煤粉輸送管 道是火電廠 運(yùn)營過程中 的關(guān)鍵配 件，煤粉的輸送是一個(gè)快速而持續(xù)的過程，較快的 輸送速度使管道承受嚴(yán)重的沖擊磨 損， 在彎頭部 位經(jīng)常發(fā)生穿洞失效現(xiàn)象， 使用壽 命僅為直管 的 1/3，頻繁的維 修補(bǔ)焊已 成 為 影 響 煤 粉 輸 送 效 率 的 重 要 因 素 之 一 [1]。 目前 ， 電 廠 使 用 的 彎 頭 多 為 16Mn 單一 材 質(zhì)，硬 度 低，耐 磨 性 能 差。 單 位 承 接 某 電 廠 大 型 彎 頭，金 屬 焊 接 制 成，其 形 狀 如 圖 1。 為提高彎頭的使用壽命， 將單一材質(zhì) 改為雙金屬 復(fù) 合 彎 頭，彎 頭 尺 寸 較 大，為 保 證 其 品 質(zhì)，采 用 消 失模鑄造工藝[2]。
 
 
1 試驗(yàn)方法
復(fù)合彎頭外壁非工作層采用鋼管分節(jié)對(duì)接，內(nèi) 部工作層模型由手工電阻絲切割聚苯乙烯泡沫 而 成，涂刷水基石英粉專用耐火涂料，在烘干室內(nèi)進(jìn)行干燥，選用底抽式真空砂箱；砂箱于二維振動(dòng)臺(tái)進(jìn) 行震動(dòng)；采用中頻感應(yīng)爐熔煉高鉻鑄鐵，澆注前，開 啟抽真空系統(tǒng)，鐵液出爐溫度為 1 480 ℃，澆注溫度控制在 1 420～1 430 ℃，熱處理在臺(tái)車式電阻爐內(nèi) 進(jìn)行， 耐磨性試驗(yàn)在 NUS-IS03 型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī) 上進(jìn)行。
 

2 試制過程與結(jié)果分析
 
2.1 彎頭材質(zhì)成分選擇
 輸送煤粉過程中，彎頭部位承受煤粉的沖擊與 磨損嚴(yán)重，因此要求彎頭具備很好的耐磨性，同時(shí)， 彎頭的安裝、拆卸、以及使用過程中的維修都要求 其具有良好的焊接性能。 在電廠工況下，高鉻鑄鐵 的抗磨損性能是最好的[1]，但脆性很高，若單一使用 高鉻鑄鐵材質(zhì)，彎頭不能焊接。使用 16Mn 材質(zhì)鋼管 與之復(fù)合鑄造， 不僅使彎頭具備了良好的耐磨性 能，而且實(shí)現(xiàn)了焊接，很大程度提升了彎頭的使用 周期。
 
試 驗(yàn) 彎 頭 工 作 層 高 鉻 鑄 鐵 各 元 素 含 量 根 據(jù) GB/T8263-2010 中 BTMCr15 選定 w 為：2.0%~3.6% C；≤1.2%Si；2.0%Mn；14%~18%Cr；≤3.0%Mo；≤ 2.5%Ni；Cu≤1.2%；≤0.06%P；≤0.06%S。 彎頭外層 非工作層選用 16Mn 材質(zhì)鋼管。
 

2.2 復(fù)合彎頭非工作部位制作工藝
所研 制 的 彎 頭 外 型 尺 寸 如 圖 1，中心 弧 長 為 1 282 mm，對(duì)應(yīng)的半徑為 R1 050 mm，彎頭 兩端所 成中心角為 70°；采購成品 16Mn 材質(zhì)鋼管，鋼管外 徑為 準(zhǔn)273 mm，壁厚 6 mm，用線切割的方法，將鋼 管根據(jù)所試制彎頭的角度切分為 7 段， 并按 1∶1 放 大樣進(jìn)行焊接，形成彎頭的非工作部位。
 
2.3 工作部位模型制作工藝 
工業(yè)發(fā)達(dá)國 家在開發(fā)消 失模鑄造工 藝的過程 中，重點(diǎn)對(duì)大型鑄件泡沫模型的熱解特性，金屬充 型凝固特性， 干砂充填緊實(shí)度等專題進(jìn)行研究，并 取得了很好效果[3~6]。 因所制彎頭尺寸較大，故內(nèi)部 工作部位采用消失模鑄造工藝制備。
煤粉在輸送過程中，彎頭背部所受的沖擊磨損 最嚴(yán)重，所以內(nèi)部工作層設(shè)計(jì)采用沿弧逐漸加厚的 “偏心”結(jié)構(gòu)，如圖 1 中 1 所示；彎頭內(nèi)部工作層“偏 心”狀模型的制作選用聚苯乙烯泡沫，采用電阻絲 手工切割， 鑄造收縮率為 1%。 將泡沫模型分節(jié)切 割，填充于鋼管彎頭內(nèi)，并盡量做到嚴(yán)絲合縫，有縫 隙之處用報(bào)紙粘貼嚴(yán)實(shí)，填堵完成后涂刷鎂砂粉涂 料，涂層厚度約 2.0~2.5 mm。 因彎頭尺寸較大，為防 止塌箱，涂料涂刷 4 遍，每層涂刷后在烘干室內(nèi)進(jìn) 行烘干，待完全干燥后涂刷下一層。
 
2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 
由于彎頭尺寸較大，采用水平式澆注易發(fā)生塌箱事故。經(jīng)試驗(yàn)，澆注工藝采用如圖 1 中的豎立式階 梯澆注[7]。 階梯澆注系統(tǒng)分 2 層澆道，兩個(gè)內(nèi)澆道 向同一方向傾斜；便于補(bǔ)縮、同時(shí)防止鐵液冷卻收縮 將其拉裂。 根據(jù)文獻(xiàn)介紹[8]，階梯式澆注系統(tǒng)的直 澆道 截面積應(yīng)大于其他澆道截面積， 研制試驗(yàn)設(shè) 計(jì)直澆道截面尺寸 45 mm×45 mm，內(nèi)澆道截面尺寸 30 mm×45 mm，長 180 mm。
 
2.5 模型合箱 
彎頭內(nèi)涂料完全干透后， 將模型與澆注系統(tǒng)組 裝 完整，同時(shí)在 彎 頭 內(nèi) 設(shè) 置 抽 真 空 鋼 管，圖 1 中 2 所示。 之前試制過程中因沒設(shè)抽真空鋼管， 發(fā)生脹箱 和塌箱現(xiàn)象，致鑄件不合格，經(jīng)分析討論其原因?yàn)椋?彎頭內(nèi)腔型砂緊密度和硬度不夠。 彎頭內(nèi)部設(shè)置抽 真空鋼管可增強(qiáng)型砂硬度和緊密度， 有效防止脹箱 等現(xiàn)象發(fā)生。
抽真空鋼管固定于彎頭內(nèi)中心位置， 避免偏心 與內(nèi)壁接觸，防止抽塌。將組裝好的模型整體放入砂 箱內(nèi)，檢查涂料有無脫落或“露白”現(xiàn)象，若有發(fā)生及 時(shí)用泥粘嚴(yán)，避免澆注時(shí)型砂進(jìn)入鑄件形成夾砂。 砂箱內(nèi)以硅砂作為型砂， 模型在砂箱內(nèi)的吃砂 量 為：下 部 90~100 mm，四壁 與 上 部 120~150 mm。 將砂箱置于二維震動(dòng)臺(tái)震動(dòng) 1 min 左右， 后吊入澆 注坑。 表面覆蓋塑料薄膜，放置澆口杯，將潮砂覆于 薄膜上， 用于固定澆口杯以及防止外濺鐵液燒破薄 膜而泄壓。
 
 2.6 鐵液熔煉與澆注 
高 鉻 鑄 鐵 的 熔 煉 在 250 kg 中 頻 感 應(yīng) 爐 內(nèi) 進(jìn) 行，按照已設(shè)定鐵液的化學(xué)成分進(jìn)行配料計(jì)算。 裝 爐時(shí)爐料要緊密，以求快速熔化；開始通電 6~8 min 內(nèi)先以小功率送電，待電流沖擊停止 后，逐漸將功 率 增 至 最 大 ； 熔 煉 過 程 中 應(yīng) 隨 時(shí) 推 料 防 止 “搭 橋 ” ，并 陸 續(xù) 添 加 爐 料。 待 爐 料 全 部 熔 化，溫 度 升 至 1 480 ℃時(shí)出 鐵 液， 并 開 啟 真 空 泵， 鐵 液 鎮(zhèn) 靜 2~3 min 后進(jìn)行澆注。澆注完成后將負(fù)壓度調(diào)整為 -0.025 MPa，抽真空保持 15 min 關(guān)閉真空泵，鑄件 于砂箱內(nèi)保溫 8 h 倒箱。 鑄件在空氣中冷卻。
 

2.7 熱處理工藝
 為了提高大型復(fù)合彎頭使用壽命， 達(dá)到火力發(fā) 電廠輸送煤粉的指標(biāo)要求， 對(duì)彎頭進(jìn)行了正火和回 火處理。 正火和回火工藝如圖 2 和圖 3 所示。
 
2.8 耐磨性試驗(yàn)及結(jié)果分析
 為對(duì)比雙金屬彎頭與單一材質(zhì) 16Mn 彎頭的耐 磨損性能， 分別從研制成功的雙金屬彎頭及 16Mn 彎頭上取樣，進(jìn)行了磨粒磨損試驗(yàn)。將 試樣 制 成 50 mm×50 mm×4 mm 的試 樣 塊， 于 NUS-ISO3 型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)， 記 錄 試 樣 減 重 量；對(duì) 試 驗(yàn) 機(jī)“往 復(fù) 次 數(shù)”及 試 樣 塊 “累計(jì)減重量” 用的函數(shù)關(guān)系 Origin 軟件進(jìn)行直線 擬合，分別得到如圖 4 所示的兩條直線，直線斜率 即表示試樣的磨損率。
 
從圖 4 中直線 斜率可以得 出： 雙 金 屬 彎 頭 試 樣 的 耐 磨 性 能 是 16Mn 材 質(zhì) 彎 頭 耐 磨 性 能 的 2.05倍。
 
 2.9 大型雙金屬彎頭的應(yīng)用 
 
研制成功的大型復(fù)合彎頭在某電廠進(jìn)行了裝機(jī) 試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤表明：使用了 18 個(gè)月未發(fā)現(xiàn)穿孔失 效現(xiàn)象， 較該電廠原配彎頭使用壽命提高 2～3 倍， 品質(zhì)得到該電廠的認(rèn)可。
3 結(jié)論
（1）采用消失模固液復(fù)合鑄造 16Mn 材質(zhì)鋼-高 鉻鑄鐵復(fù)合大型彎頭， 既保證了彎頭良好的焊接性 能，同時(shí)擁有很高的耐磨性，大幅度增加了彎頭的使 用周期，提高了煤粉輸送效率。
（2）（2）澆注 過 程 中，采 用 豎 立 式 階 梯 澆 注 并 在 復(fù) 合 彎頭內(nèi)添加抽真空鋼管，有效解決了塌 箱、脹箱 問題。
（3）（3）與單一材質(zhì) 16Mn 彎頭相比，雙金屬復(fù)合彎 頭的耐磨性能是其 2.05 倍， 使用壽命較前者提高 2～3 倍。