆道筋板，底平板（中間位置）均開始凝固， 但熱節(jié)處和溫度還是比較高， 其中有一個冒口頂部出現(xiàn)縮凹；圖4（D）；澆注后4517.6(4987.29s-469 . 69s ) ,除了熱節(jié)的中心位置和冒口大部份溫度還比較高未凝固外， 鑄件大部分已凝固； 圖4 （E） 澆注后 12104.8s（12574.49s-469.69s） 除了冒口中心位置和冒口頸處未凝固，其余均已凝固；圖4 （F）澆注后15580.62s （16050 . 31s -469 . 69s ）凝固全部結束，冒口上部產生縮凹。 工藝模擬結果是合格的， 同時實際驗證也是合格的。 當然為了增加工藝之可靠性，在熱節(jié)處（筋板交接處、底平板的外園（厚實）處，軸孔位置底部） 適當放置冷鐵激冷效果更佳。

 

4 總結

在秦山核電二廠多次大修期間，經(jīng)過對換料水池去污作業(yè)人員弱貫穿輻射劑量調查，可以得出如下結論：

（1 ） 構件池去污作業(yè)人員的個人劑量明顯高于堆芯池去污作業(yè)， 而個人劑量比值Hp ( 3 ) / Hp ( 10 ) 和Hp( 0 . 07 ) / Hp ( 10 ) 的平均值十分接近；

（2 ）換料水池去污人員的三個工種中，外照射風險較大的為沖洗作業(yè)， 因此在作業(yè)前要特別做好水池內熱粒子的測量和排查工作；

（3 ）擦洗作業(yè)人員手掌皮膚劑量較高，建議做針對性監(jiān)測；

（4 ）對于眼晶體，考慮到近年來國際權威機構已將眼晶體年劑量限值由150mSv 降低到20mSv ， 建議對水池去污人員進行眼晶體劑量監(jiān)測；

（5 ） 作業(yè)人員劑量主要來自于水池內γ 射線的貢獻， 而個人防護用品對 γ 射線基本沒有衰減效果，綜合考慮建議維持目前個人防護用品配置， 不必額外增加防護用品。