张卫民 陈巧花 李 峰 严国乔 张国华 兰春林

(1. 全国轻工业机械标准化技术委员会，浙江杭州，310004;2. 轻工业杭州机电设计研究院，浙江杭州，310004)

烘缸是干燥部的核心部分，烘缸作为主要的传热部件，在造纸机械中占有很大的比重。采用铸铁材料制成的烘缸，几乎占据了整个造纸机烘缸产品市场。铸铁材料有良好的铸造和机加工性能、良好的导热性能和纸张在其表面的剥离性能。由于在使用水蒸气作为加热介质时烘缸属于承压设备，而铸铁材料的金属结构组织在铸造过程中发生缺陷的概率也比较高，尤其是灰铸铁材料属于脆性材料，所以，铸铁烘缸的使用安全性，一直是人们关注的焦点。为了减少安全事故的发生，在设计阶段通常的做法是提高铸铁压力容器的安全系数，这一点我国在法规和标准体系中采取的做法与美国ASME 规范，以及欧盟的规范都是一致的。

由于技术进步的需要和生产规模化的提高，造纸机械正在向高速、大型化方向发展。纸机干燥部一直是发展中高速纸机技术的瓶颈之一［1］，通常希望烘缸表面温度能够提高，使纸张得到更高的干燥速度。实现这一愿望可采取的措施有:①提高烘缸内的操作压力以提高烘缸操作温度;②减少烘缸壁厚以减少热传导阻力;③改善烘缸内部的排水以提高传热效率;④在烘缸内壁开设沟纹以提高有效传热面积。这些措施可以提高各操作单元中纸张水分的蒸发速率，也是提高造纸机械车速的重要方向之一，前2 个措施与烘缸的材料有关，后2 个措施与烘缸的结构有关。

本文重点关注的是球墨铸铁材料在造纸机械烘缸中的应用和其特性要求，以及目前国家法规和标准中的要求在使用中存在的问题等，以供参考。

1 选用球墨铸铁材料存在的问题

我国与造纸机械烘缸有关的法规和标准分别规定了铸铁烘缸的设计压力和材料的选用。如国家质量技术监督检验检疫总局颁布的行政法规固定式压力容器安全技术监察规程［2］(以下简称《固容规》)规定了铸铁材料的使用条件，见表1。

表1 《固容规》中列出的铸铁材料及使用限制

从表1 可以看出，选用球墨铸铁材料可以满足提高操作压力和操作温度的要求。

我国轻工行业标准QB/T 2556—2008 造纸机械用铸铁烘缸设计规定［3］(以下简称《设计规定》)和QB 2551—2008 造纸机械用铸铁烘缸技术条件［4］(以下简称《技术条件》)，是配套的轻工行业标准，其中规定的铸铁使用条件见表2。这2 个标准中，虽然没有明确规定烘缸的使用温度，但在应用中设计温度是按对应的饱和水蒸气温度取值，这在标准应用中未发生过异议。行业中虽有用导热油作为加热介质的情况，但导热油烘缸另有标准规定。

表2 《设计规定》和《技术条件》中列出的铸铁材料及使用限制

从表1 和表2 可以看出，2009 年颁布的《固容规》仅明确了2 种牌号的球墨铸铁QT400-18L 和QT400-18R 允许用于承压设备，而2008 年颁布的2个行业标准《设计规定》和《技术条件》注明的球墨铸铁有QT400、QT500 和QT600 3 种，《设计规定》标准条文4.6.4 还规定，设计压力＞0.8 ～1.1 MPa时，“缸体的材质不低于QT500”。《技术条件》标准条文3.2.1 有同样的描述。显然，标准与法规出现了不相容的情况，而且，用“材质不低于”这样的描述存在歧义。高标号材料与铸造性能是一对矛盾，牌号越高，铸造流动性越差，越容易出废品，特别是大直径宽幅面的铸铁烘缸更是如此［5］。

2 个行业标准颁布时与《固容规》所替代的版本《压力容器安全技术监察规程》中的条文相容，但老版本中所涉及的球墨铸铁并没有规定牌号。而《固容规》规定了球墨铸铁牌号之后，使法规和行业标准变得不相容。由于《固容规》是国家政府部门颁布的技术法规，高于行业标准《设计规定》和《技术条件》，因此关于球墨铸铁材料在造纸机械烘缸中的应用问题，应该根据法规条文的变化进行相应的变更。若确实在技术上必须增加的内容，则需要维护法规和标准的上下位关系，首先要在法规中批准。行业标准应严于法规，而不是宽于法规。

2 球墨铸铁材料的力学性能及其应用

2.1 承压设备材料的机械性能及其应用

“对于压力容器用金属材料，首先要求具有一定的强度，同时还应具有良好的塑性、韧性、可成形性及焊接性［6］。”这句话是针对钢制焊接容器而言的，对于铸铁压力容器， “可成形性和焊接性”要改成“可加工性和铸造性”。因为对于钢制压力容器，其材料要经过卷板、压力成形和焊接加工，而烘缸要经过铸造和切削加工。

通常对于钢制压力容器而言，衡量其塑性的重要指标有2 个:断后伸长率(percentage elongation after fracture)、断面收缩率(percentage reduction of area);衡量其韧性的重要指标是冲击吸收功(impact absorbing energy)。

塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性好的金属材料制造承压设备，可以缓和局部应力的不良影响，不易产生脆性断裂。在容器结构不连续区，通常的局部应力呈现“自限制性”的特征，塑性良好的材料在承压后结构发生变形，而伴随着变形的结果使应力重新分布，变形协调了设备的应力水平。这就是为什么要采用塑性较好的材料的原因之一。

韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ak 值来表示。冲击功值除反映材料的抗冲击性能外，还能反映材料对缺陷的敏感性，而且冲击功对材料的脆性转化情况也很敏感，低温冲击试验能检验材料的冷脆性。

压力容器爆炸时的能量主要以冲击波、碎片和残余变形3 种形式表现［7］，材料的韧性越好，残余变形越大，爆炸时吸收的能量越多，爆炸后产生的冲击波就越弱，因此对周围的破坏就越小。压力容器爆炸后的碎片和残余变形消耗的能量占总爆破能量的 3% ～15%［8］。灰铸铁是脆性材料，爆炸后碎片和残余变形吸收的能量比例不计，但球墨铸铁的韧性要好很多，可以从伸长率和最小冲击功值看出其与容器用钢之间的定量关系。表3 给出了压力容器常用的碳钢Q245R、烘缸常用的灰铸铁HT250、球墨铸铁QT400-18R 的机械性能参数。

灰铸铁HT250，其机械性能引自国家标准GB/T 9439—2010 灰铸铁件［9］，表3 中冲击功没有列出，由于其呈现脆性材料的特性，冲击功值很低，不计其值。冲击功值为0 意味着容器爆炸时没有发生材料变形吸收能量的现象。

与灰铸铁和低碳钢相比较，球墨铸铁的塑性和韧性更接近于低碳钢。因此，应用于承压设备场合，球墨铸铁比灰铸铁具有更好的机械性能。而灰铸铁其实是很不适合用于承压设备制造的，只是因为其具有良好的铸造性能和纸张的剥离性能，长期以来，一直是造纸机械烘缸的主要用材。

为了弥补铸铁材料的缺点，通常采用的方法是增加安全系数，在国外规范中的处理方法也是如此。

2.2 相关球墨铸铁材料的性能及对比

对于球墨铸铁，国家标准GB/T 1348—2009 球墨铸铁件［10］中规定的机械性能见表4 所列，这里仅摘录了在《固容规》和《设计规定》中涉及到的2 种材料。

表4 中所列QT500-7 的冲击功在GB/T 1348—2009 中没有表述，但在附录D 中，对球墨铸铁材料韧性有专门的介绍。但就从伸长率指标和强度指标来判断，QT500 球墨铸铁的冲击功显然低于QT400。

从金相组织结构来看，QT400 主要基体组织是“铁素体”，而QT500 则是“铁素体+ 珠光体”。QT500-10 “基体组织以铁素体为主，珠光体含量不超过5%，渗碳体不超过1%”［10］。

表3 几种材料的机械性能参数

综合各方面的性能，QT400 与QT500 相比，除了强度稍差些以外，塑性和韧性都较好， 《固容规》给出的2 种QT400 材料，选用QT400-18R 作为造纸机械烘缸选材应该是合理的。

2.3 我国法规与美国ASME 以及欧盟标准的相关内容比较

表5 是《固容规》和美国ASME 锅炉及压力容器规范第VIII 卷 第一册 压力容器建造规则［11］(以下简称ASME 规范)中规定的几种材料的一些有关参数比较。

表5 《固容规》与ASME 规范中不同材料的设计参数

ASME 规范中，灰铸铁用于承压设备时，设计压力和设计温度都比较低，而球墨铸铁用于承压设备时，设计压力和设计温度则比较高。 《固容规》与ASME 规范相比，在设计条件和安全系数选取时，使用铸铁时比较保守，尤其是球墨铸铁。

ASME 规范在处理球墨铸铁时，显然更靠近低碳钢而不是靠近灰铸铁。应该说ASME 规范规定的球墨铸铁的安全系数比较合理。从表3 中各种材料的伸长率和冲击功数值的对比来理解，这样处理比较恰当。

工程上常把伸长率＜5%的材料称为脆性材料，伸长率＞5%的材料称为塑性材料，也有把伸长率为5% ～10%的材料称为韧性材料，而伸长率＞10%的材料称为塑性材料。因此球墨铸铁和低碳钢为塑性材料，而灰铸铁则是脆性材料。在ASME 规范中，UCD篇有一个注解，当可锻铸铁的伸长率＜15%时，要求按灰铸铁对待，按UCI 篇进行设计［11］。美国人把15%的伸长率作为一个判定界限，显然QT500 不满足这一要求，如果使用就要按照UCI 篇灰铸铁的要求进行对待。这是否可以解释《固容规》引入了QT400-18R 而没有引入QT500 的原因。

欧盟标准EN 13445-6:2009 非直接火焰加热压力容器——第6 部分:球墨铸铁构造压力容器和受压元件的设计和制造要求［12］提供了两类球墨铸铁，一种是铁素体球墨铸铁，其中EN-GJS-18RT 和EN-GJS-18LT 相当于我国的QT400-18R 和QT400-18L;另一种是奥氏体球墨铸铁，我国的法规尚未推荐。欧盟标准EN 13445 中球墨铸铁的安全系数是按屈服限给的，折合到抗拉强度Rm相当于4.8，这与ASME 规范相当，但EN 13445 还要考虑几个系数——温度系数、壁厚系数和试验系数，这样一来，会比ASME 规范保守一些。EN 13445 没有考虑灰铸铁的应用。

2.4 对我国行业标准的修改建议

通过对铸铁材料的机械性能的讨论，对比我国法规和标准，对照ASME 规范和EN 13445 在处理铸铁材料时的一些措施，可以清楚认识到，《固容规》在处理灰铸铁材料时，接近ASME 规范的方法，在处理球墨铸铁材料时，接近欧盟的方法。建议我国行业标准的修订目标应该按照这个思路进行，从而使我国的法规和标准体系更为相容。

3 结 语

铸铁材料作为承压设备通常都具有比较特殊的用途。铸铁材料铸造过程的不确定因素较多，而铸造缺陷的无损检测方法也不够精确。特别是对于大型铸件，铁水在浇铸流动过程中，热量会损失一部分，远离冒口的部位与冒口处材料的机械性能或多或少存在不一致。而对于造纸机械烘缸而言，尤其是宽幅的烘缸，浇铸时底部铁水的液体静压力和冒口处相差很大，这些因素都会影响铸件的质量，所以在选材方面需要十分慎重。

选择球墨铸铁QT400-18 作为造纸机械烘缸使用材料，有以下几个理由:

(1)球墨铸铁QT400-18 与QT500 相比，综合性能要好，强度虽然低一些，但韧性高许多，所以可以取代QT500 的应用场合。

(2)固定式压力容器安全技术监察规程(《固容规》)属于行政法规文件，在法规体系中的地位高于行业标准，当行业标准与行政法规有不一致的时候，应该服从于法规。

(3)《固容规》与行业标准比较，颁布的时间较晚，行业标准需要更改以适应其要求。

总而言之，球墨铸铁QT400-18 在用于造纸机械烘缸方面的综合性能优于QT500-7 和QT500-10，而轻工行业标准中给出的QT500 和QT600 应停止使用。如有必要，应该补充一些机械性能指标后，报请国家有关法规管理部门批准，增加到法规条文中。

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［2］ TSG R0004—2009，固定式压力容器安全技术监察规程［S］.

［3］ QB/T 2556—2008，造纸机械用铸铁烘缸设计规定［S］.

［4］ QB 2551—2008，造纸机械用铸铁烘缸技术条件［S］.

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［9］ GB/T 9439—2010，灰铸铁件［S］.

［10］ GB/T 1348—2009，球墨铸铁件［S］.

［11］ 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII Division 1 Rule for Construction of Pressure Vessel［S］.锅炉压力容器规范. 第VIII 卷 第一册:压力容器建造规则［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］.非直接火焰加热压力容器——第6 部分:球墨铸铁构造压力容器和受压元件的设计和制造要求［S］.