一种LC1阀门铸件铸造方法

技术领域

本发明涉及一种LC1阀门铸件铸造方法，属于阀门零件铸造技术领域。

背景技术

LC1铸件作为碳钼钢阀门零件，在石油化工装置建设中具有广泛应用。其制造标准ASTMA352/A352M-2021规定了LC1铸件的钼元素含量在0.45-0.65wt%之间，钼元素能使钢的晶粒细化，提高钢的淬透性，高温时可有效抑制奥氏体晶粒长大。因此，标准规定LC1铸件在-59℃试验温度条件下，两个试样的最小值和三个试验的最小平均值为18J，单个试样的最小值为14J。另外，标准规定LC1铸件可按正火加回火处理或液体淬火加回火状态供货，最低回火温度为590℃。

然而，随着石油化工装置建设地域的扩大，特别是在高寒地区的增加，LC1铸件的应用环境变得更加苛刻。目前，很多石油化工装置建设在高寒地区，要求阀门在-52℃的低温环境下能够正常工作。

为了应对这些极端环境条件下的需求，也为了避免LC1铸件在-52℃极端环境出现脆性断裂导致灾难性事故，用户对LC1铸件提出了更高的低温冲击值要求，即在-52℃低温冲击值均需≥27J。这一要求远远超出了ASTMA352/A352M-2021标准规定的水平，因此当前的国内铸造厂很难满足这一高要求。国内铸造厂基本上达不到≥27J的要求，一般只有20J，目前解决的思路主要围绕热处理方法，但效果不佳。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种LC1阀门铸件铸造方法，能够提高钢液纯净度，显著减少钢中夹杂物的数量与大小，进而提高材料的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性。

本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：本发明的铸造方法主要包括模具制作、造型、刷涂料、合箱、熔炼、浇注、开箱、清砂、切割浇冒口、打磨、热处理、抛丸和检验。

其中熔炼采用EAF（电弧炉）＋LF（精炼炉）方法流程进行熔炼，提高钢液纯净度，显著减少钢中夹杂物的数量与大小，进而提高材料的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性。

浇注前采用光谱仪对化学成分进行快速检测，为提高LC1低温冲击韧性，对化学成分进行特殊控制，LC1阀门铸件的化学成分按质量百分比设计为：碳含量特殊控制在≤0.20wt%，锰含量特殊控制在0.60-0.70wt%，磷含量特殊控制在≤0.025wt%，硫含量特殊控制在≤0.015wt%，硅含量按标准值进行控制，钼含量特殊控制在0.55-0.65wt%。除了对标准规定的元素进行特殊控制外，镍含量控制在0.30-0.40wt%的范围内，镍元素在提高强度的同时，可显著提高钢的塑性和韧性，特别是低温冲击韧性。

采用淬火+回火热处理方法，较正火+回火热处理方法低温冲击韧性高。

淬火热处理方法：铸件装炉温度≤200℃，升温速率120℃/h。温度升至750±10℃时，保温至少1h，然后再升温至900±10℃。在900±10℃的保温时间按铸件最大壁厚计算，保温时间为25.4mm/h，最少2h。冷却方式为水冷，炉门完全打开到铸件完全浸入水中时间不超过60秒，淬火前水温≤35℃，淬火过程中水池水温不能超过50℃。

回火热处理方法：淬火后立即回火，回火温度为650±10℃，升温速率120℃/h。在650±10℃的保温时间按铸件最大壁厚计算，保温时间为25.4mm/h，最少3h，冷却方式为空冷。

作为优选实例，在所述浇注步骤前，采用取样工装对熔炼后的钢水进行取样并采用光谱仪对取样后的钢水试样进行化学成分检测；

所述取样工装包括外部固定工装以及内部转动工装，所述固定工装包括导向筒以及载样球冠体，所述导向筒底部与载样球冠体内腔连通，所述载样球冠体侧面设有出水口，所述转动工装包括转动杆以及取样球冠体，所述转动杆转动设置于导向筒内部，所述转动杆底部连接有取样球冠体，所述取样球冠体侧面设置有进水口，且所述取样球冠体转动设置于载样球冠体内部，取样球冠体的外球面与载样球冠体的内球面贴合。

作为优选实例，所述取样球冠体的外球面面积大于所述载样球冠体侧面出水口面积。

作为优选实例，所述导向筒由上到下依次设置有多个载样球冠体，所述转动杆由上到下依次对应设置有多个取样球冠体。

作为优选实例，还包括试样承载台，所述试样承载台上设置有多个半球形试样槽，所述半球形试样槽直径与所述载样球冠体的直径相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）熔炼采用EAF（电弧炉）＋LF（精炼炉）方法流程进行熔炼，提高钢液纯净度，显著减少钢中夹杂物的数量与大小，进而提高材料的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性；

（2）为提高LC1低温冲击韧性，除了对碳、锰、磷、硫、钼的含量进行特殊控制外，镍含量控制在0.30-0.40wt%的范围内，镍元素在提高强度的同时，可显著提高钢的塑性和韧性，特别是低温冲击韧性；

（3）采用淬火+回火热处理方法，较正火+回火热处理方法低温冲击韧性高；

（4）采用本发明的铸造方法，LC1低温冲击韧性得到大幅度的提高，-52℃低温冲击值均需≥27J的特殊要求；

（5）采用本发明提供的一种特殊设计的钢水取样工装，能够对熔炼后浇注前的阀门铸件钢水进行分层取样，并通过光谱仪进行成分检测，便于更加精确的控制LC1铸件的化学成分。

附图说明

图 1 为本发明铸造方法的热处理工艺流程图；

图2为本发明实施例中浇注前钢水取样工装的主视结构示意图；

图3为本发明实施例中浇注前钢水取样工装取样前的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例中浇注前钢水取样工装取样后的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例中浇注前钢水取样工装与试样承载台的结构示意图。

图中：1、取样工装；101、导向筒；102、转动杆；103、载样球冠体；104、取样球冠体；105、进水口；106、出水口；107、转动手环；108、夹持环；109、夹槽；2、试样承载台；201、试样槽；202、限位凸起。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的方法和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他方法的应用和/或其他材料的使用。

本发明提供了一种LC1阀门铸件铸造方法，铸造方法主要包括模具制作→造型→刷涂料→合箱→熔炼→浇注→开箱→清砂→切割浇冒口→打磨→热处理→抛丸→检验。

具体的，模具制作：

模具设计：根据LC1阀门铸件产品的形状和尺寸，设计模具的结构。

模具制造：使用金属或其他适当材料制作用于铸造LC1阀门铸件的模具。

造型：

准备模具：将制作好的模具安装在模具台上。

装模：在模具内放置芯型材料，确保芯型材料与模具相匹配。

刷涂料：

涂料涂刷：在芯型表面涂刷一层涂料，以增加模具与铸件之间的分离性。

合箱：

合模：将模具的两个部分合拢，形成一个密封的腔室，用于浇注熔融钢水。

熔炼：

准备金属：准备需要铸造的LC1碳钼钢，通常通过熔炼将碳钼钢加热至液态。

浇注：

浇注金属：将熔融碳钼钢倒入模具中，充满整个腔室。

开箱：

打开模具：打开合模，取出已凝固的铸件。

清砂：

清理余砂：从铸件表面和模具中清除残留的砂子。

切割浇冒口：

切割浇口和冒口：切除与铸件相连接的浇口和冒口，使最终铸件形状完整。

打磨：

磨削表面：对铸件进行打磨，去除表面的粗糙度，提高表面质量。

热处理：

热处理方法：根据需要，对铸件进行热处理，以改变其性能和结构。

抛丸：

表面处理：使用抛丸设备清理表面，提高表面质量和耐腐蚀性。

检验：

质量检验：对铸件进行质量检验，包括尺寸、形状和材料性质等方面的检测。

熔炼：采用EAF（电弧炉）＋LF（精炼炉）方法流程进行熔炼，提高钢液纯净度，显著减少钢中夹杂物的数量与大小，进而提高材料的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性。

浇注前采用光谱仪对化学成分进行快速检测，为提高LC1低温冲击韧性，对化学成分进行特殊控制：

碳含量：标准规定≤0.25wt%，特殊控制在≤0.20wt%，碳元素能提高钢的硬度和强度，但会降低其塑性和韧性，将碳含量往下限值控制。

锰含量：标准规定0.50-0.80wt%，特殊控制在0.60-0.70wt%，锰元素能提高钢的淬透性，但在高温时极易促使奥氏体晶粒粗大，降低钢的低温冲击韧性，将锰含量控制在中间值。

磷含量：标准规定≤0.040wt%，特殊控制在≤0.025wt%，磷会增加钢的脆性，需严格控制磷含量。

硫含量：标准规定≤0.045wt%，特殊控制在≤0.015wt%，硫元素会增加钢的脆性，需严格控制硫含量。

硅含量：标准规定≤0.060wt%，按标准值进行控制。

钼含量：标准规定0.45-0.65wt%，特殊控制在0.55-0.65wt%，钼元素能使钢的晶粒细化，提高钢的淬透性，高温时可有效抑制奥氏体晶粒长大，将钼含量控制在上限值。

除了对标准规定的元素进行特殊控制外，镍含量控制在0.30-0.40wt%的范围内，镍元素在提高强度的同时，可显著提高钢的塑性和韧性，特别是低温冲击韧性。

参考图1，采用淬火+回火热处理方法，较正火+回火热处理方法低温冲击韧性高。

淬火热处理方法：铸件装炉温度≤200℃，升温速率120℃/h。温度升至750±10℃时，保温至少1h，然后再升温至900±10℃。在900±10℃的保温时间按铸件最大壁厚计算，保温时间为25.4mm/h，最少2h。冷却方式为水冷，炉门完全打开到铸件完全浸入水中时间不超过60秒，淬火前水温≤35℃，淬火过程中水池水温不能超过50℃。

回火热处理方法：淬火后立即回火，回火温度为650±10℃，升温速率120℃/h。在650±10℃的保温时间按铸件最大壁厚计算，保温时间为25.4mm/h，最少3h，冷却方式为空冷。

实施例：

1）采用EAF（电弧炉）＋LF（精炼炉）方法流程进行熔炼；

2）对LC1阀门铸件内的化学成分进行控制，如下表1所示：

3）热处理：

淬火热处理方法：铸件装炉温度150℃，升温速率120℃/h。温度升至750时，保温1.5h，然后再升温至900℃。在900℃时保温3h，冷却方式为水冷，炉门完全打开到铸件完全浸入水中时间40秒，淬火前水温25℃，淬火过程中水池水温40℃。

回火热处理方法：淬火后立即回火，回火温度为650℃，升温速率120℃/h。在650℃时保温4.5h，冷却方式为空冷。

4）实施例试验结果，如下表2所示：

5）结论：

根据表1与表2内容，通过采用本发明提供的一种LC1阀门铸件铸造方法，能够提高钢液纯净度，显著减少钢中夹杂物的数量与大小，进而提高材料的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性，LC1低温冲击韧性得到大幅度的提高，满足-52℃低温冲击值均需≥27J的特殊要求。

参考图2-图4，为了保证LC1碳钼钢在浇注步骤前，其内部各个化学成分含量的精确，需要对钢水进行取样检测与成分含量分析控制，本发明实施例均采用特殊设计的分层取样工装1对熔炼后的钢水进行取样并采用光谱仪对取样后的钢水试样进行化学成分检测。

具体的，取样工装1包括外部固定工装以及内部转动工装，固定工装与转动工装均采用镀镍的碳素钢材质制成，固定工装包括导向筒101以及载样球冠体103，在导向筒101的外部设置有夹持环108，夹持环108上开设有夹槽109，便于夹具夹持取样工装1整体，导向筒101内部圆柱腔的底部开口与载样球冠体103的内腔连通，载样球冠体103侧面设有出水口106，由于钢水的表面张力较大，细小的孔难以流入钢水，因此将出水口106设置的直径至少为20mm，转动工装包括转动杆102以及取样球冠体104，转动杆102顶部固定连接有转动手环107，转动杆102转动设置于导向筒101内部，转动杆102底部连接有取样球冠体104，取样球冠体104侧面设置有进水口105，且取样球冠体104转动设置于载样球冠体103内部，取样球冠体104的外球面与载样球冠体103的内球面贴合，为了保证钢水密封保存在载样球冠体103的内部，取样球冠体104的球面与载样球冠体103侧面的出水口106之间过盈配合，即取样球冠体104的外球面面积大于所述载样球冠体103侧面出水口106面积。

为了实现分层取样钢水，使得到的检测数据更加精确，本发明取样工装1的导向筒101由上到下依次设置有多个载样球冠体103，至少为三个，转动杆102由上到下依次对应设置有多个取样球冠体104。

参考图5，取样后的钢水被储存在载样球冠体103以及取样球冠体104的内腔中，为了便于光谱仪对钢水的化学成分进行检测，本发明还设计了与取样工装1相适配的试样承载台2，试样承载台2上设置有多个半球形试样槽201，半球形试样槽201直径与载样球冠体103的直径相等，试样承载台2由覆膜砂制成，两两试样槽201之间形成限位凸起202，限位凸起202刚好与两两载样球冠体103之间的凹槽配合，防止其前后移动。

通过本发明提供一种分层式钢水取样工装1，能够对熔融后浇注前的LC1钢水进行取样，并通过光谱仪对试样承载台2上的钢水进行成分检测，有助于确保铸造生产过程中的钢水内各个化学成分得到有效精准控制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。