Как изготавливаются фитинги для труб из ковкого чугуна: полное руководство

Фитинги для труб из ковкого чугуна изготавливаются методом литья в песчаные формы, при котором расплавленное железо, обработанное магнием для получения сфероидального графита, разливается в формованные формы, затвердевает, обрабатывается с соблюдением размерных допусков, покрывается изнутри цементным раствором или эпоксидной смолой и покрывается снаружи для защиты от коррозии. Полный цикл производства включает в себя плавку сырья, литье, термообработку, механическую обработку, футеровку, покрытие и испытания гидростатическим давлением перед отправкой. Весь процесс регулируется такими стандартами, как АВВА C110, АВВА C153, ISO 2531 и EN 545. , которые определяют приемлемый состав, механические свойства, допуски на размеры, толщину футеровки и испытательное давление для фитингов, используемых в инфраструктуре водоснабжения и водоотведения.

Сырье и подготовка шихты

Качество фитинга из ковкого чугуна начинается с загрузки металлической шихты в плавильную печь. Производители трубной арматуры из ковкого чугуна обычно используют электрические индукционные печи, которые обеспечивают точный контроль температуры и химический контроль по сравнению с ваграночными печами. Заряд собирается из трех основных категорий металлических материалов:

• Стальной лом (30–60%): Обеспечивает железную основу; Предпочтительны низколегированные марки, чтобы избежать посторонних элементов, таких как хром, олово или свинец, которые мешают образованию конкреций.
• Доходы литейного производства (20–40%): Ворота, стояки и бракованные отливки от предыдущих плавок возвращаются в печь; поддерживает стабильный химический состав и снижает затраты на материалы
• Чугун (0–25%): Высокоуглеродистое железо с низким содержанием примесей, используемое для повышения содержания углерода при высокой доле стального лома.

Добавители углерода (графит или нефтяной кокс) и ферросилиций добавляются для доведения расплава до целевого химического состава. Углеродный эквивалент, рассчитываемый как CE = %C (%Si %P)/3, поддерживается между 4.3 и 4.7 для оптимальной литейности и выделения графита. Спектрометрический анализ выполняется для каждой плавки, прежде чем приступить к подтверждению того, что углерод находится в диапазоне 3,2–3,6% и кремний между 1,8–2,8% .

Плавление, десульфурация и обработка магнием

Превращение основного железа в ковкий чугун происходит в два контролируемых этапа после плавки: десульфурация и обработка магнием. Оба имеют решающее значение: пропуск или недостаточное выполнение любого из этапов приводит к получению отливок с чешуйчатым графитом, которые работают как серый чугун, независимо от того, что предполагает объемная химия.

плавление

Заряд плавится при 1480–1550°С в среднечастотной индукционной печи. Индукционные печи предпочтительны для производства арматуры, поскольку они обеспечивают точный контроль температуры, обеспечивают стабильный химический состав расплава и позволяют избежать поглощения серы в результате сгорания кокса, который происходит в вагранках. Производительность печей для литейных цехов обычно варьируется от От 1 до 10 тонн за плавку в зависимости от размера изготавливаемой арматуры.

Десульфурация

Сера преимущественно реагирует с магнием и поглощает его, прежде чем сможет изменить морфологию графита. Поэтому содержание серы в базовом расплаве должно быть снижено до уровня ниже 0,01–0,02% перед лечением магнием. Обессеривание достигается путем впрыскивания порошка карбида кальция (CaC₂) или магния через фурму в расплав или путем перемещения металла в специальный ковш для обессеривания. Образующийся сульфидный шлак перед началом работы снимается с поверхности.

Лечение магнием (нодуляризация)

Шаровидный агент — обычно ферросилико-магниевый сплав (FeSiMg), содержащий 3–10% магния — добавляется в обрабатывающий ковш сэндвич-методом: сплав FeSiMg помещается на дно ковша и накрывается стальной штамповкой или стальной крышкой перед выпуском расплавленного чугуна сверху. Покрытие подавляет бурную реакцию и снижает потери паров магния. Целевой остаточный магний в обработанном железе составляет 0,030–0,050% — достаточно для преобразования всего графита в шаровидную форму, оставаясь при этом ниже уровня, вызывающего образование карбидов.

Сразу после обработки магнием инокулянт — обычно 0,1–0,3% ферросилиция по весу — добавляется в ковш или в поток при разливке. Инокуляция способствует увеличению количества узелков (цель: 100–300 узелков/мм² ) и предотвращает переохлаждение или дегенерацию графитовых структур, снижающих пластичность. Обработанный расплав необходимо разливать в пределах 20–30 минут до того, как магний упадет ниже эффективного порога.

Подготовка песчаной формы и процесс литья

Фитинги для труб из ковкого чугуна производятся почти исключительно методом литья в песчаные формы, что позволяет экономично формовать сложную внутреннюю геометрию, необходимую для колен, тройников, переходников и фланцевых корпусов. В производстве фитингов преобладают две системы песка: зеленый песок и химически связанный (необожженный) песок.

Молдинг из зеленого песка

Зеленый песок — смесь кварцевого песка и бентонитовой глины (обычно 8–12% ), а вода — уплотняется вокруг рисунка в двухчастной колбе (справиться и перетащить). Выкройку убирают, оставляя полость, повторяющую внешнюю форму фурнитуры. Внутренние каналы (например, отверстие тройника или переходника) образуются песчаными стержнями, помещаемыми внутрь формы до закрытия двух половин. Формование сырого песка высокоавтоматизировано и экономически эффективно для больших объемов небольших фитингов, при этом время цикла формования составляет 30–120 секунд на автоматических формовочных линиях.

Формование песка без обжига (химически связанное)

Для более крупных фитингов — обычно превышающих Ду 300 (12 дюймов) по диаметру — предпочтительны химически связанные песчаные системы с использованием связующих фурановых или фенольных смол. Покрытый смолой песок набивается вокруг рисунка и отверждается при комнатной температуре в результате химической реакции, образуя жесткую форму со стабильными размерами и более качественной поверхностью, чем зеленый песок. Этот метод позволяет получить фитинги с более жесткими допусками и более гладкими внутренними поверхностями, что снижает риск возникновения проблем с адгезией покрытия на последующих этапах процесса.

Заливка и затвердевание

Обработанный ковкий чугун разливают в собранные формы при 1320–1420°С . Температура заливки тщательно контролируется: слишком высокая вызывает чрезмерную усадку и газовую пористость; слишком низкое значение приводит к неполному заполнению формы (неправильной работе). Литниковые системы предназначены для плавного заполнения полости формы без турбулентности, которая могла бы захватывать воздух и оксидные включения. Стояки (питатели) располагаются в самых тяжелых участках отливки для подачи жидкого металла во время затвердевающей усадки — ковкий чугун дает усадку примерно 0–1% при затвердевании в зависимости от углеродного эквивалента. После заливки формам дают остыть в течение 15–60 минут до выбивки, в зависимости от толщины стенки отливки.

Вытряска, очистка и термообработка

После достаточного остывания формы отливку выламывают из песка (выбивку), а налипший песок удаляют механической вибрацией или дробеструйной обработкой. Ворота и стояки удаляются путем распиливания или шлифования. Затем необработанные отливки подвергаются очистке и, во многих случаях, термической обработке.

Дробеструйная очистка

Стальная дробь с высокой скоростью подается по поверхности отливки в пескоструйной камере, удаляя весь прилипший песок, окалину и поверхностные оксиды. Дробеструйная очистка позволяет получить чистую однородную поверхность с профилем (обычно Rz 40–70 мкм ), что имеет решающее значение для последующей адгезии покрытия. Для фитингов, предназначенных для футеровки цементным раствором, желателен более шероховатый профиль для обеспечения механического соединения.

Отжиг Термическая обработка

Большинство фитингов из ковкого чугуна поставляются в отожженном (ферритном) состоянии, чтобы максимизировать пластичность и прочность. Литой ковкий чугун часто содержит смешанную ферритно-перлитную матрицу; отжиг превращает перлит в феррит путем нагревания отливки до 900–950°С , выдерживаем 1–3 часа и медленно остываем. В результате получается полностью ферритная матрица, отвечающая механическим требованиям ASTM A536 Grade 60-40-18 или ISO 1083 GJS-400-18, с прочностью на разрыв ≥ 414 МПа , предел текучести ≥ 276 МПа , а удлинение ≥ 18% .

Механическая обработка: достижение точности размеров соединений и фланцев

Фитинги из ковкого чугуна, отлитые из ковкого чугуна, по размерам близки к окончательным спецификациям, но требуют механической обработки критических поверхностей соединения — особенно поверхностей фланцев, концов раструбов, отверстий под гнезда и расположения отверстий для болтов — для соблюдения жестких допусков, необходимых для герметичной сборки в полевых условиях.

Обработка фланцев

Фланцевые фитинги из ковкого чугуна являются наиболее трудоемким типом. Токарные станки с ЧПУ и вертикальные обрабатывающие центры используются для облицовки посадочной поверхности фланца до плоскостности ≤0,3 мм по всему диаметру фланца просверлите и разверните отверстия под болты с позиционным допуском ±0,5 мм и обработайте выступающую поверхность или профиль канавки для места посадки прокладки. Диаметр окружности отверстий под болты и количество отверстий под болты обрабатываются по схемам сверления ANSI/AWWA C110, PN10, PN16 или PN25 в зависимости от указанного класса давления.

Обработка концов раструбов и патрубков

Для нажимных и механических соединительных фитингов требуются обработанные раструбные отверстия и раструбные концы. Отверстие раструба обрабатывается для установки прокладки с размерными допусками, обычно не превышающими ±1,0 мм по внутреннему диаметру для размеров до DN 300, затяжка до ±0,5 мм для более мелких прецизионных фитингов. Конусность и входная фаска на конце втулки имеют решающее значение для сжатия резинового кольца и прогиба соединения — неправильно обработанные втулки являются частой причиной утечек в соединениях в полевых условиях.

Системы внутренней футеровки трубной арматуры из ковкого чугуна

Ковкий чугун без футеровки подвергается коррозии при контакте с водой, образуя отложения оксида железа, которые ухудшают качество воды и уменьшают пропускную способность. Все фитинги из ковкого чугуна для питьевого водоснабжения и канализации имеют внутреннюю облицовку, наносимую после механической обработки. Двумя доминирующими системами футеровки являются цементный раствор и наплавленная эпоксидная смола.

Футеровка из цементного раствора (CML)

Облицовка цементным раствором является наиболее широко используемой системой внутренней защиты арматуры водопроводных магистралей во всем мире и стандартизирована в соответствии со стандартами AWWA C104 и ISO 4179. Портландцементный раствор наносится пневматически или центробежно на внутреннее отверстие фитинга до минимальной толщины 3 мм для фитингов до DN 300 , увеличиваясь до 6 мм для DN 600 и выше . Цемент затвердевает в течение 24–48 часов и образует защитный щелочной слой (pH 12–13), который пассивирует нижележащую поверхность железа и предотвращает коррозию. Фитинги CML выдерживают температуру воды до 50°С и подходят для агрессивных источников мягкой воды, когда поверх раствора наносится герметизирующий слой.

Облицовка из эпоксидной смолы, полученной методом плавления (FBE)

Эпоксидная смола, связанная наплавлением, обеспечивает более тонкую, гладкую и химически более стойкую футеровку, чем цементный раствор. Фитинг предварительно нагревается до 180–240°С , а сухой эпоксидный порошок наносится электростатически или путем нанесения покрытия в псевдоожиженном слое; тепло заставляет порошок плавиться, течь и отверждаться, образуя непрерывную пленку. 300–500 мкм (0,3–0,5 мм) толщина. Фитинги с футеровкой FBE соответствуют стандарту AWWA C213 и предпочтительны для:

• Агрессивные водные условия, включая мягкую воду, среду с высоким содержанием хлора и источники с низким pH.
• Применение в сточных водах, где цементный раствор может подвергаться воздействию сероводорода или сточных вод с низким pH.
• Приложения, требующие максимально гладкого внутреннего отверстия (n Мэннинга ≈ 0.009 для FBE против. 0,011–0,013 для ХМЛ)

Полиуретановые и полиэтиленовые футеровки

Напыляемые футеровки из полиуретана и полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) используются в особых случаях, особенно в арматуре, работающей с агрессивными химикатами, морской водой или транспортировкой шлама. Эти футеровки наносятся безвоздушным распылением на типичную толщину 1000–2000 мкм и обеспечивают превосходную химическую стойкость по сравнению с CML и FBE, но имеют более высокую стоимость.

Внешнее покрытие и защита от коррозии

Внешняя поверхность фитингов из ковкого чугуна в равной степени уязвима для почвенной коррозии, особенно в агрессивных почвах с высоким содержанием хлоридов, низким уровнем pH или блуждающими электрическими токами. Стандартные системы внешней защиты, применяемые при производстве, включают:

Покрытия с высоким содержанием цинка с битумным или эпоксидным отделочным слоем (согласно ISO 8179-1) обеспечивают гальваническую защиту — цинк жертвует собой, чтобы защитить железную подложку даже там, где покрытие механически повреждено. Эта система является стандартной для заглубленной арматуры в европейской водной инфраструктуре и все чаще используется в проектах Северной Америки, где требуется длительный срок службы в агрессивных грунтовых условиях.

Виды трубопроводной арматуры из ковкого чугуна и варианты их изготовления

Процесс литья в песчаные формы достаточно гибок, чтобы производить фитинги любого размера, необходимые для систем водоснабжения и водоотведения. Каждый тип имеет свои особенности изготовления:

Локти (90°, 45°, 22,5°, 11,25°)

Для отводов требуются формы, состоящие из двух частей, с сердечниками для формирования изогнутого отверстия. Сердечник должен быть жестко закреплен с обоих концов, чтобы противостоять выталкивающей силе расплавленного железа, которая может сместить плохо закрепленные сердечники и вызвать изменение толщины стенок. Однородность толщины стенок вокруг изгиба является ключевым параметром качества: неровные стенки создают концентрацию напряжений под давлением. AWWA C110 определяет минимальную толщину стенки для каждого номинального размера и класса давления.

Тройники и крестовины

Тройники и крестовины требуют трех-четырех жил и более сложных литниковых систем, чтобы обеспечить одновременное заполнение всех ответвлений без холодных закрытий (преждевременного затвердевания в месте встречи двух потоков металла). Область промежности ветвей является зоной наибольшего напряжения в эксплуатации и требует пристального внимания к толщине стенок и закругленным переходам — AWWA C110 определяет минимальную толщину промежности для каждой комбинации размеров.

Переходники и конусы

Концентрические и эксцентриковые переходники соединяют трубы разного диаметра. Эксцентриковый вариант, в котором одна сторона отверстия прямая, обычно изготавливается плоской стороной вверх в форме, чтобы облегчить вентиляцию сердечника и снизить риск газовой пористости в верхней (эксцентриковой) секции.

Фланцевые, нажимные и механические соединения

Тип соединения заливается в фитинг и определяет требования к последующей механической обработке:

• Фланцевые фитинги: Литой со встроенными фланцами; требуют полной торцевой обработки, сверления отверстий под болты и чистовой обработки поверхности прокладки — наиболее трудоемкий тип обработки.
• Нажимные фитинги (Tyton): На раструбном конце имеется резиновая кольцевая прокладка; Отверстие раструба обработано для установки прокладки и должно быть гладким и точным по размерам для обеспечения постоянной деформации соединения.
• Фитинги с механическим соединением (MJ): Включает систему сальников и следящих колец; раструб отлит со встроенной фиксирующей канавкой, а посадочная поверхность прокладки обработана в соответствии с размерными требованиями AWWA C111.

Требования к контролю качества и тестированию

Трубопроводная арматура из ковкого чугуна для водоснабжения и водоотведения подвергается многоступенчатому контролю качества на протяжении всего процесса производства. Руководящие стандарты — в первую очередь AWWA C110, C153, ISO 2531 и EN 545 — определяют обязательные испытания и критерии приемки на каждом этапе.

Металлургическая проверка

• Спектрометрическая химия: Каждая плавка анализируется с помощью оптической эмиссионной спектрометрии (OES) для проверки содержания углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и остаточного магния.
• Проверка узловатости: Полированные металлографические образцы исследуют под оптическим микроскопом; стандарты производства требуют ≥85% узловатость (узелки типа I и II по ISO 945-1) для подтверждения успешного лечения магнием.
• Механические испытания: Испытательные стержни, отлитые вместе с производственными партиями, испытываются для проверки прочности на разрыв ≥ 414 МПа, предела текучести ≥ 276 МПа и удлинения ≥ 18 % для марки 60-40-18 / GJS-400-18.
• Твердость по Бринеллю: Измерено на обработанных поверхностях; приемлемый диапазон для ферритного ковкого чугуна составляет 140–190 ХБ

Испытание гидростатическим давлением

Каждый фитинг из ковкого чугуна перед отправкой проходит гидростатические испытания. Испытательное давление определяется применимым стандартом и классом давления:

Фитинги герметизируются с обоих концов контрольными заглушками, находятся под давлением воды и визуально проверяются на предмет утечек, запотевания или растрескивания поверхности. Любой фитинг, который протекает или имеет видимые повреждения при испытательном давлении, отбраковывается и либо отправляется на слом, либо возвращается на оценку литейного производства. Протоколы испытаний сохраняются и обычно прилагаются к сертификационным документам на материалы (заводским сертификатам), сопровождающим каждую партию.

Размерный и визуальный контроль

Размер каждого фитинга проверяется на соответствие применимому стандартному чертежу, при этом особое внимание уделяется:

• Внутренний диаметр и глубина раструба (критичны для работы соединения)
• Диаметр окружности отверстий под болты фланца и диаметр отверстия под болт (в пределах ±0,5 мм)
• Общая длина и углы ответвления (в пределах ±1° для колен)
• Проверка толщины футеровки магнитным толщиномером сухой пленки
• Обнаружение дефектов внешнего покрытия (отверстий) с помощью низковольтного испытания влажной губкой для покрытий FBE

Ключевые стандарты, регулирующие производство трубопроводной арматуры из ковкого чугуна

Определение правильного стандарта имеет важное значение при закупке фитингов для труб из ковкого чугуна, поскольку требования к толщине стенок, механическим свойствам, размерам соединений и испытательному давлению значительно различаются в зависимости от региональных стандартов. Наиболее важными стандартами, используемыми во всем мире, являются:

• АВВА C110: Фитинги из ковкого чугуна и серого чугуна диаметром от 3 до 48 дюймов — основной североамериканский стандарт для полнокорпусных фитингов с подробными таблицами размеров для всех типов и размеров фитингов.
• АВВА C153: Компактные фитинги из ковкого чугуна — охватывают компактные фитинги (с коротким корпусом), которые легче и дешевле, чем фитинги C110 для того же номинального давления, размеры 3–64 дюйма.
• ИСО 2531/ЕН 545: Европейский стандарт на трубы, фитинги и аксессуары для водопроводов из ковкого чугуна — регулирует проектирование, производство, испытания и маркировку для европейского и международного рынка.
• АВВА C104: Облицовка цементным раствором труб и фитингов из ковкого чугуна — указана толщина облицовки, тип цемента и требования к применению.
• AWWA C116/EN 14901: Требования к наплавленному эпоксидному покрытию для внутренней и внешней части арматуры из ковкого чугуна
• НФС/АНСИ 61: Компоненты системы питьевого водоснабжения — стандарт воздействия на здоровье, требуемый для всей арматуры систем питьевого водоснабжения в США; охватывает выщелачивание металлов и органических веществ из материалов футеровки и покрытия