摘 要：分析了鑄不銹鋼蝶閥閥體產生氣孔的原因。探討了實際生產中通過對原砂和再生砂的溫度及濕度隨時監控，調整生產工藝、原材料的種類及加入量的配比和使用專業除渣劑等措施消除氣孔缺陷的方法。

關鍵字：蝶閥 00Cr25Ni7Mo4N 氣孔 缺陷控制

1 概述

超級雙相不銹鋼（00Cr25Ni7Mo4N，法國牌號為SAF2507）廣泛地應用于核工業中，如閥體、主冷卻劑管道和主泵泵殼等。公稱尺寸為DN1050的海水蝶閥由于尺寸較大，閥體各部分厚度等尺寸差別較大，在鑄造生產中存在縮孔、縮松和氣孔等缺陷，嚴重影響了鑄件承壓特性。為此，利用分析儀器對缺陷進行分析與鑒定，結合傳統的鑄造工藝，提出解決鑄造缺陷的方法。

2 氣孔形成原因

2.1 分類

氣孔分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。由金屬外部侵入而形成的氣孔稱為侵入性氣孔，由液體金屬中析出氣體而形成的氣孔稱為析出性氣孔，金屬液與鑄型之間或在金屬液內部發生化學反應所產生的氣孔稱為反應性氣孔。在生產過程中，鑄件頂部和冒口下方經常會出現氣孔。

2.2 鑒別

閥體（圖1）鑄件中出現的氣孔（圖2）有的呈球狀，有的呈針狀。球狀孔的孔徑在2～4mm，針孔的孔徑為1～3mm，長度為3～20mm。有的針孔與外界相貫通，有的針孔在基體內部，當將閥體切開后才發現。

圖1 閥體

利用掃描電鏡拍攝（SEM）氣孔表面（圖3），氣孔內表面呈脈紋狀，不光滑，有白色球狀物和葵花狀物，從而能判斷出該氣孔為侵入性氣孔。對白色的球狀物進行能譜分析（圖4），球狀物中氧元素含量過高，說明該物質被嚴重氧化，球狀物中富含Al2O3（表1），Al元素主要來自脫氧劑。

圖2 閥體氣孔

圖3 SEM氣孔表面

圖4 球狀物能譜分析照片

表1 氣孔中元素

從閥體頂部氣孔表面能譜分析，在氣孔表面分布有大量的熔渣，說明在氣體的逸出過程中，氣體和熔渣進行了化學反應，從而判斷出該氣孔為反應性氣孔。

2.3 分析

通過氣孔的宏觀形貌和微觀形貌以及氣孔表面物質分析，閥體鑄件在澆注和凝固過程中主要產生了兩種氣孔，即侵入性氣孔和反應性氣孔。

（1）侵入性氣孔

型砂在高溫下產生氣體的總量和速度稱為發氣性。理論上P氣＜P液+P阻+P腔，鑄件就不會產生侵入性氣孔。但是條件中各種壓力自金屬液澆入鑄型時就在變化。P液隨著金屬液澆入量增加而增高，到澆滿時最大。P氣隨著澆注時間增長和發氣量增多而增大。P氣值不僅與砂型發氣物質的發氣總量有關，還與發氣溫度和發氣速度有關。因此，P氣最大值的出現時間不同，數值不同，后果也就相應不同。

閥體造型所用的型砂為堿性酚醛樹脂砂，酚醛樹脂的主要發氣溫度在650～750℃，總發氣量為460ml/g。相對于脲酸樹脂（主要發氣溫度為280～320℃，發氣量為410ml/g），其發氣溫度區間較大，當其他條件相同時，酚醛樹脂引起氣孔的危險性較大。酚醛樹脂砂對氣孔的形成有一定的作用，尤其當空氣中的水分含量增加時，影響更大。當空氣中的含水量均在20g/m3以上時，混砂造型過程、熔煉過程以及澆注過程均會帶入大量的水分，當溫度急劇升高時，促使P氣迅速猛增，促使形成氣孔的情況發生。

（2）反應性氣孔

閥體鑄件反應性氣孔形成的根本原因有兩方面。①爐氣中可溶性氣體含量太高，引起液體金屬吸收大量氣體。在電弧爐熔煉的條件下，空氣中的水分因電弧的高溫作用離解為氫和氧。堿性造渣時，在精煉過程中，如果空氣中水分含量過高，電石渣中的碳化鈣將和空氣中的水分產生化學反應，生成大量的氫。②熔煉過程中，最后加入除渣劑后，沒有及時的將渣滓去除干凈。在鋼液除渣過程中，加熱電源已斷掉，而當時沒有及時將渣滓除去時，隨著溫度的降低渣滓又下沉進入金屬液中，在澆注過程中漂到最頂層，加之侵入性氣體的影響，形成了含有大量渣滓的氣孔。

3 氣孔的消除

3.1 控制環境溫度和濕度

環境溫度（含原砂溫度）增高，樹脂自硬砂固化速度增加。在其他條件不變情況下，砂溫每上升10℃，固化速率要加快1倍。相同固化劑含量的樹脂砂，砂溫每升高5℃，因固化時間加快會使起模時間縮短1/3～1/4。環境的相對濕度（含原砂濕度）增加，樹脂自硬砂的硬化速度減慢，最終強度通常會降低。在環境濕度較大時生產，水分蒸發受阻而使硬化速度減慢。在閥體造型中，要解決環境溫度和濕度變化的影響。

（1）環境溫度每上升或下降10℃，固化劑應減少或增加0.5%～1.0%（Wt），如果相對濕度同時增加，固化劑應略微相應增加，一般可按環境溫度變化5℃為一調整間隔。

（2）環境溫度為+10℃以上時，只需要調整固化劑的用量。環境溫度為+10℃以下時，采用低溫固化劑。

（3）在高溫條件下，通過調節砂溫，增加樹脂和固化劑的溫度，配合高濃度、高活化型固化劑的采用。

（4）增加砂型的透氣性，在砂型上方留出氣孔。將砂芯做成空心，既可以增加氣體的排放量又可以使砂芯得到充分的收縮。

3.2 控制煉鋼原材料

（1）新料和返回料比例

SAF2507超級雙相不銹鋼（表2）熔煉所用金屬材料主要包括新配的雙相不銹鋼和返回合金鋼。在熔煉時新料通常不少于70%，這樣熔煉過程中即合理的利用返回料，又沒有使其中的元素含量超標，而且攜帶的水分危害也大大降低。

表2 SAF2507主要成分      Wt%

（2）造渣材料

SAF2507熔煉過程中使用的造渣材料分為2種，一種是螢石（CaF2），另一種是不銹鋼造渣除氣劑。加入螢石使熔渣很快的變稀，流動性變好，促使鋼與渣之間化學反應迅速進行。但是螢石并不能吸收爐料中的有害氣體如氫氣。當空氣濕度較大時爐料中的氫氣和游離的氫含量很大，極易形成氣孔。針對SAF2507吸氣能力強的特點，使用專業的不銹鋼造渣除氣劑。不銹鋼造渣除氣劑不僅能有效去除鋼液里各種氧化夾雜物，去除有害雜質，而且能去除氫氣，降低氣孔缺陷的發生率。

3.3 控制熔煉和澆注溫度

SAF2507熔煉到1670～1700℃后關上電源使其靜置2min，此期間不做任何除渣動作（即不用灑上除渣劑），再開電源，這時爐渣會不斷的上浮到液面，當溫度較低時爐渣不會自動上浮。待爐渣充分上浮后在上面灑上不銹鋼造渣除氣劑然后除渣。將鋼液熔煉到如此高溫，除了除渣的需要外，熔煉溫度還直接影響到澆注溫度。

一般而言，澆注溫度過高，則容易產生縮孔和縮松的缺陷。而澆注溫度過低，則容易產生氣孔的缺陷。閥體的澆注溫度在1590～1650℃之間。熔煉后的鋼液待除完渣后還要靜止，然后澆到大的澆包內，與澆包接觸后溫度會降低，從鋼液停止加熱到鋼水進入型腔約10min。1t鋼包中的鋼水每分鐘降溫6.4℃，要控制好澆注溫度，嚴格控制鋼水的出爐溫度十分必要的。

4 結語

在00Cr25Ni7Mo4N不銹鋼閥體鑄造生產過程中，通過控制原砂和再生砂的溫度及濕度、熔煉溫度及新料和返回料的配比，并使用不銹鋼專用造渣除氣劑，消除了鑄件氣孔，提高了閥體質量，降低了生產制造成本。