CN109877274A - 一种超低温阀门铸件的铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温阀门铸件的铸造工艺，包括、生产准备、冶炼、浇筑、清砂、精整等步骤，采用降低铬/镍当量比来降低奥氏体中铁素体的含量，从而避免或降低奥氏体不锈钢的铁素体脆化与马氏体变态，加入氮元素来降低有害元素硫、磷的含量，在钢水脱氧时加入了硅钙合金和稀土元素，降低氧含量与夹杂物比例外，采用停电造渣工艺等措施以提高铸件的耐低温冲击的性能。另外本发明从设计开始，对铸件的壁厚差，钢水净化，浇注系统，铸件冒口切割，抛丸作业，热处理等方面都做了进一步改善。用本发明工艺生产出来的阀门铸件经过零下196℃的处理，经检验已具备尺寸和密封性能的稳定性，具备了低温环境下的塑性和韧性，而且有更佳的综合使用性能。

Description

一种超低温阀门铸件的铸造工艺

技术领域

本发明涉及一种铸造工艺，具体是一种超低温阀门铸件的铸造工艺。

背景技术

根据我国能源结构调整的要求，天然气在能源供给中的比例将有较大幅度增长。经过多年努力，天然气液化装置和接收站主要设备国产化已经取得了重要进展，但低温阀门、低温泵和装卸料臂等关键设备一直依赖进口。为保障国家能源安全，适应天然气管网“互联互通”需求，中国通用机械工业协会和昆仑能源计划以液化天然气项目设计制造要求为依据，组织开展关键设备后续国产化攻关。

目前阀门在零下100℃以下使用的阀门材料基本选用奥氏体不锈钢(主要为CF8或CF8M)，避免低温使用时因马氏体变态产生的体积膨胀导致的尺寸变化，追求尺寸稳定性低温下不影响密封性能。且一般CF8或CF8M材质内的铁素体含量过高时，铁素体本身在低温下也会有脆化问题。因此控制好材料性质特别重要。低温用奥氏体不锈钢一般不需考虑耐蚀性能，因为在低温下就算有腐蚀介质的存在，其化学反应速率很慢甚至不会发生；且低温介质一般为液氧，液氮等腐蚀性很弱的液相，在无水的条件下，液化的气体腐蚀性很低。但低温下的金属材料必须都具有良好的塑性与韧性，高弹性模数，低导热与导电性能以及良好的焊接性能；主要在不能有低温脆化的问题，即不能有所谓的转脆温度。

金属晶体结构一般分为体心立方(BCC)，体心正方(BCT)，面心立方(FCC)以及HCP等，其中除了FCC结构之外，其它结构在低温下都会有脆化问题，故低温下使用的钢种必须为FCC结构的金属。低温下的金属材料需要有很好的尺寸稳定性以免影响密封性能，一般FCC(奥氏体组织)在低温下会有自发形成马氏体的倾向，而马氏体变态为膨胀行为，会因此导致尺寸变化造成泄漏，奥氏体不锈钢的组织为面心立方结构(FCC)，且具备良好的塑性，韧性，以及良好的焊接性能等特性；非常适合作为低温用材料。

然而，在超低温条件下，选用奥氏体不锈钢的不足作为阀门铸件的材料存在下列的不足之处：首先是受奥氏体不锈钢内的铁素体的影响，如316等奥氏体不锈钢中的铁素体组织为BC结构，低温下会有转脆问题；而且铁素体组织与奥氏体组织因热胀系数不同，在低温下收缩尺寸不同而导致应力(或应变)，加剧马氏体生成倾向。再者是奥氏体组织本身的制约因素，奥氏体不锈钢在冷却过程中(低温下)或材料经受应力或变形时，会因马氏体变态而导致材料性质的变化，马氏体变态的膨胀行为使尺寸变化影响压力容器的密封性能，而且马氏体在低温下会脆化并具有磁性。故如何避免低温环境下马氏体变态就成为低温阀门铸件制造过程中的关键因素。

发明内容

为了避免低温环境下马氏体变态，控制奥氏体不锈钢内的铁素体的含量，及解决冷却过程中材料经受应力变形的问题，本发明提出一种超低温阀门铸件的铸造工艺。具体技术方案如下：

一种超低温阀门铸件的铸造工艺，包括步骤如下：

S1：铸件设计：包括阀门铸件的造型设计，计算阀门铸件的收缩率，以及分型面选择等，保证阀门铸件的尺寸精度和质量；

S2：生产准备：结合步骤S1中的铸件设计，准备包括生产阀门铸件的物料准备及生产机械设备，同时进行造芯工作；

S3：冶炼：根据步骤S1、S2中的阀门铸件设计和材质以及生产要求，进行炉料配比并选择合适的熔炼方式，设置合理的熔炼温度及时间，其间对阀门铸件的材质成份含量予以控制；

S4：钢水净化：对骤S3中获冶炼获得的钢水进行成分化验，并钢水控制钢水纯净度，降低刚水中的夹杂物；

S5：浇筑铸造：采用撇渣和紊流的浇注系统将经骤S4净化后的钢水浇筑，并根据阀门铸件的液重结合生产实际确定铸件的浇注时间和浇筑温度进行浇筑造型；

S6：切割清砂：依照落砂安全操作规程，对步骤S5中铸造完成的阀门铸件和模具上残留的黏砂进行清砂处理，并切割浇冒口；

S7：铸后处理：将经步骤S6处理的阀门铸件进行铸后热处理，保证铸件性能，防止铸件变形和破坏。

S8：抛丸精整：将经步骤S7热处理的阀门铸件进行抛丸作业，精整强化铸件表面质量，获得阀门铸件成品。

前述的超低温阀门铸件的铸造工艺，步骤S3中炉料配比主要是采用90～95％的本钢种高合金钢返回料，配料上炉前先在炉底加入钢液重量1.0％～2.2％的FeSi，最后配入Ni元素使炉内物质总量达中上线。该步骤中所述的阀门铸件的材质成份控制，主要是指对有害元素P、S的含量和铁素体的含量控制，对有害元素是加入一定量的氮元素以降低有害元素P、S的含量，铁素体是通过降低铬/镍当量比值P来控制铁素体的含量。

优选的，前述的超低温阀门铸件的铸造工艺，所述加入氮的含量为0.04～0.20％，有害元素P、S含量分别控制在S<0.015％，P<0.0，20％；所述铬/镍当量比值P控制在P≤0.9，将铁素体含量控制在5.0％以下。

前述的超低温阀门铸件的铸造工艺，步骤S4中包括脱氧环节和造渣环节，所述脱氧环节钢水脱氧时加入硅钙合金和稀土元素，以降低氧含量与夹杂物的比例；所述造渣环节采用停电造渣工艺，提高铸材的延韧性能。

优选的，步骤S5中浇筑时合理布置铸件冒口的位置，延长补贴，使铸造朝着冒口方向的顺序凝固，以提高铸件内部品质。

优选的，步骤S6中阀门铸件冒口切割采用等离子切割技术，以免造成铸件切割部位增碳。

优选的，步骤S7中阀门铸件热处理的温度控制在1060℃～1100℃，并根据铸件壁厚确定和延长保温时间。

前述的超低温阀门铸件的铸造工艺，步骤S7中还包括快速冷却工序，且所述冷却工序使用的冷却系统增设搅拌装置。

另外，前述的超低温阀门铸件的铸造工艺，还包括检验步骤，将铸造得到的阀门铸件成品置于零下196℃的进行超低温处理以检验其耐低温性能。

本发明的有益效果是：

相对于传统的铸造工艺而言，本发明，首先，采用降低铬/镍当量比来降低奥氏体中铁素体的含量，达到降低整个组织中铁素体的含量，从而避免或降低奥氏体不锈钢的铁素体脆化与马氏体变态。其次，是加入氮元素来降低有害元素硫、磷的含量，以避免硫含量高使阀门铸件中的硫与氢结合形成硫化氢，而硫化氢可引起金属材料的应力腐蚀开裂，不能满足阀门铸件超低温下的使用要求。再者，是对钢水纯净度的改善，以减少钢材中夹杂物，避免因钢材中夹杂物的热胀系数与基体间存在很大的差异，在低温环境下两者之间的尺寸变化不同而导致应力的产生，除了造成马氏体变态之外，也会使应力集中于夹杂物而使其成为裂纹的起始点。而且，在钢水脱氧时加入了硅钙合金和稀土元素，降低氧含量与夹杂物比例外同时，还可净化晶界，另外，采用停电造渣工艺能提高铸材的延韧性能。

处理上述的改进外，本发明从阀门设计开始，还尽量减小铸件壁厚的差，采用撇渣和紊流的浇注系统，合理布置冒口的位置，延长补贴，制造朝着冒口方向的顺序凝固，以提高铸件内部品质，使无损检测达到RT2级以内；在造型和制芯时，整个铸件接触面都用特殊砂造型，以降低不锈钢铸件表面的碳含量，增加铸件表面致密性，使晶粒细化而提升使用性能；铸件冒口切割，采用等离子切割，避免了用电焊条熔化切割造成铸件切割部位增碳，抛丸作业用较细的不锈钢抛丸子，降低可能产生的应力，同时提升了铸件表面光洁度。而且为了确保所有偏析成分能够充分固溶，我们提高热处理的温度，温度控制在1100℃，并根据铸件的壁厚和结构不同，制定相应的热处理工艺，延长保温时间，使温度渗透均匀，快速冷却，冷却水增设搅拌装置。用本发明工艺生产出来的阀门铸件经过零下196℃的处理，经检验已具备尺寸和密封性能的稳定性，具备了低温环境下的塑性和韧性，而且有更佳的综合使用性能。

附图说明

图1为用本发明超低温阀门铸件的铸造工艺铸造的铸件金相分析结果，其基体为奥氏体和枝晶状分布的铁素体(金相图，100X)；

图2、图3为用本发明超低温阀门铸件的铸造工艺铸造的铸件样品Z7和Z8晶间腐蚀试验结果，(金相图，10X)。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述：

实施例1：

一种超低温阀门铸件的铸造工艺，包括步骤如下：

S1：铸件设计：包括阀门铸件的造型设计，计算阀门铸件的收缩率，以及分型面选择等，保证阀门铸件的尺寸精度和质量。

S2：生产准备：结合步骤S1中的铸件设计，准备包括生产阀门铸件的物料准备及生产机械设备，同时进行造芯工作。

S3：冶炼：根据步骤S1、S2中的阀门铸件设计和材质以及生产要求，进行炉料配比并选择合适的熔炼方式，设置合理的熔炼温度及时间，其间对阀门铸件的材质成份含量予以控制；炉料配比主要是采用90～95％的本钢种高合金钢返回料，配料上炉前先在炉底加入钢液重量1.0％～2.2％的FeSi，最后配入Ni元素使炉内物质总量达中上线。该步骤中所述的阀门铸件的材质成份控制，主要是指对有害元素P、S的含量和铁素体的含量控制，对有害元素是加入一定量的氮元素以降低有害元素P、S的含量，铁素体是通过降低铬/镍当量比值P来控制铁素体的含量。优选的，所述加入氮的含量为0.04～0.20％，有害元素P、S含量分别控制在S<0.015％，P<0.0，20％；所述铬/镍当量比值P控制在P≤0.9，将铁素体含量控制在5.0％以下。

S4：钢水净化：对骤S3中获冶炼获得的钢水进行成分化验，并钢水控制钢水纯净度，降低刚水中的夹杂物；本步骤S中包括脱氧环节和造渣环节，所述脱氧环节钢水脱氧时加入硅钙合金和稀土元素，具体的，加入硅钙合金的量为0.8％～1.0％；加入稀土元素的量为4％，提高抗氧化能力，降低氧含量与夹杂物的比例；所述造渣环节采用停电造渣工艺，提高铸材的延韧性能。

S5：浇筑铸造：采用撇渣和紊流的浇注系统将经骤S4净化后的钢水浇筑，并根据阀门铸件的液重结合生产实际确定铸件的浇注时间和浇筑温度进行浇筑造型；优选的，本步骤中浇筑时合理布置铸件冒口的位置，延长补贴，使铸造朝着冒口方向的顺序凝固，以提高铸件内部品质，以达到无损检测为RT2级以内的目标。另外，为了降低不锈钢铸件表面的碳含量，增加铸件表面致密性，使晶粒细化而提升使用性能，我们在造型和制芯时，整个铸件接触面都用特殊砂造型。

S6：切割清砂：依照落砂安全操作规程，对步骤S5中铸造完成的阀门铸件和模具上残留的黏砂进行清砂处理，并切割浇冒口；优选的，本步骤中阀门铸件冒口切割采用等离子切割技术，避免了用电焊条熔化切割造成铸件切割部位增碳。

S7：铸后处理：因化学成分的调整，为了确保所有偏析成分能够充分固溶，并根据铸件的壁厚和结构不同，制定相应的热处理工艺，将经步骤S6处理的阀门铸件进行铸后热处理，保证铸件性能，防止铸件变形和破坏。本步骤中阀门铸件热处理的温度控制在1060～1100℃，优选的为1100℃，并根据铸件壁厚确定和延长保温时间，使温度渗透均匀。本步骤中还包括快速冷却工序，且所述冷却工序使用的冷却系统增设搅拌装置，所述的冷却系统增设搅拌装置优选为在冷却池底部，增加气管，输入压缩空气，搅拌冷却水。

S8：抛丸精整：将经步骤S7热处理的阀门铸件进行抛丸作业，抛丸作业用较细的不锈钢抛丸子，降低可能产生的应力，同时提升了铸件表面光洁度，强化铸件表面质量，以获得合格的阀门铸件成品备用。

实施例2：

超低温阀门铸件的在低温环境下性能检验：

将用实施例1所属的铸造工艺生产出来的铸件置于零下196℃的环境下进行冲击试验样品数量为5个，并进行重复是实验，测验结果如表1所示：

表1.超低温铸件的在-196℃下冲击试验报告

实施例3：

将用实施例2所述的铸件试样Z3进行金样分析，测试方法为GB/T13298-2015金属显微组织检验方法，检测设备为金相显微镜MS03，测试结果如图1所示。

实施例4：

将用实施例1所属的铸造工艺生产出来的铸件进行晶间腐蚀试验，测试方法为ASTM A262-205Standdard Practices for Detecting Susceptiility toIntergranularAttack in Austenitic Stainless Steels(Method E)，测验设备为：电炉EP06～EP08、数显卡尺DC02(0-200mm)，电子万能试验机ET01(WDW-50)、Dino-lite显微镜DL01(JSZ6)，测验结果如表2及图2、3所示。

表2.超低温铸件晶间腐蚀试验结果

根据实施例2、3、4测验结果显示，本发明工艺制作的阀门铸件在超低温下具备尺寸和密封性能的稳定性，具备低温环境下的塑性和韧性，而且有更佳的综合使用性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非只包含一个的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：包括步骤如下：

S1：铸件设计：包括阀门铸件的造型设计，计算阀门铸件的收缩率，以及分型面选择等，保证阀门铸件的尺寸精度和质量；

S2：生产准备：结合步骤S1中的铸件设计，准备包括生产阀门铸件的物料准备及生产机械设备，同时进行造芯工作；

S3：冶炼：根据步骤S1、S2中的阀门铸件设计和材质以及生产要求，进行炉料配比并选择合适的熔炼方式，设置合理的熔炼温度及时间，其间对阀门铸件的材质成份含量予以控制；

S4：钢水净化：对骤S3中获冶炼获得的钢水进行成分化验，并钢水控制钢水纯净度，降低刚水中的夹杂物；

S5：浇筑铸造：采用撇渣和紊流的浇注系统将经骤S4净化后的钢水浇筑，并根据阀门铸件的液重结合生产实际确定铸件的浇注时间和浇筑温度进行浇筑造型；

S6：切割清砂：依照落砂安全操作规程，对步骤S5中铸造完成的阀门铸件和模具上残留的黏砂进行清砂处理，并切割浇冒口；

S7：铸后处理：将经步骤S6处理的阀门铸件进行铸后热处理，保证铸件性能，防止铸件变形和破坏；

S8：抛丸精整：采用较细的不锈钢抛丸子对经步骤S7热处理的阀门铸件进行抛丸作业，精整强化铸件表面质量，获得阀门铸件成品。

2.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S3中炉料配比主要是采用90～95%的精炼钢锭，配料上炉前先在炉底加入钢液重量1.0%～2.2%的FeSi，最后配入Ni元素使炉内物质总量达中上线。

3.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S3中所述的阀门铸件的材质成份控制，是指加入一定量的氮元素以降低有害元素P、S的含量，并通过降低铬/镍当量比值P来控制铁素体的含量。

4.根据权利要求3所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：所述加入氮的含量为0.04～0.20%，有害元素P、S含量分别控制在S<0.015%，P<0.020%；所述铬/镍当量比值P控制在P≤0.9，将铁素体含量控制在5.0%以下。

5.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S4中包括脱氧环节和造渣环节，所述脱氧环节钢水脱氧时加入硅钙合金和稀土元素，以降低氧含量与夹杂物的比例；所述造渣环节采用停电造渣工艺，提高铸材的延韧性能。

6.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S5中浇筑时合理布置铸件冒口的位置，延长补贴，使铸造朝着冒口方向的顺序凝固，以提高铸件内部品质。

7.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S6中阀门铸件冒口切割采用等离子切割技术，以免造成铸件切割部位增碳。

8.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S7中阀门铸件热处理的温度控制在1060℃～1100℃，并根据铸件壁厚确定和延长保温时间。

9.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤S7中还包括快速冷却工序，且所述冷却工序使用的冷却系统增设搅拌装置。

10.根据权利要求1所述的超低温阀门铸件的铸造工艺，其特征在于：还包括检验步骤，将铸造得到的阀门铸件成品置于零下196℃的进行超低温处理以检验其耐低温性能。