結構特殊的大型挖泥泵葉輪鑄造工藝設計及模擬

石家莊強大泵業(yè)集團有限責任公司 （河北 050035） 馮曉冉

隨著國家對海洋、湖泊開發(fā)力度的加大，疏浚產(chǎn)品市場日益火熱，近期我公司承接了某公司的一批挖泥泵葉輪的生產(chǎn)任務，客戶對葉輪質量要求很高，鑄件材質采用高鉻白口鑄鐵，鑄件外觀必須平整，流道光潔且表面沒有影響使用的夾渣、冷隔、氣孔、縮松及裂紋等鑄造缺陷，硬度大于50HRC。

該批葉輪直徑2500mm，5枚主葉片，葉片厚度60mm，蓋板主要厚度45mm，軸頭部位厚度為250mm，流道高度410mm。此葉輪結構較特殊，軸頭和蓋板壁厚懸殊，鑄造過程會產(chǎn)生很大的應力，在要求材質為高鉻白口鑄鐵的情況下存在較大的開裂傾向。

1.化學成分的選擇

化學成分的設計思路：在保證葉輪鑄件硬度、抗磨性等力學性能的基礎上，盡可能降低有害元素含量，減小材質對鑄件開裂的影響。

葉輪鑄件化學成分選擇見下表。

葉輪控制化學成分（質量分數(shù)） （%）

2.鑄造工藝分析及設計

鑄造工藝設計的主要思路：葉輪毛坯重量11t，按照生產(chǎn)經(jīng)驗和正常的大型葉輪鑄造工藝出品率，澆注重量應在17t左右，應保證在鑄件澆注時快速充型。同時考慮到蓋板和軸頭壁厚懸殊，應采取措施盡量使溫度梯度分布均勻，最大程度地降低鑄件內(nèi)應力，避免可能產(chǎn)生的鑄件開裂問題。

（1）造型方法 采用25t移動連續(xù)混砂機，堿酚醛樹脂砂造型，由于葉片扭曲度較大，故采用組芯的工藝方案。

（2）分型面的選擇 根據(jù)葉輪形狀，采取從流道中間分型的方法。

（3）澆冒口的設計 葉輪共有5枚主葉片，主要熱節(jié)和補縮部位在蓋板與葉片相交處及軸頭部位，同時根據(jù)葉輪的結構特點，選擇在軸頭上放置兩個冒口，蓋板上5個冒口的工藝方案。經(jīng)計算，蓋板和葉片熱節(jié)圓直徑為75mm，根據(jù)比例法確定蓋板冒口頸為φ90mm，冒口φ300 mm，高度600mm，軸頭端采用腰圓形冒口。

鑄件澆注重量較大，使用的漏包包孔直徑確定為70mm。澆注時既要快速充型，又要考慮到濾渣，因此選擇半封閉半開放式澆注系統(tǒng)，各截面面積比為F包孔:F直:F橫:F內(nèi)＝1:1.5～2:1～1.5:2～4，開設上下兩層橫澆道，并通過直澆道連通，每層橫澆道有6道內(nèi)澆道。考慮到鑄件直徑較大和耐火度的要求，所有澆道均采用陶瓷澆道磚鋪設。根據(jù)澆道磚的規(guī)格，確定直澆道φ90mm，橫澆道φ70mm，內(nèi)澆道為15mm×80mm扁嘴磚。最終確定F阻＝F包孔＝F橫＝3846mm2，F(xiàn)直＝6358mm2，F(xiàn)內(nèi)＝14400mm2。實際各截面面積比為F包孔:F直:F橫:F內(nèi)＝1:1.65:1:3.7。

（4）防開裂工藝措施 因軸頭和蓋板壁厚懸殊，防止軸頭和蓋板過渡部位產(chǎn)生裂紋是工藝設計的關鍵。考慮到澆注后軸頭部位熱節(jié)較大處溫度會較高，對2#芯采用鉻鐵礦砂制芯，可起到很好的激冷作用。同時在軸頭和蓋板過渡部位開設拉筋（6道均布，壁厚20mm，見圖1），從結構上減小和抵制一定的內(nèi)應力。另外，造型過程中在軸頭根部放置若干外冷鐵。

（5）澆注溫度和澆注速度 澆注溫度的選擇非常重要，既要防止因溫度過高引起的包砂，又不能使溫度低產(chǎn)生冷隔。根據(jù)高鉻鑄鐵的特性，結合鑄件結構和現(xiàn)場澆注條件確定澆注溫度為1380～1420℃。澆注速度為用2min左右澆注完畢。

圖1 拉筋示意

（6）打箱及熱處理 葉輪澆注3h后去除壓重，24h后松動軸頭冒口周圍的砂子，3天后松動上箱，15天后（一般溫度降至250℃以下）鑄件出箱，打箱過程中不允許對鑄件有嚴重磕碰。

鑄件清理披縫、飛翅等后噴丸，然后進行退火處理。退火完成后進一步清理鑄件，去除澆冒口等再進行淬火與回火處理。

（7）其他工藝參數(shù)及操作要點 堿酚醛樹脂砂造型，模樣采用玻璃鋼材質，起模斜度1.5°，鑄造收縮率2%。

操作要點：①造型時使用的新砂比例要占35%～40%，制芯時芯鐵要纏足量草繩，保證砂芯的退讓性，在砂芯中間開排氣孔。②冒口頸周圍使用精制硅砂舂緊。③鑄件的工作面包括澆道、冒口座處涂料涂刷應嚴密均勻，厚度2mm，尤其是葉片根部的圓弧部位要保證涂刷的質量和厚度。④澆注完后過5～10min對軸頭冒口進行補澆，加入發(fā)熱覆蓋劑。⑤合箱地點與下箱之間應有草繩若干，以便于氣體的排出，所有引氣草繩引至箱外。⑥組芯時5個葉片間隙應調整均勻。

實體鑄件見圖2，鑄造工藝如圖3所示。

圖 2

圖3 鑄造工藝

3.CAE溫度場模擬

工藝設計完成后，我們最擔心的還是葉輪鑄件應力問題。因CAE軟件沒有對鑄件的應力進行計算、分析并預測的功能，現(xiàn)在從鑄造CAE軟件計算溫度場的角度對鑄件應力進行人工輔助分析，如圖4、圖5所示。

圖4 剛澆注完畢時葉輪溫度場分布

圖5 冷卻至低溫時葉輪溫度場分布

從圖4a、圖4b可以看出，軸頭根部高溫區(qū)溫度為1364℃，驅動側蓋板低溫區(qū)溫度為1345℃（蓋板邊緣1280℃左右，對軸頭根部位置無實質影響），兩者溫差為20℃左右；圖5是冷卻至300℃左右的溫度場，中心部位和中間偏外的部位也僅相差20℃。根據(jù)以往對我公司常規(guī)結構葉輪的計算結果，此兩者溫差為70～80℃。溫差小于常規(guī)是因為提前采取了有利于溫度分布均勻的工藝措施，最大限度地減少了由于溫度差過大產(chǎn)生的熱應力的傾向。

4.生產(chǎn)驗證

按照既定的工藝實施首批生產(chǎn)兩件，鑄件打箱清理后發(fā)現(xiàn)外觀良好，無裂紋，冒口無縮孔、縮松，尺寸測量也合格，經(jīng)磁粉無損檢測，鑄件內(nèi)部組織致密無缺陷。熱處理后取多點測硬度均在50HRC以上，用戶檢驗后對鑄件質量比較滿意。此后我公司生產(chǎn)此類鑄件十幾件，質量一直比較穩(wěn)定，產(chǎn)品得到了用戶和市場的認可。

5.結語

本文根據(jù)此種挖泥漿泵葉輪結構上壁厚懸殊的特點，詳細分析了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，通過合理選擇材質成分和開設拉筋等措施，使鑄件應力得到了很好的控制，成功生產(chǎn)出了質量合格的葉輪鑄件，積累了諸多有益的生產(chǎn)經(jīng)驗，為我公司拓展疏浚產(chǎn)品市場提供了有力的技術保障。