雙相鋼泵殼鑄造工藝研發

錢寅通，鄭 宇，王哲夫，王占濤

（中國中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

1 產品介紹

泵殼是水泵的主要部件，多選用雙相鋼制造，不同等級的水泵，其泵殼結構差異巨大，本文中以單吸泵泵殼為研究對象，設計鑄造工藝，目前泵殼的主流鑄造工藝工藝出品率不足50%，雖有著不錯的良品率，但過低的出品率嚴重拉高了制造成本，進而使產品的競爭力受損，新的鑄造工藝旨在提高工藝出品率，幫助客戶獲得成本、利潤優勢。

2 產品工藝分析

2.1 缺陷分析

單吸泵泵殼屬箱體類鑄件，其結構如圖1 所示，缺陷主要分為兩大類，分別為內部收縮缺陷與夾雜缺陷。

圖1 單吸泵泵殼屬箱體類鑄件結構

首先分析內部收縮缺陷。本文的研究對象主要壁厚20mm，以筆者的經驗，30mm 以下的鑄鋼結構可以實現自補縮，因此主要壁厚區域不需考量內部質量問題；在泵殼的中心，自下而上依次疊加了入口法蘭、密封環、連接法蘭三個環形結構，三個區域之間為泵殼主要壁厚所分割，無法實現相互補縮，形成一個復合型的熱結，以上三個區域與入口法蘭、地腳支架成為泵殼出現內部質量問題的集中位置。水泵的應用場景決定了泵殼鑄件需要經過嚴格的密封性試驗，而這些位置的缺陷往往會導致密封性試驗失效，在實際生產中這構成了泵殼報廢的主要原因。

夾雜是構成鑄件報廢的另一主要原因。泵殼夾雜物主要為硅酸鹽類夾雜物，此類夾雜物尺寸比較大，外型不規則，主要是生產過程中耐火材料、結晶器卷渣、爐渣等進入鋼液造成的[1]。

2.2 澆注系統的設計

雙相鋼具有鑄鋼共有特點：熔點高、流動性差、收縮大、易氧化、有夾雜物[2]，總體來說屬于鑄造工藝性較差的材質，對澆注系統的設計有如下要求：

（1）宜采用低溫快澆的工藝方法。一方面較低的澆注溫度可以降低鑄件整體的收縮，對鑄件內部質量、裂紋傾向、縮尺控制都有助益；另一方面，較快的澆注速度可以有效的減少鋼水的溫度損失，減少接火、夾雜問題出現的概率。

（2）澆注系統的設計應當采取開放式。根據筆者的經驗，鑄鋼產品不宜采取封閉式澆注系統，封閉式澆注系統配合漏包，過大的充型壓力會加大阻流截面芯部流速，但阻流截面型腔表面的流速反而降低，極易導致靠近阻流截面型腔表面的鋼水逐層凝固，最終堵塞澆注系統，因此對于鑄鋼件，尤其是雙相鋼這類流動性較差的材質，應當選用開放式澆注系統。

（3）分散進水。泵殼結構復雜，尺寸跨度較大，集中進水容易導致內水口區域過熱，裂紋傾向增大，而遠端溫度損失過快，結火可能性升高，故宜分散進水。

3 工藝工裝設計

3.1 澆注系統設計

圖2 為目前主流的泵殼鑄造工藝，水系統經由分別位于地腳支架與出口法蘭的冒口，在分型面高度注入，該澆注系統存在如下缺陷：

圖2 原有澆注系統圖

（1）內水口落差過大。鋼水由分型面跌落、飛濺，對型腔沖刷較為嚴重，易產生砂眼、結火、夾雜等問題。

（2）進水過于集中。僅有兩處點狀內水口，容易過熱，增大裂紋風險。

（3）鋼水在鑄件中端合流。鋼水長途流動后在底層合流，極易產生結火、卷氣問題，尤其該位置還設有冷鐵。

重新設計澆注系統如下：

（1）開放式澆注系統，直水口采用陶管底返，利用橫水口為鋼水減速，內水口設置在連接法蘭內側，采取寬扁形式均衡溫度，如圖3 所示。

圖3 新澆注系統

（2）鑄件的最大輪廓尺寸：600mm×400mm×300mm，澆注鋼水量390kg，鑄件壁厚60mm。

（3）直澆道的有效高度H=100mm+300mm=380mm。

（4）澆注時間t=（4001/2+4001/3）s≈27.4s，澆注時間取28s。

（5）選擇澆注系統截面比A1∶A2∶A3=1∶1.1∶1.2。

（6）計算k1、k2

取v1=0.65，v2=0.65，v3=0.60。

v1為直澆道流速；v2為橫澆道流速；v3為內澆道流速。

k1為直澆道與橫澆道壓力比；k2為橫澆道與內澆道壓力比。

（7）計算平局壓頭hp

（8）計算內澆道截面積

（9）計算直澆道橫澆道截面積

由于澆注系統直澆道面積：橫澆道面積：內澆道面積為1∶1.1∶1.2，所以橫澆道面積為21.39cm2，直澆道面積為19.6cm2[3]，內澆道取10mm×60mm（4道）；橫澆道取?200mm×10mm，直澆道取?50mm陶管。

3.2 模擬分析

將未添加冒口系統的鑄件導入MAGMA 中，分別采用連接法蘭在頂部和底部的澆注姿態進行模擬，起始溫度為1580℃，調取缺陷預測結果，如圖4、5 所示。

圖4 連接法蘭朝上

連接法蘭朝上是現在主流的工藝方法，在這個姿態下，連接法蘭可以通過冒口進行補縮，在圖4 所示的出口交接區域，需要增加補貼以保證補縮效果；密封環區域由于其尷尬的尺寸，導致既無法實現自補縮，也無法對下方的入口法蘭進行有效的補縮，需要在毛坯面上設置大量的補貼然后在其上安放冒口，配合入口法蘭上的冷鐵，才能有效解決密封環與入口法蘭的缺陷問題；出口法蘭與地腳支架的問題可以通過側冒口加以解決，最終的工藝方案如圖2 所示。

反觀連接法蘭朝下的方案，入口法蘭尺寸相對較大，可以充分補縮密封環區域；難點在于密封環區域無法補縮出口交接區域，導致出現了一處如圖5 所示的，聯通了密封環與連接法蘭的缺陷帶，且該缺陷帶緊鄰水利區，難以施加補縮手段，這一難題即為主流工藝產生的根源。

圖5 連接法蘭朝下

現有工藝方案下，缺陷分布較廣，需要大量的補貼與冒口施加補縮；連接法蘭朝下的方案缺陷集中，但補縮難度較大；要提高工藝出品率就必須采取新方案，設法解決圖5 中的缺陷帶。

3.3 補縮方案設計

（1）地腳支架與出口法蘭的缺陷靠近加工面，且加工面為規則的平面，通過設置側冒口進行補縮，可以有效的解決缺陷問題，在此不多做贅述。

（2）入口法蘭位于頂部，可以施加冒口補充收縮鋼水，亦質量無憂。

（3）密封環區域除臨近出口連接部無缺陷，通過對結構的分析，初步判斷可以通過控制連接部位的模數，使該區域模數接近主要壁厚模數，達到模數平衡狀態，實現自補縮。

（4）對于連接法蘭，連接部位則帶來了一定的好處，缺陷被集中于此處，反而有利于補縮，在該位置設置一個側冒口，保證冒口有足夠的壓頭即可實現補縮目的。

最終的方案如圖6 所示，地腳支架與出口法蘭分別設置側冒口；入口法蘭頂部設置兩個補縮冒口；連接法蘭設置一個側冒口；連接部位兩側使用鉻鐵礦砂平衡模數。

圖6 最終方案

最終方案的模擬結果如圖7 所示，可見關鍵區域內已無缺陷預判，方案具備驗證條件。

圖7 最終方案模擬結果

4 驗證生產

按照新工藝投產，首件鑄件經目視檢查，表面無砂眼、夾雜、結火等缺陷；經加工驗證，未發現外露缺陷；經過1.5MPa,30min 的密封性試驗，未發現滲漏現象，壓力值穩定未下降。后續生產170件，未發生廢品，證明新工藝穩定可靠。

5 總結

單級泵泵殼工藝開發取得如下成果：

（1）工藝出品率大幅提高。原工藝的工藝出品率為47%，而新工藝則達到了68%，意味著單件物料成本降低44%。

（2）打磨及加工工時大幅下降。由于大量取消補貼，且冒口均選擇在加工面設置，冒口經過氣刨切割后殘余極小，使得清理打磨工作量下降約60%，加工工時減少3h。

（3）證明了仿真技術在泵類鑄件領域的應用前景。以往鑄造工藝設計往往依靠工藝技術人員的經驗，預測鑄件缺陷位置，設計水冒口及冷鐵，而這種經驗往往需要數年甚至數十年的積累，而且準確性有限。依靠模擬技術，現在技術人員可以直觀的觀察鑄件充型及凝固過程，準確的預測卷氣、夾渣、縮松、冷隔等缺陷，并預先采取措施加以避免，例如本文中通過鉻鐵礦砂平衡模數的設計，如果依靠試錯法就很難找到臨界點，也就無法達成消除缺陷的目的。

（4）機械化制芯手段。公司以往缸蓋使用手工制芯，造型材料包括合脂砂及寶珠砂，合脂砂每天生產14 件缸蓋需2 套模具4 名工人，寶珠砂則需要4 套模具8 名工人，同時由于人工操作的隨意性及誤差，砂芯精度較低，氣孔、粘砂、斷芯缺陷時有發生，在機械化制芯條件下完成同樣產量只需2 名工人，同時砂芯質量穩定。

以上成果有效的降低了生產成本，摸索出了可持續發展的技術路線，極大的增強了公司在泵類鑄件領域的競爭力。