CN108386622A - 球墨铸铁管及城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺及城镇高压燃气管线用球墨铸铁管 - Google Patents

球墨铸铁管及城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺及城镇高压燃气管线用球墨铸铁管 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种球墨铸铁管的制备工艺，包括铁液制备、球化处理和涂料热模法离心铸造等工艺步骤，制得的球墨铸铁管基体组织以铁素体为主，无游离渗碳体，珠光体含量低，延伸率大于18％，抗拉强度高，无渣眼、砂眼等铸造缺陷，气密性好。本发明还提供了一种城镇高压燃气管线用球墨铸铁管及其制备工艺，该城镇高压燃气管线用球墨铸铁管无渣眼、皮下气孔、砂眼、浇不足、冷隔重皮、缩孔、缩松等铸造缺陷，管壁厚度均匀、管体组织致密度高、气密性好，具备铺设城镇燃气管线的质量要求，适用于铺设输送压力为0.4～4.0MPa的城镇高压、次高压燃气管线，如果有特别需要，也可以用于不大于6.0MPa的燃气管线。

Description

球墨铸铁管及城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺及 城镇高压燃气管线用球墨铸铁管
技术领域
本发明属于球墨铸铁管制备技术领域，涉及一种球墨铸铁管的制备工艺，具体涉及一种可用于城镇高压燃气管线铺设的球墨铸铁管的制备工艺。
背景技术
目前城市铺设的天然气管线，高压段（≮2.5～4.0 MPa）和次高压段（≮0.8～1.6MPa）全部使用无缝钢管和焊接钢管，但目前这些燃气管线钢管存在以下问题：
（1）由于钢管的耐腐蚀性差，特别是耐电腐蚀能力很差，尽管在安装现场采取了种种防腐蚀处理措施，其设计寿命也仅有15年；而在一些土壤盐度较高的地区，实际使用寿命都不足15年，许多甚至寿命只有4～5年；这极易造成天然气的泄漏，特别是遇到地震、地面沉降等地质灾害时，往往会引发爆炸、起火等造成严重的人员伤亡事故的“次生灾害”，威胁到城市的生命财产安全；
（2）钢管需要运到现场后再进行焊接、试压、作防腐蚀处理等，操作复杂，土方挖掘量大，施工周期长，管道综合造价高，日常检测维护工作量大，且每隔几年就需要挖开道路重修，加重了市政工程建设的投资负担；
（3）由于燃气管线是由一段段钢管焊接连接起来的，即为刚性连接安装的，而经过几年腐蚀，管壁变薄后，管子的强度韧性都会明显降低，此时如果遇到地震、地面沉降等地质灾害时，管子受到拉伸、挤压、扭曲和重物砸碰冲击，管子很容易开裂、破坏断裂，致使天然气突然大量泄漏而引发爆炸、城市大火等严重次生灾害。
因钢管不耐腐蚀、不具备抵御强地震破坏的能力，一些发达工业化国家自上世纪七十年代起，开始陆续使用球墨铸铁管建设城市燃气管线。由于球墨铸铁管具有与钢管等同的强度和韧性，但其耐腐蚀性强，尤其是在耐受电腐蚀能力方面，球墨铸铁管是钢管的十几倍，因此，球墨铸铁管道的安全使用寿命可长达100年。球墨铸铁管采用胶圈密封承插式柔性接口进行连接，能够化解吸收强地震带给地下管线的破坏力，保持管线完好和维持正常的输气能力，从而避免城市发生地震次生灾害，确保城市减灾；并且铺设球墨铸铁管线的施工快捷简便，管线综合造价一次性投入与钢管线基本持平，而管线使用寿命超过钢管七倍以上，因此性价比大幅度超越钢管管线。到上世纪八十年代末，欧美日等一些国家的城市地下燃气管线的建设，已普遍采用了球墨铸铁管作为燃气管线用管。
目前一些国家如德国、英国、法国的城镇燃气管道用球墨铸铁管，其最高使用压力只有1.6 MPa。而我国的京、沪、广、深、津、成、渝等超大城市的人口数量都在千万级以上，燃气用管的使用压力只有1.6 MPa是不够的，因此我国制订的城市燃气管线标准规定的最高输送压力在4.0 MPa，目前在世界上是最高的。
然而，我国生产的球墨铸铁管由于工艺设备技术的局限，球墨铸铁管产品的自身质量多存在缺陷，主要是管子普遍存在砂眼、气孔、渣眼、冷隔重皮、壁厚不匀，以及承口端内部缩松、缩孔等铸造缺陷，严重降低了管子的气密性，并且还需要设立焊补工序对有渗漏缺陷的管子进行修复。因此，目前我国生产的球墨铸铁管只适用于给排水管道的铺设，而当球墨铸铁管需用于铺设城镇燃气管线时，国家标准《城镇燃气设计规范（GB50028-2006）》规定球墨铸铁管只能用于中压段（≤0.4 MPa），甚至江苏等省市已完全弃用国内质量不可靠的球墨铸铁管，在中压段也使用焊接钢管。可见，我国目前生产的球墨铸铁管由于质量缺陷，使其完全无法满足我国的城市燃气输送压力要求，致使目前国内燃气球墨铸铁管的生产已全部停止，甚至国内球墨铸铁管行业正计划与球墨铸铁管的国际标准ISO2531分道扬镳，在国家标准GB/T13295（水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件）中将燃气管道用球墨铸铁管剔除出去，只剩输水用球墨铸铁管，这将对我国球墨铸铁管行业的发展带来了严重的技术障碍和不良影响，而钢管由于不耐腐蚀、寿命短、需要经常维修和更换、不具备抵御强地震破坏的能力等自身固有缺陷，其大量使用也为城市安全埋下重大隐患。因此，迫切需要研发一种能够完全克服上述球墨铸铁管质量缺陷的新工艺技术，以使球墨铸铁管能够满足高输送压力的城镇燃气管线标准要求。
发明内容
本发明的其中一个目的在于提供一种球墨铸铁管，以解决上述技术问题中的至少一个。
本发明的另一个目的在于提供一种城镇高压燃气管线用球墨铸铁管，以解决上述技术问题中的至少一个。
本发明的另一个目的在于提供一种制备上述城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，以解决上述技术问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供了一种球墨铸铁管的制备工艺，包括如下步骤：
S1、铁液的制备：将炉料熔炼成原铁液并过热至不小于1500℃，根据铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成。
S2、球化处理：利用球化剂对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，并将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉，利用球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度；
S3、涂料热模法离心铸造：对喷涂的绝热涂料已干燥的热管模完成上承口芯后，驱动管模转动，并在管模转动的离心力达到离心力设定值时，将球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液经定量包注入管模中，并在浇注过程中对铁液进行随流孕育处理和对管模进行冷却处理，浇注完成后，待凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到设定温度时，将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出。
首先，本发明的制备工艺中，在铁液制备时是将熔炼出的原铁液过热到了1500℃及以上，由于在铁液制备阶段将原铁液过热至不小于1500℃的温度，可以促使碳发挥对铁液的脱氧净化作用，达到对原铁液的预球化处理效果，从而有利于石墨的球化；此外，在本发明的制备工艺中，还根据铁液化学成分的设定值对原铁液进行了化学成分组成的调整，由于球墨铸铁管口径规格及相应壁厚的不同，使不同规格的球墨铸铁管浇注后在凝固时间与冷却速度上存在差别，为防止球墨铸铁管的铸态毛坯出现游离渗碳体，对铁液碳当量的控制会根据不同口径、壁厚的球墨铸铁管的要求加以区别，给出不同的化学成分和碳当量的设定值，并据此进行调整；加之内壁喷涂了绝热涂层的热管模可以避免铁液激冷，从而能够避免在离心浇注过程中球墨铸铁管的铸态毛坯出现游离渗碳体，形成白口组织。
其次，本发明中是对温度在1500℃及以上且调整了化学成分组成的原铁液进行球化处理，并且将球化处理后的铁液注入到了球墨铸铁专用浇注电炉中（本发明实施例中提及的球墨铸铁专用浇注电炉为专利CN101658901B公开的浇注电炉设备），将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉中，一方面可以进一步对铁液进行脱硫、脱氧，另一方面可以稳定铁液中的残留Mg量，从而避免了铁液球化衰退，保证了制得的球墨铸铁管的球化级别，并稳定了其韧性、强度等机械性能；同时将铁液的浇注温度始终保持在不小于铁液的临界温度（即1420～1480℃）的温度范围，使铁液始终为非氧化性的洁净铁液，避免了球墨铸铁管在离心浇注过程中产生砂眼、渣眼等铸造缺陷，这保证了铁液的浇注温度始终维持在稳定的高温水平，有利于消除气孔、砂眼、渣眼等夹杂缺陷，高温还使铁液的流动性得以大幅度提高，避免了产生带有冷隔、浇不足等缺陷的球墨铸铁管废品。
再次，本发明制备工艺中，采用涂料热模法离心铸造工艺制备球墨铸铁管毛坯，并且是在管模转动的离心力达到离心力设定值时，再开始离心浇注过程，这样的制备工艺，使得能够根据需求在适合的离心力下启动浇注过程，从而控制制备出的球墨铸铁管毛坯的缩松情况。例如为了克服球墨铸铁凝固时的缩松缩孔倾向产生的内部疏松，离心浇注过程采用高转速大离心力的浇注工艺，这保证了浇注用的高温铁液始终在巨大离心力的作用下逐渐凝固（本发明实施例中优选在管模转动离心力达到80~110 G时开始浇注，比德·拉沃法的管模转动离心力40~50 G提高1倍左右），使得高温铁液在管模内始终在巨大离心力的作用下向管模内壁挤压，而不能向管模中心方向自由膨胀，实现了球墨铸铁铁液在粥状凝固及石墨化膨胀重合阶段的压力自补缩，从而保证了球墨铸铁管组织致密，厚壁部位厚度均匀且无缩孔、缩松等铸造缺陷，还保证了壁厚非常均匀与致密，无夹杂，因此制得的球墨铸铁管气密性好。此外，铁液合适的碳当量加上瞬时孕育，使制得的铸态球墨铸铁管毛坯的基体组织无游离渗碳体。
另外，本发明采用涂料热模法离心铸造工艺，绝热涂料喷涂前需先将管模预热至200~220℃，可保证喷涂时绝热涂料能迅速干透，在铁液注入管模时可避免由于绝热涂料起爆而导致管模被铁液烧蚀损坏，从而造成生产中断事故。
本发明实施例的铁液制备过程中，对S含量不大于0.12%的铁液均可以不经炉外脱硫处理直接注入感应保温电炉中，在调节原铁液的化学成分组成时，也不需要刻意对S含量进行控制，这是因为：1）球化处理的脱硫效果很好，对硫含量不大于0.2%、温度为1500℃的高温、高硫铁液都能处理成合格球墨铸铁铁液，并且可将球化后铁液的硫含量脱至小于0.01%的水平；2）球墨铸铁专用浇注电炉允许在球化处理后不必扒渣处理，而直接将球化处理包内的MgS渣和MgO渣直接倾入炉内，在直流电解的作用下将渣中的S2-和O2-阴离子脱掉，渣中Mg2+阳离子在接触到作为阴极的铁液时被还原成Mg重新进入铁液，与Mg从铁液中的逃逸损失形成动态平衡，稳定了铁液中的Mg残留量，避免了球化衰退，并使MgS渣和MgO渣化害为利，实现了金属镁的循环利用。而这也简化了生产工艺，提高了制备出的球墨铸铁管的机械性能和质量的一致性。
本发明实施例中，可以选用生铁、废钢、铁屑、含碳免烧砖和回炉料（主要为管件或其它铸件的浇冒口和少量球墨铸铁管与管件的不合格品）中的一种或多种作为炉料，根据不同炉料的化学成分组成、熔炼过程中化学成分可能存在的损耗和铁液化学成分的设定值进行配料，使熔炼后的原铁液化学成分的组成接近其设定值，简化铁液化学成分调整的工艺处理。
本发明实施例中，将炉料熔炼成原铁液的工艺可以采用冲天炉-感应电炉双联熔炼工艺，也可以采用高炉生铁铁液进入变频无芯感应电炉调整化学成分的“短流程”熔炼工艺。本发明实施例中将原铁液过热至不小于1500℃，可以是通过利用冲天炉对炉料进行熔炼，在熔炼后原铁液温度直接达到1500℃及以上（即原铁液的出铁温度不小于1500℃）实现的，也可以是通过采用其他熔炼方式，将熔炼后的原铁液在感应电炉中进行过热，使原铁液温度达到1500℃及以上（即，感应电炉保温温度设定在1500℃及以上）实现的。
本发明实施例浇注过程中对铁液进行随流孕育处理可以促进石墨化、防止浇注过程中铁液球化衰退，避免游离渗碳体的产生。本发明实施例中随流孕育处理所用孕育剂为常规孕育剂，可以是硅铁孕育剂、硅钡孕育剂中的一种或其组合，优选75FeSi孕育剂，用量为铁液重量的0.2~0.4%。
本发明实施例中，浇注过程中对管模进行的冷却处理优选为喷淋水冷却处理。凝固成形的球墨铸铁管毛坯在冷却过程中，可继续对管模进行冷却处理；对凝固后冷却速度相对较慢的大口径厚壁球墨铸铁管，为加速其冷却速度，也可以对管模内已凝固的球墨铸铁管毛坯采取吹风或喷水雾措施。
本发明实施例中对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理的工艺优选是对铁液碳当量不发生影响且脱硫效果显著的喂丝法或转包法。其中，需通过调整球化剂用量，使球化处理后铁液中Mg的残留量不小于0.035%。
在一些实施方式中，离心力设定值不小于80 G，且不高于110 G。由于在离心力较小时进行浇注会导致缩松、缩孔缺陷，而离心力过大时管模会因转速过高而使管模及设备的稳定性和设备安全性变差，因此，将离心力的设定转速设置为80G~110G（不同口径的球墨铸铁管离心力取值不同，其中，小口径管取值接近上限值，大口径管取值接近下限值），可以在避免缩松、缩松缺陷的同时，也保证设备与管模运转的稳定性，进而保证生产出的球墨铸铁管的质量和保证生产安全。
在一些实施方式中，管模内凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到的设定温度可以为760~830℃。拔管温度高于850℃时，球墨铸铁管强度不足，此温度下拔管易导致球墨铸铁管在拔管过程中变形，而当拔管温度低于共析点的温度（约730℃）时，球墨铸铁管会发生共析转变，导致晶格转变引发体积跃迁，使球墨铸铁管膨胀造成拔管困难。因此，拔管温度控制在760~830℃可以防止拔管困难和避免球墨铸铁管变形。
在一些实施方式中，步骤S2中，利用球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，可以是通过将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430~1480℃实现的。将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430~1480℃，可以使球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液注入管模中时，保持铁液为非氧化性的洁净铁液，由此既可以保证铁液有足够的流动性，又能保证浇注结束后管模内的铁液还能在高离心力作用下仍保持一段液态时间，从而避免球墨铸铁管产生浇不足、冷隔、缩松、缩孔、砂眼、渣眼、气孔、壁厚不均等铸造缺陷和废品，制得的球墨铸铁管管壁致密、均匀、无缺陷、气密性好。
在一些实施方式中，球化剂可以为镁锭，铁液化学成分的设定值可以为：C为3.4~3.7%、Si为2.0~2.6%，
根据对铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成包括：
基于上述设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7%，且使碳当量达到共晶成分（即碳当量达4.26%）或使碳当量达到4.1%~4.3%。由此，有利于本发明涂料热模法离心浇铸工艺处理过程中球墨铸铁管成形和获得基体组织中不含游离渗碳体的球墨铸铁管毛坯，在保证球墨铸铁管毛坯质量的同时，还能简化后续的退火工艺。同时，采用镁锭作为球化剂，一方面可以大幅度降低球化剂成本，另一方面也避免了稀土硅铁镁球化剂中的Si等元素对铁液成分的影响和干扰，还可以节约大量宝贵的稀土元素。
在一些实施方式中，步骤S2中，可以采用转包法对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，其中，镁锭球化剂的用量为原铁液重量的0.10~0.20%。采用转包法进行球化处理，球化处理效果好，且球化剂在转包的反应室中汽化的速度受控而不会发生爆炸。球化剂的用量为原铁液重量的0.10~0.15%，即可保证球化处理完成后铁液中Mg含量不小于0.04%，达到理想的球化效果，当原铁液中S含量大于0.12%时，球化剂的用量可根据需要增加到原铁液重量的0.18~0.20%。
根据本发明的另一个方面，提供了一种城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，包括如下步骤：
利用上述球墨铸铁管的制备工艺，制备球墨铸铁管毛坯；
对球墨铸铁管毛坯进行退火处理；
对退火后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工；
根据待铺设燃气管线对球墨铸铁管的压力要求（通常为0.4～4.0 MPa），即待铺设燃气管线的设计输送压力设定试验压力，并根据设定的试验压力对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，其中，试验压力不小于待铺设燃气管线的设计输送压力的1.20倍。
球墨铸铁管毛坯从管模中拔出后，由于管体温度高，可能会在冷空气中发生正火而产生大量珠光体，造成球墨铸铁管毛坯的延伸率下降，因此需要进行消除珠光体的退火处理。
本发明实施例中，精整加工包括承口内磨、插口外磨、内壁修磨、切管、倒角，以及S型、N型等密封接口球墨铸铁管的法兰钻孔。承口内磨、插口外磨是为了提高这些部位的表面光洁度，从而使其在球墨铸铁管连接过程中与密封胶圈配合时可以进一步提高球墨铸铁管的密封压力。
为了确保产品的高可靠性，本发明实施例中，城镇高压燃气管线用球墨铸铁管生产线上的气密性试验一般均采用试验压力不小于5.0 MPa、保压时间不小于20秒的检验方式，试验合格的球墨铸铁管可以根据需求继续完成后续的内外涂覆、终检验、喷商标和喷数字化标记等工序，然后打捆入库成为城镇高压燃气管线用球墨铸铁管成品。
本发明城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺可以有效避免球墨铸铁管在制备过程中产生渣眼、皮下气孔、砂眼、浇不足、冷隔重皮、缩孔、缩松等铸造缺陷，管壁厚度均匀（壁厚误差可控制在≯±0.3mm）、管体组织致密度高、气密性好，因此这种球墨铸铁管具备铺设城镇燃气管线的高压段A级（≮4.0 MPa）的质量要求。
在一些实施方式中，在退火处理之前还可以包括如下步骤：
对制备的球墨铸铁管毛坯的外壁进行清刷、吹洗；
对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格以及球墨铸铁管毛坯管体是否有铸造缺陷和其它损伤缺陷。
如果浇注时注入管模的铁液的实际温度足够高（例如不低于1400℃），球墨铸铁管毛坯从管模中拔出时，喷涂在管模内壁的绝热涂料会几乎全部挂在球墨铸铁管毛坯的外壁被带出，因此，需要对球墨铸铁管毛坯外壁进行清刷，再进行吹洗，将球墨铸铁管毛坯外壁残留的绝热涂料清洗干净。吹洗优选采用高压蒸汽对球墨铸铁管外壁进行吹洗。
刷管与吹洗完成后，需要对球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格，以及确定球墨铸铁管毛坯管体是否有渣眼、皮下气孔、砂眼、冷隔、重皮、缩孔、缩松等铸造缺陷和损伤裂纹等其他损伤缺陷。球化级别合格且无铸造缺陷和损伤裂纹的球墨铸铁管毛坯记为检验合格，而不合格的球墨铸铁管毛坯记为检验不合格，直接作为炉料回炉重熔。采用超声波对球墨铸铁管毛坯进行检测，可快速完成球墨铸铁管的无损检测，在不损害或不影响球墨铸铁使用性能的前提下，全面检测球墨铸铁管是否存在铸造缺陷和内部损伤缺陷；并且，将超声波用于测定球墨铸铁管的球化级别是否合格，其检测效率远高于传统的金相检测等方法，甚至还可以定量判定球墨铸铁管基体的不同组份及其含量；此外，采用超声波对球墨铸铁管毛坯进行检测，可以实现单一规格的大批量球墨铸铁管的连续在线检测，有利于实现球墨铸铁管生产线的自动化。
在一些实施方式中，退火处理的退火温度可以为780~850℃，退火时间为20~40min。与传统德·拉沃法退火工艺相比，本发明具有以下明显优势：1）本发明制备工艺制得的球墨铸铁管毛坯的基体中不含游离渗碳体，只是拔管后由于管体在空气中发生正火，此时发生的共析转变会使珠光体超标，因此，只需要对球墨铸铁管进行消除珠光体的低温退火，即可获得铁素体含量合格的高延伸率、高韧性的球墨铸铁管，这样可以明显降低退火处理的温度（从传统的980～1050℃降低到780～850℃）；2）本发明退火工艺取消了消除莱氏体的高温退火阶段和退火窑中间的快速水冷（或风冷）结构，简化了隧道式退火窑的设备结构，缩短了退火时间，降低了退火处理的能耗，延长了退火窑中耐火材料的寿命；3）避免了球墨铸铁管由于过烧而变形（即球墨铸铁管变椭圆）的风险和废品损失；4）由于球墨铸铁管的壁厚高度均匀，保证了退火过程的平稳流畅，可完全避免因个别球墨铸铁管局部壁厚过薄在加热后发生断裂带来的严重后果（断裂的球墨铸铁管堵塞在退火窑中，会引发连续式隧道退火窑设备故障，甚至引发停产事故）。
在一些实施方式中，在所退火处理之后、精整加工之前还可以包括如下步骤：
对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌。
本发明实施例中，喷锌可以是通过热喷锌、冷涂锌等方式实现，锌层厚度优选不小于40 µm。对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌，有利于提高球墨铸铁管表面耐受电腐蚀的能力，同时，还可以避免后续球墨铸铁管毛坯在进行气密性试验过程中，由于球墨铸铁管毛坯管体与水接触而导致管体表面生锈。
在一些实施方式中，在对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验之后还可以包括如下步骤：
对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁和外壁涂覆防护及功能性涂层，其中，内壁防护涂层的涂覆材料可以为环氧树脂、聚氨酯或脲醛树脂中的一种或多种，外壁防护涂层的涂覆材料可以为环氧沥青漆、聚氨酯、聚脲中的一种或多种。由此，可以减小流体输送的阻力，提高球墨铸铁管的耐腐蚀能力，延长球墨铸铁管的使用寿命。根据球墨铸铁管的不同用途和对外部防腐蚀条件等的不同要求，可以选择不同的涂覆材料对球墨铸铁管的内壁和外壁涂覆防护及功能性涂层，喷涂方式和涂层厚度可以根据不同的涂覆材料按需设置。
根据本发明的另一个方面，提供了上述城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺制得的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管。
在一些实施方式中，本发明提供的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管可以应用于铺设输送压力为0.4~4.0 MPa的城镇燃气管线。本发明提供的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管可以安全用于城镇高压段A级（2.5～4.0 MPa）、城镇高压段B级（1.6～2.5 MPa）、次高压段A级（0.8～1.6 MPa）和次高压段B级（0.4～0.8 MPa）燃气管线的铺设；如果有特殊需要，也可以用于不大于6.0 MPa的燃气管线的铺设。
在一些实施方式中，城镇高压燃气管线用球墨铸铁管连接时可以采用柔性机械密封接口，例如，其接口形式可以是S型机械式密封接口、N1型机械式密封接口、KII型机械式密封接口、K型机械式密封接口、SII型机械式密封接口，以及T型滑入式密封接口（T型接口仅限于1.6 MPa以下的次高压燃气管）；连接时所用密封胶圈的材料可以依据使用环境条件和对燃气管线设计寿命的要求，选用氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶或聚四氟乙烯。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作详细的说明。
实施例1 城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备
生产规格为DN600×6000 mm，PN=4.0 MPa的城镇高压A级燃气管线用球墨铸铁管，包括如下步骤：
S1、铁液制备：铁液化学成分的设定值为：C：3.4~3.7%、Si：2.4~2.5%，选用生铁、废钢和球墨铸铁管回炉料作为炉料，配料后炉料在40 t/h大型长炉龄富氧冲天炉中熔炼成原铁液后经虹吸式渣铁分离器将渣铁分离，原铁液由冲天炉的虹吸式出铁口注入60 t大容量有芯感应保温电炉中，感应保温电炉的设定温度为1500℃并保持恒温，根据铁液化学成分的设定值设定冲天炉熔炼工艺，使铁液的出铁温度大于1500℃，同时保证原铁液的化学成分组成在设定值范围内，若超出设定值范围，则将原铁液注入变频无芯感应电炉中，根据上述铁液化学成分的设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7%，且使碳当量达到4.2%~4.3%；
S2、球化处理：将原铁液重量0.16%的镁锭放入1.5 t转包的反应室，将感应保温电炉的原铁液注入转包中进行球化处理，球化处理后铁液中Mg残留量≥0.04%，铁液中化学成分组成包括：C：3.4~3.7%、Si：2.2~2.4%、Mn：＜0.3%、P：＜0.07%、S：＜0.01%，球化处理后的铁液无需扒渣操作，将转包内球化处理后的铁液用5 t旋转叉车运载直接注入12 t球墨铸铁专用浇注电炉（为保证生产不中断，1台专用浇注电炉需要用2台配1.5 t转包的5 t旋转叉车供应铁液），为使铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，球墨铸铁专用浇注电炉中设定的保温温度为1430℃；
S3、热模法离心铸造：在已经预热至200℃、且内壁清刷干净的热管模内壁喷涂绝热涂料，待绝热涂料彻底干燥后，将管模移至上芯工位，由机器人将承口芯安装在管模承口处；上芯完成后，将管模移至离心机组预转工位，管模预转至设定转速的85%时，移至离心浇注工位（管模在离心机组预转工位预转至设定转速的80~90%时再移至离心浇注工位，可以节省离心浇注工位提升管模转速的时间，提高生产效率）；移至离心浇注工位后，迅速将管模转速提升到最大值（离心力达到90 G），随即开始浇注，将球墨铸铁专用浇注电炉中的温度为1430℃的铁液经定量包注入管模中，同时加铁液重量0.3%的75FeSi孕育剂进行随流孕育，并且同时对管模进行淋水冷却；铁液凝固成形后，将管模移至冷却工位（可继续对管模喷淋水冷却，同时可向管模内喷水雾，加快红热球墨铸铁管毛坯的降温），随后管模移至拔管工位，待管模内球墨铸铁管毛坯冷却至830℃以下时，拔管机将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；拔出球墨铸铁管毛坯的空管模，再依次经过清刷工位、喷涂工位等，将管模承口端内壁残余涂料清刷干净，重新喷涂绝热涂料并干燥后，再次循环用于球墨铸铁管的制备；
其中，绝热涂料是水基涂料，由硅藻土和膨润土按重量比（15~20）:1配置而成，涂层厚度可以是0.6~1.2 mm。本实施例中，水基硅藻土涂料中硅藻土和膨润土按重量比18：1配置，涂层厚度是0.9 mm。
承口芯采用冷芯盒工艺，用自动化射芯机制芯。
S4、刷管与吹洗：利用刷管机对从管模中拔出的球墨铸铁管毛坯外壁带出的绝热涂料进行清刷及高压蒸气吹洗，彻底清除粘在球墨铸铁管毛坯外壁上的残余绝热涂料；
S5、无损检测：刷管与吹洗完成后，对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，判定铸管毛坯的球化级别、有无铸造缺陷或其他损伤缺陷，检验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.2%）；
S6、低温退火：经检验合格的球墨铸铁管毛坯转入隧道式退火窑退火，退火温度控制在780~850℃，退火时间30 min，出窑温度为680℃；
S7、喷锌：利用喷锌机对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行热喷锌，锌层厚度为40 µm；
S8、精整加工：对喷锌完成后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工，包括：磨承口与插口、磨内壁、切环倒角、法兰钻孔等；
S9、气密性试验：对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，试验压力为5.0 MPa，保压时间＞20 s；经气密性试验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.1%）；
S10、球墨铸铁管涂覆防护：对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁静电喷涂防护涂层，涂层材料为聚氨酯，涂层厚度为70 µm；对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的外壁，在其锌层上静电喷涂防护涂层，涂层材料为聚氨酯，涂层厚度为100 µm；之后再进行终检验，对合格品喷商标和质量跟踪数字码，即得球墨铸铁管成品。
经检测，本实施例制得的球墨铸铁管无砂眼、渣眼、气孔、冷隔、缩松、缩孔等铸造缺陷，经本体取样进行金相和机械性能检验，球化级别高且非常稳定，基体组织为铁素体为主的P15，延伸率为18~22%，抗拉强度为440~480 MPa。本实施例制得的球墨铸铁管适用于铺设输送压力4.0 MPa的城镇高压A级燃气管线，球墨铸铁管为S型柔性机械密封连接，所用密封胶圈材料优选聚四氟乙烯。
实施例2 城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备
生产规格为DN300×6000 mm，PN=2.5 MPa 的城镇高压B级燃气管线用球墨铸铁管，包括如下步骤：
S1、铁液制备：铁液化学成分的设定值为：C：3.4~3.7%、Si：2.4~2.5%，选用生铁、废钢和球墨铸铁管回炉料作为炉料，配料后炉料在40 t/h大型长炉龄富氧冲天炉中熔炼成原铁液后经虹吸式渣铁分离器将渣铁分离，原铁液由出铁口注入60 t大容量有芯感应保温电炉中，感应保温电炉的设定温度为1500℃并保持恒温，根据铁液化学成分的设定值设定冲天炉熔炼工艺，使铁液的出铁温度大于1500℃，同时保证原铁液的化学成分在设定值范围内，若超出设定值范围，则将原铁液注入变频无芯感应电炉中，根据上述铁液化学成分的设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7%，且使碳当量达到4.2%~4.3%；
S2、球化处理：将原铁液重量0.12%的镁锭放入1.5 t转包的反应室，将感应保温电炉的原铁液注入转包中进行球化处理，球化处理后铁液中Mg残留量≥0.04%，铁液中化学成分组成包括：C：3.2~3.6%、Si：2.4~2.5%、Mn：＜0.3%、P：＜0.07%、S：＜0.01%，无需扒渣操作，将转包内球化处理后的铁液用5 t旋转叉车运载直接注入8 t球墨铸铁专用浇注电炉，为使铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，球墨铸铁专用浇注电炉中设定的保温温度为1440℃；
S3、涂料热模法离心铸造：在预热至220℃、且内壁清刷干净的热管模内壁喷涂绝热涂料，待绝热涂料彻底干燥后，将管模移至上芯工位，由机器人将承口芯安装在管模承口处；上芯完成后，将管模移至在离心机组预转工位，管模预转至设定转速的85%时，移至离心浇注工位，迅速将管模转速提升到最大值（离心力达到98 G），随即开始浇注，将球墨铸铁专用浇注电炉中的温度为1440℃的铁液经定量包注入管模中，同时加铁液重量0.3%的75FeSi孕育剂进行随流孕育，并且同时对管模进行淋水冷却；铁液凝固成形后，将管模移至冷却工位（可继续对管模喷淋水冷却，同时可向管模内喷水雾，加快红热球墨铸铁管毛坯的降温），随后管模移至拔管工位，待管模内球墨铸铁管毛坯冷却至830℃以下时，拔管机将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；拔出球墨铸铁管毛坯的空管模，再依次经过清刷工位、喷涂工位等，将管模承口端内壁残余涂料清刷干净，重新喷涂绝热涂料并干燥后，再次循环用于球墨铸铁管的制备；
其中，本实施例中，以水作为涂料载体，将硅藻土和膨润土按重量比20：1制备绝热涂料，涂层厚度为0.4～0.8 mm，本实施例中，优选涂层厚度为0.6 mm。
承口芯采用冷芯盒工艺，采用自动化射芯机制芯。
S4、刷管与吹洗：利用刷管机对从管模中拔出的球墨铸铁管毛坯外壁带出的绝热涂料进行清刷及高压蒸气吹洗，彻底清除粘在球墨铸铁管毛坯外壁上的残余绝热涂料；
S5、无损检测：刷管与吹洗完成后，对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，判定铸管毛坯的球化级别、有无铸造缺陷或其他损伤缺陷，检验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.2%）；
S6、低温退火：经检验合格的球墨铸铁管毛坯转入隧道式退火窑退火，退火温度控制在780~850℃，退火时间30 min，出窑温度为680℃；
S7、喷锌：利用喷锌机对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行热喷锌，锌层厚度为40 µm；
S8、精整加工：对喷锌完成后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工，包括：磨承口与插口、磨内壁、切环倒角、法兰钻孔等；
S9、气密性试验：对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，试验压力为5.0 MPa，保压时间＞20 s；经气密性试验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.1%）；
S10、球墨铸铁管涂覆防护：对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁静电喷涂防护涂层，涂层材料为环氧树脂，涂层厚度为100 µm；对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的外壁，在其锌层上静电喷涂防护涂层，涂覆材料为聚氨酯，涂层厚度为100 µm；之后再进行终检验，对合格品喷商标和质量跟踪数字码，即得球墨铸铁管成品。
经检测，本实施例制得的球墨铸铁管无砂眼、渣眼、气孔、冷隔、缩松、缩孔等铸造缺陷，经本体取样进行金相和机械性能检验，球化级别高且非常稳定，基体组织为铁素体为主的P15，延伸率为18~22%，抗拉强度为440~480 MPa。本实施例制得的球墨铸铁管适用于铺设输送压力2.5 MPa的城镇高压B级燃气管线，为S型柔性机械密封连接，所用密封胶圈的材料优选为氟橡胶。
实施例3 城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备
生产规格为DN100×6000 mm，PN=1.6 MPa 的城镇次高压A级燃气管线用球墨铸铁管，包括如下步骤：
S1、铁液制备：铁液的化学成分的设定值为：C：3.4~3.7%、Si：2.3~2.6%，选用生铁、废钢、含碳免烧氧化铁砖和回炉料作为炉料，配料后炉料在30 t/h大型长炉龄富氧冲天炉中熔炼成原铁液后，经虹吸式渣铁分离器将渣铁分离，原铁液由出铁口注入53 t大容量有芯感应保温电炉中，感应保温电炉的设定温度为1500℃并保持恒温，根据铁液化学成分的设定值设定冲天炉熔炼工艺，使铁液的出铁温度大于1500℃，同时保证原保证铁液的化学成分组成在设定值范围内，若超出设定值范围，则将使用10 t变频无芯感应电炉熔化铁液并注入53 t大容量有芯感应保温电炉中进行调整，以确保上述铁液化学成分达到设定值，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7%，且使碳当量达到4.2%~4.3%；
S2、球化处理：将原铁液重量0.14%的镁锭放入1.5 t转包的反应室，将感应保温电炉的原铁液注入转包中进行球化处理；球化后铁液中Mg残留量≥0.04%，铁液中化学成分组成包括：C：3.4~3.7%、Si：2.2~2.6%、Mn：＜0.3%、P：＜0.07%、S：＜0.01%；将球化处理后的铁液不经过扒渣处理，用5 t旋转叉车运载直接注入8 t球墨铸铁专用浇注电炉，为保证这种小口径球墨铸铁管产品质量所需的足够高的浇注温度，球墨铸铁专用浇注电炉中设定的保温温度为1460℃；
S3、涂料热模法离心铸造：在预热至220℃、且内壁清刷干净的热管模内壁喷涂绝热涂料，待绝热涂料彻底干燥后，将管模移至上芯工位，由机器人将承口芯安装在管模承口处；上芯完成后，将管模移至在离心机组预转工位，管模预转至设定转速的85%时，移至离心浇注工位，迅速将管模转速提升到最大值（离心力达到110 G），随即开始浇注，将球墨铸铁专用浇注电炉中的温度为1460℃的铁液经定量包注入管模中，并加铁液重量0.3%的75FeSi孕育剂进行随流孕育，并且同时对管模进行淋水冷却；铁液凝固成形后，将管模移至冷却工位（可继续对管模喷淋水冷却），随后管模移至拔管工位，待管模内球墨铸铁管毛坯冷却至830℃以下时，拔管机将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出；拔出球墨铸铁管毛坯的空管模，再依次经过清刷工位、喷涂工位等，将管模承口端内壁残余涂料清刷干净，重新喷涂绝热涂料并干燥后，再次循环用于球墨铸铁管的制备；
本实施例中，以水作为涂料载体，将硅藻土和膨润土按重量比20：1配置成绝热涂料，涂层厚度为0.4 mm。
承口芯采用冷芯盒工艺，采用自动化射芯机制芯。
S4、刷管与吹洗：利用刷管机对从管模中拔出的球墨铸铁管毛坯外壁带出的绝热涂料进行清刷及高压蒸气吹洗，彻底清除粘在球墨铸铁管毛坯外壁上的残余绝热涂料；
S5、无损检测：刷管与吹洗完成后，对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，判定铸管毛坯的球化级别、有无铸造缺陷或其他损伤缺陷，检验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.3%）；
S6、低温退火：经检验合格的球墨铸铁管毛坯转入隧道式退火窑退火，退火温度控制在780~850℃，退火时间30 min，出窑温度为680℃；
S7、喷锌：利用喷锌机对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行热喷锌，锌层厚度为40 µm；
S8、精整加工：对喷锌完成后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工，包括：磨承口与插口、磨内壁、切环倒角、法兰钻孔等；
S9、气密性试验：对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，试验压力为5.0 MPa，保压时间＞20 s；经气密性试验合格的球墨铸铁管进入下一工序，判断为废品的球墨铸铁管作为炉料回炉重熔（通常情况下此处废品率不超过0.2%）；
S10、球墨铸铁管涂覆防护：对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁静电喷涂防护涂层，涂层材料为环氧树脂，涂层厚度为80 µm；对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的外壁，在其锌层上通过静电喷涂工艺涂覆防护涂层，涂覆材料为环氧沥青漆，涂层厚度为100 µm；之后再进行终检验，对合格品喷商标和质量跟踪数字码，即得球墨铸铁管成品。
经检测，本实施例制得的球墨铸铁管无砂眼、渣眼、气孔、冷隔、缩松、缩孔等铸造缺陷，经本体取样进行金相和机械性能检验，球化级别高且非常稳定，基体组织为铁素体为主的P5，延伸率为18~24%，抗拉强度为420~450 MPa。本实施例制得的球墨铸铁管适用于铺设输送压力1.6 MPa的城镇次高压A级燃气管线，为T型柔性密封连接，所用密封胶圈的材料优选为氢化丁腈橡胶。
在一些实施例中，本发明城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的生产线可以实现自动化或半自动化，如：（1）铁液制备过程中，冲天炉可以由专家系统智能控制，实现炉子工况和熔炼参数的全程自动控制；（2）球化处理过程中，转包内的铁液可以在旋转叉车上完成球化处理、铁液转运、向专用浇注电炉内倾倒等动作；（3）绝热涂料制备过程中，可以由离心机组自带的涂料自动化配置搅拌系统加工成合格涂料随时备用；（4）承口芯的安装可以通过机器人或者机械手进行等。由此，有利于节省人力物力，提高球墨铸铁管的生产效率。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、铁液的制备：将炉料熔炼成原铁液并过热至不小于1500℃，根据铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成；
S2、球化处理：利用球化剂对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，并将球化处理后的铁液注入球墨铸铁专用浇注电炉，利用所述球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度；
S3、涂料热模法离心铸造：对喷涂的绝热涂料已干燥的热管模完成上承口芯后，驱动管模转动，并在管模转动的离心力达到离心力设定值时，将球墨铸铁专用浇注电炉中的铁液经定量包注入管模中，并在浇注过程中对铁液进行随流孕育处理和对管模进行冷却处理，浇注完成后，待凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到设定温度时，将球墨铸铁管毛坯从管模中拔出。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，所述离心力设定值不小于80G，且不高于110G。
3.根据权利要求1所述的球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，凝固成形的球墨铸铁管毛坯冷却到的所述设定温度为760～830℃。
4.根据权利要求1所述的球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，利用所述球墨铸铁专用浇注电炉将铁液的浇注温度保持不小于铁液的临界温度，是通过将球墨铸铁专用浇注电炉中的保温温度设定为1430～1480℃实现的。
5.根据权利要求1～4任一项所述的球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，所述球化剂为镁锭，所述铁液化学成分的设定值为：C为3.4～3.7％、Si为2.0～2.6％，
所述根据铁液化学成分的设定值调整原铁液的化学成分组成包括：
基于上述设定值调整原铁液中的碳和硅的质量分数，以使原铁液中碳的质量分数不高于3.7％，且使碳当量达到共晶成分或使碳当量达到4.1％～4.3％。
6.根据权利要求5所述的球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，采用转包法对已调整好化学成分组成的原铁液进行球化处理，其中，镁锭球化剂的用量为原铁液重量的0.10～0.20％。
7.城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
利用权利要求1～6任一项所述的制备工艺，制备球墨铸铁管毛坯；
对所述球墨铸铁管毛坯进行退火处理；
对退火后的球墨铸铁管毛坯进行精整加工；
根据待铺设燃气管线的设计输送压力设定球墨铸铁管毛坯的试验压力，对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验，其中，试验压力不小于待铺设燃气管线的设计输送压力的1.20倍。
8.根据权利要求7所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在所述退火处理之前还包括如下步骤：
对制备的球墨铸铁管毛坯的外壁进行清刷、吹洗；
对外壁清刷、吹洗干净后的球墨铸铁管毛坯进行超声波无损检测，确定球墨铸铁管毛坯的球化级别是否合格以及球墨铸铁管毛坯管体是否有铸造缺陷和其它损伤缺陷。
9.根据权利要求7或8所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，所述退火处理的退火温度为780～850℃，退火时间为20～40min。
10.根据权利要求9所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在所述退火处理之后、精整加工之前还包括如下步骤：
对退火后的球墨铸铁管毛坯的外表面进行喷锌。
11.根据权利要求10所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺，其特征在于，在对精整加工后的球墨铸铁管毛坯进行气密性试验之后还包括如下步骤：
对气密性试验合格的球墨铸铁管毛坯的内壁和外壁涂覆防护及功能性涂层。
12.根据权利要求7～11任一项所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管的制备工艺制得的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管。
13.根据权利要求12所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管，其特征在于，所述城镇高压燃气管线用球墨铸铁管应用于铺设输送压力为0.4～6.0MPa的燃气管线。
14.根据权利要求12所述的城镇高压燃气管线用球墨铸铁管，其特征在于，所述城镇高压燃气管线用球墨铸铁管连接时采用柔性机械密封接口，连接时所用密封胶圈的材料选自氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶或聚四氟乙烯。
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