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21CrMo10水冷管模裂纹的控制

点击数: 2012-06-22 12:18 作者:中国论文网 来源:未知

关键词:理科论文,写作理科论文,写作理科硕士论文,理科职称论文,理科

水冷金属型离心铸造球墨铸铁管用模具,在生产使用中常出现内壁贯穿性且很长的裂纹,造成管模变形,并漏水而导致管模报废,严重时将引起管模炸裂。国内管模产业的竞争,主要是对管模质量控制的竞争,竞争的结果将是具有更高知识和科技含量的管模出现,本文提出对影响21CrMo10水冷管模寿命的主要因素——裂纹的控制研究,将从对其的焊接材料选择和焊接工艺方面、管模裂纹形成原因、管模热特性和力学特性等方面出发21CrMo10水冷管模裂纹形成及控制。

管模作为一种用于离心铸造的模具,使用时靠传动装置带动管模转动,在管模内浇铸铁水,靠离心力将铁水甩到管模内壁上,理科论文待冷却后将铸管拔出。水冷管模一般采用整体锻制,然后加工成形。为了降低成本,可试制板卷、焊接管模。目前,管模材料一般采用21CrMo10,管模插口为21CrMo10锻件外,承口、管身均采用21CrMo10钢板卷制、焊接而成。管模的生产及其在离心铸造过程中都有可能产生裂纹,因此本文一方面进行了工作状态下管模热裂纹和冷裂纹的形成条件和环境因素影响分析,以及从离心运动动力学角度给出了动态离心铸造高速钢管模裂纹形成动力学机理;另一方面对管模在焊接过程中产生裂纹的过程、疲劳机理以及声发射探测技术等进行研究。对以21CrMo10为材料的管模特性及焊接环境对焊接性的影响进行了重点分析。最后还对水冷管模的生产及应用过程中的裂纹控制和预防进行了讨论分析。

本文研究对于深入理解管模的裂纹形成机理,进而有针对性的降低裂纹形成几率,提高管模的使用寿命有重要意义,研究结果将有利于节约21CrMo10水冷管模的制造成本和维修成本。

 

 

关键词:水冷管模,21CrMo10,裂纹,焊接

 

论文类型:应用研究

 

 

Title: Research on the Crack Control for 21CrMo10 Water-Cooled Metal Casting Pipe Mold

Speciality:XXXXXXXXXXX

Applicant:XXXXXXXXXXX

Supervisor:Prof. XXXXX

ABSTRACT

It is often appear a wall and long crack in centrifugal water-cooled metal-casting pipe mold, which will cause the pipe mold deformation and water leakage, even the pipe mold scrapped. The main mode of competitiveness of domestic industries of pipe mold is of the quality control. The result of competition will lead to the new pipe mold emergence which contains the greater knowledge and technology content. In this paper, the main factor of the impact of water-cooled 21CrMo10 pipe mold quality will be researched. From the choice of welding materials and welding technology, the formation mechanism of crack-pipe, tube-thermal and mechanical properties, the crack control strategy of water-cooled 21CrMo10 pipe mold will be discussed.

As a mold for the centrifugal casting molds, when it used on the gear-driven rotation, in-mold casting of molten iron, hot metal will be thrown to the wall of pipe mold by the centrifugal force. Then, the cast pipe will be pull out when it be cooling. Water-cooled metal-casting pipe mold is general overall forging, and then forming processing. In order to reduce costs, it has been trial production from volumes plate, and welded pipe mold. At present, the general materials for water-cooled metal-casting pipe mold is 21CrMo10, as the jack 21CrMo10 forging, the mouth, 写作理科论文the body of mold adopted 21CrMo10-rolled steel welded together. The mold of production and its centrifugal casting process may have a crack. In the paper, on the one hand hot crack pipe and crack in cold conditions and environmental impact factors have been analyzed, and from the centrifugal movement dynamics A dynamic high-speed centrifugal casting a crack pipe-kinetic mechanism are proposed. On the other hand, the process of welding cracks of pipe mold in the process, fatigue mechanism and AE detection technology have been researched. The welding performance of 21CrMo10 and welding parameters have been deeply discussed. Finally, the crack control and prevention for the water-cooled metal-casting pipe mold in the production and application process were presented.

The result of this paper will help to in-depth understand the crack-formation mechanism, target a lower risk of cracks and improve pipe mode of life. Meantime, the results will help save 21CrMo10 water-cooled model of the manufacturing costs and maintenance costs.

 

KEY WORDS: Water-Cooled Metal Casting Pipe Mold, 21CrMo10, Crack, Welding 

 

TYPE OF THESIS: Applied Research

 

 

目  录

摘  要I

ABSTRACTII

目  录III

1 绪论1

1.1 研究背景及意义1

1.2 研究发展现状及分析1

1.2.1 金属水冷离心铸造管模及其生产现状及分析1

1.2.2 金属水冷管模用钢的应用及研究发展现状3

1.2.3 金属水冷离心铸造管模过程的研究发展现状6

1.3 论文主要研究内容及安排7

1.4 本章小结8

2 离心铸造过程及管模疲劳裂纹形成原因分析9

2.1 离心铸造技术及管模的利用9

2.1.1 离心铸造技术相关概念9

2.1.2 离心铸造的特点10

2.1.3 离心铸造发展历史10

2.1.4 离心铸造对于工业发展的重要性11

2.2 管模裂纹的形成原因分析12

2.3 离心铸造过程管模裂纹形成条件13

2.3.1 离心铸造过程管模热裂纹形成条件13

2.3.2 离心铸造过程管模冷裂形成条件15

2.4 离心铸造高速钢管模裂纹形成动力学分析16

2.5 本章小结18

3 对管模焊接特性及焊接环境的影响分析19

3.1 21CrMo10管模材料的焊接特性19

3.2 管模焊接的疲劳强度及其影响因素分析20

3.3 焊接环境及焊接条件对管模焊接质量的影响22

3.3.1 焊接环境影响22

3.3.2 焊接参数的影响22

3.4 基于声发射技术的管模焊接裂纹检测23

3.5 本章小结25

4 管模的热力特性分析及裂纹控制26

4.1 基于虚拟原型的管模热特性分析26

4.1.1 虚拟原型的要求26

4.1.2 基于虚拟原型的热特性分析26

4.2 影响管模热力特性的因素分析27

4.3 管模热力特性对其损坏的原因分析28

4.4 热疲劳对管模质量的影响分析29

4.4.1 热疲劳产生的影响因素分析29

4.4.2 热疲劳分析试验方法32

4.5 水冷管模裂纹的控制33

4.6 本章小结35

5 总结36

致  谢37

参考文献38

攻读学位期间取得的研究成果39

 

 

 

一  绪论

一.1 研究背景及意义

随着国民生产总值的提高,在城市供水、污水处理、石油天然气输送等方面越来越多的使用离心铸铁管。目前,国内球管年产量仅100万吨,其中φ800mm以上球铁管约占50%,国内近百家灰口铸铁管厂一直从事新技术、新工艺的新管模的产品开发和生产。随着我国经济的持续发展和“西部大开发”战略的实施,中国铸管学会预测,近5年内,我国球铁管年需求量将达300-500万吨,其中,φ800mm以上球铁管需求量约占70%。为满足这一需求,各铸管厂正以此为目标,竞相采用高新技术扩大产业规模,尽快达产或加速扩产。水冷金属型离心铸造球墨铸铁管用模具(以下简称管模),在生产使用中常出现内壁贯穿性且很长的裂纹,造成管模变形,并漏水而导致管模报废,严重时将引起管模炸裂[1-11]。国内管模产业的竞争,写作理科硕士论文主要是对管模质量控制的竞争,竞争的结果将是具有更高知识和科技含量的管模出现,本文提出研究影响21CrMo10水冷管模寿命的主要因素——裂纹的控制,将从对其的焊接材料选择和焊接工艺方面、管模裂纹形成原因、管模热特性和力学特性等方面命题,就是基于管模发展方向提出的。通过改进焊接材料和焊接工艺、分析管模裂纹形成原因、研究管模热特性和力学特性等使管模裂纹出现的几率降低,使用寿命提高,有利于节约了大量制造成本和维修成本。

一.2 研究发展现状及分析

一.2.1 金属水冷离心铸造管模及其生产现状及分析

铸管生产每年消耗的管模费用大约在2000万元~2500万元,而且随着铸管生产规模的不断扩大,管模费用在不断增加。DN400以下管模主要靠外购锻件毛坯,自己加工成品。中大型管模(DN800以上)以前主要依靠进口。外购(特别是进口)管模价格昂贵,制造周期长,所以管模的供应严重影响铸管的生产和成本[1,2]。中大型管模选用锻件毛坯,整体加工而成。目前对于管模的制造只要采用离心铸造方法。

离心铸造(Centrifugal Casting)是一种被广泛采用的特种铸造工艺。它是将液态金属浇入旋转的铸型中,使之在离心力的作用下,完成充填和凝固成形的一种铸造方法。离心铸造发展至今已有一百多年的历史。第一个专利是1809年由英国人爱尔恰尔特(Erckardt)提出的,但直到上世纪初才逐步推广用于工业生产。我国30年代开始采用这种方法生产铸铁管。现在离心铸造己是一种应用广泛的铸造方法,常用于生产铸管、铜套、缸套、双金属钢背铜套等。对于像双金属轧辊、加热炉滚道、造纸机干燥滚筒及异形铸件(如叶轮等),采用离心铸造也十分有效。目前,国内外在机械,冶金,建材,电力,和石化等行业的许多大型成套设备和装置的关键部位,均采用了大量离心铸钢或合金钢铸管。

管模是一种用于离心铸造的模具,使用时靠传动装置带动管模转动,在管模内浇铸铁水,靠离心力将铁水甩到管模内壁上,待冷却后将铸管拔出。管模分热模和冷模两种,冷模一般采用整体锻制,理科职称论文然后加工成形。为了降低成本,可试制板卷、焊接管模。管模材料一般为21CrMo10,管模插口为21CrMo10锻件外,承口、管身均采用21CrMo10钢板卷制、焊接而成。

管模由板材卷制成型为三节管身和一节承口,经组对、焊接、热处理、加工、检测等工序,最后形成管模。管模毛坯简图如下图1.1所示。

图1.1 管模毛坯简图

目前,国内外在机械,冶金,建材,电力,和石化等行业的许多大型成套设备和装置的关键部位,均采用了大量离心铸钢或合金钢铸管,表1.1列出了离心铸钢管在主要工业发达国家的应用情况。

表1.1 离心铸钢管应用场合

应用行业

产品种类

材质

机械行业

冶金行业

辐射管,炉底辊和渗碳罐

辐射管,炉底辊,热风管,炼铁气体还原管,连铸辊等

HH,HK-S2,KHR-35H

HK-40,HP,HH,低合金钢

石油精练和化工

重整炉管,合成氨转化管,乙烯裂解管和重油脱硫管等

HK-40,HP,KHR-35CW,KHR-S2,CA-15,CF-8,HH

电力,天然气工业

煤灰输送管,核电站主管道,石油天然气管和上石油钻杆套等

316,CF-8,0Cr25Ni35Co15oCr18Ni9Nb,0Cr18Ni11Mo3

造纸

滚筒壳体,瓦棱纸板辊等

CA-1 S,CF-8

非铁金属

钦还原罐,铝箔风冷辊和冷却管道等

HP-40,HH,316

玻璃和陶瓷

轧制辊,托辊,陶瓷,搪瓷辐射加热管

HK,HW,HH

城建

城市煤气反应管

HK

航海运输

油轮储油罐输油管,挖泥船疏通管等

低合金钢

通用机械

特种液压缸,不锈钢辊和中空烟囱等

低合金钢,碳钢

这些管材的性能与其管模的质量息息相关,同时由于这类管子大多数都用在设备中的关键部位或龙头装置上长期服役,工作环境十分恶劣,安全可靠性要求很高,因此,离心铸钢管的管模及其生产技术一直是工业发达国家主要厂家长期研究的课题,并且严格保密。

国内管模在生产使用中的实际情况是[3-6],管模出现裂纹甚至管模炸裂常出现的部位是内表面的过度圆角处或靠近过度圆角的直线段,冬季出现的机率高于夏季;国产管模高于进口管模;大口径管模高于小口径管模。这些情况已经引起了许多专家和水冷金属型离心铸造生产球墨铸铁管的生产厂家的注意,已在探讨其形成机理和寻求解决办法。

冷模法管模工作时受到交变热应力的作用,极易产生热裂纹。管模抗热裂性能是决定管模使用寿命的重要因素,理科毕业论文辅导而管模材料的选择又是影响管模热裂纹形成的重要因素。这就要求管模材料具有较高的高温强度、良好的抗热疲劳性能和较高的韧性,这种具有高韧性的材料能够通过塑性变化降低应力峰值和由于前方塑性区域的形成阻止了已存在的裂纹的扩展。另外,管模材料低的膨胀系数和较大的热容等,也是连续化大生产和获得好的产品质量必不可少的要求[6-8]。因此在此有必要对离心铸造管模用钢的应用及研究发展现状进行分析。

一.2.2 金属水冷管模用钢的应用及研究发展现状

到目前为止,铸造热锻模具钢的研究大致经过了三个时期[12-17],第一个时期直接采用己有的锻钢成分来生产铸造模具钢,第二个时期是在原锻钢成分的基础上,加入一种或多种合金元素,来提高铸造热锻模具钢的各种性能。第三个时期主要以性能要求为基础,结合铸态金属的性能特点及铸造工艺要求,对铸造热锻模具钢进行全面的合金成分优化设计,使其更能满足热锻模具的工况要求,具有较好的性能和较高的使用寿命。表1.2为国内外研制和采用的铸造热锻模具钢。

表1.2 国内外铸造热模具钢

1)国外铸造热雄模具钢的研究发展现状分析。在20世纪 40年代,前苏联就开始用锻造模具钢来铸造热锻模具,并适量添加一些孕育剂和变质剂。在诺维克别劳可夫的研究中,铸造锻模毛坯的材料主要5CrMnMo钢去Mo而加Ti,缩小钢的晶粒度及降低过热前的敏感度。前苏联汽车厂采用锻造模具钢5XHM和3X2B8Φ铸造的热锻模具,使用寿命不够稳定,有时会因脆性断裂而报废。70年代开始研究用陶瓷型铸造方法来制造热锻模具。到80年代,铸造热锻模具钢己得到较大的发展,前苏联根据本国的资源条件,开发出一系列无钨的新型铸造模具钢,比如4XSMΦC、3X2M2Φ、5XHB等。并且在一些钢中加入少量稀有金属或稀土元素进行孕育处理,细化组织,提高了铸造模具钢的耐回火性、热强性和抗热裂性能。其中获得工业应用的主要有4Cr5MoVSiNi, 25Cr5Mo2VSi,5CrNiMoAIV等。前苏联汽车工艺研究所研制的4XSMΦCH6和25XSMΦCH铸造热锻模具的寿命比传统锻造模具寿命提高20%~100%。目前还有两种新钢种2Cr5MoVSiNiBA1和3Cr3Mo2VSi,在俄汽车厂进行了工业性试验。70年代末,英国利兹大学的P R.Beely等人开始采用陶瓷型铸造方法浇注铸造模具,他们把碳化物加入韧性较好的马氏体时效钢基体中进行强化,取得了较好的实验效果。早期他们在熔融钢液中加入Fe-V和C粉以形成VC,来增强铸钢的硬度和耐磨性。但试验发现,由于VC的密度较钢液低,理科论文发表容易产生偏聚,因此铸造模具钢的强化效果并不好。此后通过在钢液中加入Fe-Nb、 C、Ti,获得了较为均匀的NbC颗粒,并且当NbC的体积分数大于4.5%时,铸钢中二次枝晶基本消失,所获得的铸造模具钢力学性能非常好,但是由于铸造马氏体时效钢成本相当高,这一研究成果并没有得到广泛的推广使用。

美国60年代在ASTMA597-69 Cast Tool Steel中规定了8种铸造模具钢,其中就有四种属于铸造热锻模具钢[18]。据报道,目前美国通用汽车公司90%以上的锻模,包括普通锻模和高速锻模,都采用陶瓷型方法铸造生产。日本曾在高碳工具钢(如SK3钢)中加入Cr或Cr, Mo, V元素,既利用高碳钢优异的铸造性能,又加入足够的合金元素以保证模具钢的机械性能。并开发了SKD61、SKD12、SKD3等铸造模具钢,通过在这些钢中加入Ni,改善其铸造性能和耐热性。此外,日本在火焰模具钢HMD, HMD5基础上研制出了火焰淬火铸造模具钢ICD, ICDS。西德也利用加V细化晶粒来开发铸造热锻模具钢,并研究出了X40CrMoV51(含V1.0%),X40CrMoV53(含V0.9%), X32CrMoV33(含V0.5%)等钢种,应用于各种热锻模[13,19-21]。

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