造紙機械烘缸用球墨鑄鐵材料的性能及要求

張衛民 陳巧花 李 峰 嚴國喬 張國華 蘭春林

(1. 全國輕工業機械標準化技術委員會，浙江杭州，310004;2. 輕工業杭州機電設計研究院，浙江杭州，310004)

烘缸是干燥部的核心部分，烘缸作為主要的傳熱部件，在造紙機械中占有很大的比重。采用鑄鐵材料制成的烘缸，幾乎占據了整個造紙機烘缸產品市場。鑄鐵材料有良好的鑄造和機加工性能、良好的導熱性能和紙張在其表面的剝離性能。由于在使用水蒸氣作為加熱介質時烘缸屬于承壓設備，而鑄鐵材料的金屬結構組織在鑄造過程中發生缺陷的概率也比較高，尤其是灰鑄鐵材料屬于脆性材料，所以，鑄鐵烘缸的使用安全性，一直是人們關注的焦點。為了減少安全事故的發生，在設計階段通常的做法是提高鑄鐵壓力容器的安全系數，這一點我國在法規和標準體系中采取的做法與美國ASME 規范，以及歐盟的規范都是一致的。

由于技術進步的需要和生產規模化的提高，造紙機械正在向高速、大型化方向發展。紙機干燥部一直是發展中高速紙機技術的瓶頸之一［1］，通常希望烘缸表面溫度能夠提高，使紙張得到更高的干燥速度。實現這一愿望可采取的措施有:①提高烘缸內的操作壓力以提高烘缸操作溫度;②減少烘缸壁厚以減少熱傳導阻力;③改善烘缸內部的排水以提高傳熱效率;④在烘缸內壁開設溝紋以提高有效傳熱面積。這些措施可以提高各操作單元中紙張水分的蒸發速率，也是提高造紙機械車速的重要方向之一，前2 個措施與烘缸的材料有關，后2 個措施與烘缸的結構有關。

本文重點關注的是球墨鑄鐵材料在造紙機械烘缸中的應用和其特性要求，以及目前國家法規和標準中的要求在使用中存在的問題等，以供參考。

1 選用球墨鑄鐵材料存在的問題

我國與造紙機械烘缸有關的法規和標準分別規定了鑄鐵烘缸的設計壓力和材料的選用。如國家質量技術監督檢驗檢疫總局頒布的行政法規固定式壓力容器安全技術監察規程［2］(以下簡稱《固容規》)規定了鑄鐵材料的使用條件，見表1。

表1 《固容規》中列出的鑄鐵材料及使用限制

從表1 可以看出，選用球墨鑄鐵材料可以滿足提高操作壓力和操作溫度的要求。

我國輕工行業標準QB/T 2556—2008 造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定［3］(以下簡稱《設計規定》)和QB 2551—2008 造紙機械用鑄鐵烘缸技術條件［4］(以下簡稱《技術條件》)，是配套的輕工行業標準，其中規定的鑄鐵使用條件見表2。這2 個標準中，雖然沒有明確規定烘缸的使用溫度，但在應用中設計溫度是按對應的飽和水蒸氣溫度取值，這在標準應用中未發生過異議。行業中雖有用導熱油作為加熱介質的情況，但導熱油烘缸另有標準規定。

表2 《設計規定》和《技術條件》中列出的鑄鐵材料及使用限制

從表1 和表2 可以看出，2009 年頒布的《固容規》僅明確了2 種牌號的球墨鑄鐵QT400-18L 和QT400-18R 允許用于承壓設備，而2008 年頒布的2個行業標準《設計規定》和《技術條件》注明的球墨鑄鐵有QT400、QT500 和QT600 3 種，《設計規定》標準條文4.6.4 還規定，設計壓力＞0.8 ～1.1 MPa時，“缸體的材質不低于QT500”。《技術條件》標準條文3.2.1 有同樣的描述。顯然，標準與法規出現了不相容的情況，而且，用“材質不低于”這樣的描述存在歧義。高標號材料與鑄造性能是一對矛盾，牌號越高，鑄造流動性越差，越容易出廢品，特別是大直徑寬幅面的鑄鐵烘缸更是如此［5］。

2 個行業標準頒布時與《固容規》所替代的版本《壓力容器安全技術監察規程》中的條文相容，但老版本中所涉及的球墨鑄鐵并沒有規定牌號。而《固容規》規定了球墨鑄鐵牌號之后，使法規和行業標準變得不相容。由于《固容規》是國家政府部門頒布的技術法規，高于行業標準《設計規定》和《技術條件》，因此關于球墨鑄鐵材料在造紙機械烘缸中的應用問題，應該根據法規條文的變化進行相應的變更。若確實在技術上必須增加的內容，則需要維護法規和標準的上下位關系，首先要在法規中批準。行業標準應嚴于法規，而不是寬于法規。

2 球墨鑄鐵材料的力學性能及其應用

2.1 承壓設備材料的機械性能及其應用

“對于壓力容器用金屬材料，首先要求具有一定的強度，同時還應具有良好的塑性、韌性、可成形性及焊接性［6］。”這句話是針對鋼制焊接容器而言的，對于鑄鐵壓力容器， “可成形性和焊接性”要改成“可加工性和鑄造性”。因為對于鋼制壓力容器，其材料要經過卷板、壓力成形和焊接加工，而烘缸要經過鑄造和切削加工。

通常對于鋼制壓力容器而言，衡量其塑性的重要指標有2 個:斷后伸長率(percentage elongation after fracture)、斷面收縮率(percentage reduction of area);衡量其韌性的重要指標是沖擊吸收功(impact absorbing energy)。

塑性是指金屬材料在斷裂前發生塑性變形的能力。塑性好的金屬材料制造承壓設備，可以緩和局部應力的不良影響，不易產生脆性斷裂。在容器結構不連續區，通常的局部應力呈現“自限制性”的特征，塑性良好的材料在承壓后結構發生變形，而伴隨著變形的結果使應力重新分布，變形協調了設備的應力水平。這就是為什么要采用塑性較好的材料的原因之一。

韌性是指金屬材料抵抗沖擊負荷的能力。韌性常用沖擊功Ak 值來表示。沖擊功值除反映材料的抗沖擊性能外，還能反映材料對缺陷的敏感性，而且沖擊功對材料的脆性轉化情況也很敏感，低溫沖擊試驗能檢驗材料的冷脆性。

壓力容器爆炸時的能量主要以沖擊波、碎片和殘余變形3 種形式表現［7］，材料的韌性越好，殘余變形越大，爆炸時吸收的能量越多，爆炸后產生的沖擊波就越弱，因此對周圍的破壞就越小。壓力容器爆炸后的碎片和殘余變形消耗的能量占總爆破能量的 3% ～15%［8］。灰鑄鐵是脆性材料，爆炸后碎片和殘余變形吸收的能量比例不計，但球墨鑄鐵的韌性要好很多，可以從伸長率和最小沖擊功值看出其與容器用鋼之間的定量關系。表3 給出了壓力容器常用的碳鋼Q245R、烘缸常用的灰鑄鐵HT250、球墨鑄鐵QT400-18R 的機械性能參數。

灰鑄鐵HT250，其機械性能引自國家標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件［9］，表3 中沖擊功沒有列出，由于其呈現脆性材料的特性，沖擊功值很低，不計其值。沖擊功值為0 意味著容器爆炸時沒有發生材料變形吸收能量的現象。

與灰鑄鐵和低碳鋼相比較，球墨鑄鐵的塑性和韌性更接近于低碳鋼。因此，應用于承壓設備場合，球墨鑄鐵比灰鑄鐵具有更好的機械性能。而灰鑄鐵其實是很不適合用于承壓設備制造的，只是因為其具有良好的鑄造性能和紙張的剝離性能，長期以來，一直是造紙機械烘缸的主要用材。

為了彌補鑄鐵材料的缺點，通常采用的方法是增加安全系數，在國外規范中的處理方法也是如此。

2.2 相關球墨鑄鐵材料的性能及對比

對于球墨鑄鐵，國家標準GB/T 1348—2009 球墨鑄鐵件［10］中規定的機械性能見表4 所列，這里僅摘錄了在《固容規》和《設計規定》中涉及到的2 種材料。

表4 中所列QT500-7 的沖擊功在GB/T 1348—2009 中沒有表述，但在附錄D 中，對球墨鑄鐵材料韌性有專門的介紹。但就從伸長率指標和強度指標來判斷，QT500 球墨鑄鐵的沖擊功顯然低于QT400。

從金相組織結構來看，QT400 主要基體組織是“鐵素體”，而QT500 則是“鐵素體+ 珠光體”。QT500-10 “基體組織以鐵素體為主，珠光體含量不超過5%，滲碳體不超過1%”［10］。

表3 幾種材料的機械性能參數

綜合各方面的性能，QT400 與QT500 相比，除了強度稍差些以外，塑性和韌性都較好， 《固容規》給出的2 種QT400 材料，選用QT400-18R 作為造紙機械烘缸選材應該是合理的。

2.3 我國法規與美國ASME 以及歐盟標準的相關內容比較

表5 是《固容規》和美國ASME 鍋爐及壓力容器規范第VIII 卷 第一冊 壓力容器建造規則［11］(以下簡稱ASME 規范)中規定的幾種材料的一些有關參數比較。

表5 《固容規》與ASME 規范中不同材料的設計參數

ASME 規范中，灰鑄鐵用于承壓設備時，設計壓力和設計溫度都比較低，而球墨鑄鐵用于承壓設備時，設計壓力和設計溫度則比較高。 《固容規》與ASME 規范相比，在設計條件和安全系數選取時，使用鑄鐵時比較保守，尤其是球墨鑄鐵。

ASME 規范在處理球墨鑄鐵時，顯然更靠近低碳鋼而不是靠近灰鑄鐵。應該說ASME 規范規定的球墨鑄鐵的安全系數比較合理。從表3 中各種材料的伸長率和沖擊功數值的對比來理解，這樣處理比較恰當。

工程上常把伸長率＜5%的材料稱為脆性材料，伸長率＞5%的材料稱為塑性材料，也有把伸長率為5% ～10%的材料稱為韌性材料，而伸長率＞10%的材料稱為塑性材料。因此球墨鑄鐵和低碳鋼為塑性材料，而灰鑄鐵則是脆性材料。在ASME 規范中，UCD篇有一個注解，當可鍛鑄鐵的伸長率＜15%時，要求按灰鑄鐵對待，按UCI 篇進行設計［11］。美國人把15%的伸長率作為一個判定界限，顯然QT500 不滿足這一要求，如果使用就要按照UCI 篇灰鑄鐵的要求進行對待。這是否可以解釋《固容規》引入了QT400-18R 而沒有引入QT500 的原因。

歐盟標準EN 13445-6:2009 非直接火焰加熱壓力容器——第6 部分:球墨鑄鐵構造壓力容器和受壓元件的設計和制造要求［12］提供了兩類球墨鑄鐵，一種是鐵素體球墨鑄鐵，其中EN-GJS-18RT 和EN-GJS-18LT 相當于我國的QT400-18R 和QT400-18L;另一種是奧氏體球墨鑄鐵，我國的法規尚未推薦。歐盟標準EN 13445 中球墨鑄鐵的安全系數是按屈服限給的，折合到抗拉強度Rm相當于4.8，這與ASME 規范相當，但EN 13445 還要考慮幾個系數——溫度系數、壁厚系數和試驗系數，這樣一來，會比ASME 規范保守一些。EN 13445 沒有考慮灰鑄鐵的應用。

2.4 對我國行業標準的修改建議

通過對鑄鐵材料的機械性能的討論，對比我國法規和標準，對照ASME 規范和EN 13445 在處理鑄鐵材料時的一些措施，可以清楚認識到，《固容規》在處理灰鑄鐵材料時，接近ASME 規范的方法，在處理球墨鑄鐵材料時，接近歐盟的方法。建議我國行業標準的修訂目標應該按照這個思路進行，從而使我國的法規和標準體系更為相容。

3 結 語

鑄鐵材料作為承壓設備通常都具有比較特殊的用途。鑄鐵材料鑄造過程的不確定因素較多，而鑄造缺陷的無損檢測方法也不夠精確。特別是對于大型鑄件，鐵水在澆鑄流動過程中，熱量會損失一部分，遠離冒口的部位與冒口處材料的機械性能或多或少存在不一致。而對于造紙機械烘缸而言，尤其是寬幅的烘缸，澆鑄時底部鐵水的液體靜壓力和冒口處相差很大，這些因素都會影響鑄件的質量，所以在選材方面需要十分慎重。

選擇球墨鑄鐵QT400-18 作為造紙機械烘缸使用材料，有以下幾個理由:

(1)球墨鑄鐵QT400-18 與QT500 相比，綜合性能要好，強度雖然低一些，但韌性高許多，所以可以取代QT500 的應用場合。

(2)固定式壓力容器安全技術監察規程(《固容規》)屬于行政法規文件，在法規體系中的地位高于行業標準，當行業標準與行政法規有不一致的時候，應該服從于法規。

(3)《固容規》與行業標準比較，頒布的時間較晚，行業標準需要更改以適應其要求。

總而言之，球墨鑄鐵QT400-18 在用于造紙機械烘缸方面的綜合性能優于QT500-7 和QT500-10，而輕工行業標準中給出的QT500 和QT600 應停止使用。如有必要，應該補充一些機械性能指標后，報請國家有關法規管理部門批準，增加到法規條文中。

［1］ ZHANG Hui，WANG Shu-mei，CHENG Jin-lan，et al. Advances in Pulping and Papermaking Equipment Science and Technology［J］.China Pulp ＆ Paper，2011，30(4):55.張 輝，王淑梅，程金蘭，等. 我國紙漿造紙裝備科學技術的發展［J］. 中國造紙，2011，30(4):55.

［2］ TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.

［3］ QB/T 2556—2008，造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定［S］.

［4］ QB 2551—2008，造紙機械用鑄鐵烘缸技術條件［S］.

［5］ ZHANG Dong-jun，BIAN Xuan-xun，MA Ming-gang. The Design Rules of Paper Machine Used to Cast Iron Dryer［J］. China Pulp ＆Paper，2006，25(6):67.張東峻，卞學詢，馬明剛. 關于“造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定”的商榷［J］.中國造紙，2006，25(6):67.

［6］ 李世玉. 壓力容器設計［M］. 北京:新華出版社，2005.

［7］ WANG Dao-wen. Application of MATLAB in Analysis of Paper Drying Cylinder Explosion［J］. China Pulp ＆ Paper，2010，29(12):52.王道文. MATLAB 在造紙烘缸爆炸事故分析中的應用［J］. 中國造紙，2010，29(12):52.

［8］ 王鐵松. 造紙用烘缸發生爆炸時的影響范圍分析［J］. 輕工機械，2007(10):112.

［9］ GB/T 9439—2010，灰鑄鐵件［S］.

［10］ GB/T 1348—2009，球墨鑄鐵件［S］.

［11］ 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII Division 1 Rule for Construction of Pressure Vessel［S］.鍋爐壓力容器規范. 第VIII 卷 第一冊:壓力容器建造規則［S］.

［12］ BS EN 13445-6:2009 Unfired pressure vessels -Part 6:Requirements for the design and fabrication of pressure vessels and pressure parts constructed from spheroidal graphite cast iron［S］.非直接火焰加熱壓力容器——第6 部分:球墨鑄鐵構造壓力容器和受壓元件的設計和制造要求［S］.