煤粉输送管 道是火电厂 运营过程中 的关键配 件，煤粉的输送是一个快速而持续的过程，较快的 输送速度使管道承受严重的冲击磨 损， 在弯头部 位经常发生穿洞失效现象， 使用寿 命仅为直管 的 1/3，频繁的维 修补焊已 成 为 影 响 煤 粉 输 送 效 率 的 重 要 因 素 之 一 [1]。 目前 ， 电 厂 使 用 的 弯 头 多 为 16Mn 单一 材 质，硬 度 低，耐 磨 性 能 差。 单 位 承 接 某 电 厂 大 型 弯 头，金 属 焊 接 制 成，其 形 状 如 图 1。 为提高弯头的使用寿命， 将单一材质 改为双金属 复 合 弯 头，弯 头 尺 寸 较 大，为 保 证 其 品 质，采 用 消 失模铸造工艺[2]。
 
 
1 试验方法
复合弯头外壁非工作层采用钢管分节对接，内 部工作层模型由手工电阻丝切割聚苯乙烯泡沫 而 成，涂刷水基石英粉专用耐火涂料，在烘干室内进行干燥，选用底抽式真空砂箱；砂箱于二维振动台进 行震动；采用中频感应炉熔炼高铬铸铁，浇注前，开 启抽真空系统，铁液出炉温度为 1 480 ℃，浇注温度控制在 1 420～1 430 ℃，热处理在台车式电阻炉内 进行， 耐磨性试验在 NUS-IS03 型磨粒磨损试验机 上进行。
 

2 试制过程与结果分析
 
2.1 弯头材质成分选择
 输送煤粉过程中，弯头部位承受煤粉的冲击与 磨损严重，因此要求弯头具备很好的耐磨性，同时， 弯头的安装、拆卸、以及使用过程中的维修都要求 其具有良好的焊接性能。 在电厂工况下，高铬铸铁 的抗磨损性能是最好的[1]，但脆性很高，若单一使用 高铬铸铁材质，弯头不能焊接。使用 16Mn 材质钢管 与之复合铸造， 不仅使弯头具备了良好的耐磨性 能，而且实现了焊接，很大程度提升了弯头的使用 周期。
 
试 验 弯 头 工 作 层 高 铬 铸 铁 各 元 素 含 量 根 据 GB/T8263-2010 中 BTMCr15 选定 w 为：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。 弯头外层 非工作层选用 16Mn 材质钢管。
 

2.2 复合弯头非工作部位制作工艺
所研 制 的 弯 头 外 型 尺 寸 如 图 1，中心 弧 长 为 1 282 mm，对应的半径为 R1 050 mm，弯头 两端所 成中心角为 70°；采购成品 16Mn 材质钢管，钢管外 径为 准273 mm，壁厚 6 mm，用线切割的方法，将钢 管根据所试制弯头的角度切分为 7 段， 并按 1∶1 放 大样进行焊接，形成弯头的非工作部位。
 
2.3 工作部位模型制作工艺 
工业发达国 家在开发消 失模铸造工 艺的过程 中，重点对大型铸件泡沫模型的热解特性，金属充 型凝固特性， 干砂充填紧实度等专题进行研究，并 取得了很好效果[3~6]。 因所制弯头尺寸较大，故内部 工作部位采用消失模铸造工艺制备。
煤粉在输送过程中，弯头背部所受的冲击磨损 最严重，所以内部工作层设计采用沿弧逐渐加厚的 “偏心”结构，如图 1 中 1 所示；弯头内部工作层“偏 心”状模型的制作选用聚苯乙烯泡沫，采用电阻丝 手工切割， 铸造收缩率为 1%。 将泡沫模型分节切 割，填充于钢管弯头内，并尽量做到严丝合缝，有缝 隙之处用报纸粘贴严实，填堵完成后涂刷镁砂粉涂 料，涂层厚度约 2.0~2.5 mm。 因弯头尺寸较大，为防 止塌箱，涂料涂刷 4 遍，每层涂刷后在烘干室内进 行烘干，待完全干燥后涂刷下一层。
 
2.4 浇注系统设计 
由于弯头尺寸较大，采用水平式浇注易发生塌箱事故。经试验，浇注工艺采用如图 1 中的竖立式阶 梯浇注[7]。 阶梯浇注系统分 2 层浇道，两个内浇道 向同一方向倾斜；便于补缩、同时防止铁液冷却收缩 将其拉裂。 根据文献介绍[8]，阶梯式浇注系统的直 浇道 截面积应大于其他浇道截面积， 研制试验设 计直浇道截面尺寸 45 mm×45 mm，内浇道截面尺寸 30 mm×45 mm，长 180 mm。
 
2.5 模型合箱 
弯头内涂料完全干透后， 将模型与浇注系统组 装 完整，同时在 弯 头 内 设 置 抽 真 空 钢 管，图 1 中 2 所示。 之前试制过程中因没设抽真空钢管， 发生胀箱 和塌箱现象，致铸件不合格，经分析讨论其原因为： 弯头内腔型砂紧密度和硬度不够。 弯头内部设置抽 真空钢管可增强型砂硬度和紧密度， 有效防止胀箱 等现象发生。
抽真空钢管固定于弯头内中心位置， 避免偏心 与内壁接触，防止抽塌。将组装好的模型整体放入砂 箱内，检查涂料有无脱落或“露白”现象，若有发生及 时用泥粘严，避免浇注时型砂进入铸件形成夹砂。 砂箱内以硅砂作为型砂， 模型在砂箱内的吃砂 量 为：下 部 90~100 mm，四壁 与 上 部 120~150 mm。 将砂箱置于二维震动台震动 1 min 左右， 后吊入浇 注坑。 表面覆盖塑料薄膜，放置浇口杯，将潮砂覆于 薄膜上， 用于固定浇口杯以及防止外溅铁液烧破薄 膜而泄压。
 
 2.6 铁液熔炼与浇注 
高 铬 铸 铁 的 熔 炼 在 250 kg 中 频 感 应 炉 内 进 行，按照已设定铁液的化学成分进行配料计算。 装 炉时炉料要紧密，以求快速熔化；开始通电 6~8 min 内先以小功率送电，待电流冲击停止 后，逐渐将功 率 增 至 最 大 ； 熔 炼 过 程 中 应 随 时 推 料 防 止 “搭 桥 ” ，并 陆 续 添 加 炉 料。 待 炉 料 全 部 熔 化，温 度 升 至 1 480 ℃时出 铁 液， 并 开 启 真 空 泵， 铁 液 镇 静 2~3 min 后进行浇注。浇注完成后将负压度调整为 -0.025 MPa，抽真空保持 15 min 关闭真空泵，铸件 于砂箱内保温 8 h 倒箱。 铸件在空气中冷却。
 

2.7 热处理工艺
 为了提高大型复合弯头使用寿命， 达到火力发 电厂输送煤粉的指标要求， 对弯头进行了正火和回 火处理。 正火和回火工艺如图 2 和图 3 所示。
 
2.8 耐磨性试验及结果分析
 为对比双金属弯头与单一材质 16Mn 弯头的耐 磨损性能， 分别从研制成功的双金属弯头及 16Mn 弯头上取样，进行了磨粒磨损试验。将 试样 制 成 50 mm×50 mm×4 mm 的试 样 块， 于 NUS-ISO3 型磨粒磨损试验机上进行磨损试验， 记 录 试 样 减 重 量；对 试 验 机“往 复 次 数”及 试 样 块 “累计减重量” 用的函数关系 Origin 软件进行直线 拟合，分别得到如图 4 所示的两条直线，直线斜率 即表示试样的磨损率。
 
从图 4 中直线 斜率可以得 出： 双 金 属 弯 头 试 样 的 耐 磨 性 能 是 16Mn 材 质 弯 头 耐 磨 性 能 的 2.05倍。
 
 2.9 大型双金属弯头的应用 
 
研制成功的大型复合弯头在某电厂进行了装机 试验，现场跟踪表明：使用了 18 个月未发现穿孔失 效现象， 较该电厂原配弯头使用寿命提高 2～3 倍， 品质得到该电厂的认可。
3 结论
（1）采用消失模固液复合铸造 16Mn 材质钢-高 铬铸铁复合大型弯头， 既保证了弯头良好的焊接性 能，同时拥有很高的耐磨性，大幅度增加了弯头的使 用周期，提高了煤粉输送效率。
（2）（2）浇注 过 程 中，采 用 竖 立 式 阶 梯 浇 注 并 在 复 合 弯头内添加抽真空钢管，有效解决了塌 箱、胀箱 问题。
（3）（3）与单一材质 16Mn 弯头相比，双金属复合弯 头的耐磨性能是其 2.05 倍， 使用寿命较前者提高 2～3 倍。