结构特殊的大型挖泥泵叶轮铸造工艺设计及模拟

石家庄强大泵业集团有限责任公司 （河北 050035） 冯晓冉

随着国家对海洋、湖泊开发力度的加大，疏浚产品市场日益火热，近期我公司承接了某公司的一批挖泥泵叶轮的生产任务，客户对叶轮质量要求很高，铸件材质采用高铬白口铸铁，铸件外观必须平整，流道光洁且表面没有影响使用的夹渣、冷隔、气孔、缩松及裂纹等铸造缺陷，硬度大于50HRC。

该批叶轮直径2500mm，5枚主叶片，叶片厚度60mm，盖板主要厚度45mm，轴头部位厚度为250mm，流道高度410mm。此叶轮结构较特殊，轴头和盖板壁厚悬殊，铸造过程会产生很大的应力，在要求材质为高铬白口铸铁的情况下存在较大的开裂倾向。

1.化学成分的选择

化学成分的设计思路：在保证叶轮铸件硬度、抗磨性等力学性能的基础上，尽可能降低有害元素含量，减小材质对铸件开裂的影响。

叶轮铸件化学成分选择见下表。

叶轮控制化学成分（质量分数） （%）

2.铸造工艺分析及设计

铸造工艺设计的主要思路：叶轮毛坯重量11t，按照生产经验和正常的大型叶轮铸造工艺出品率，浇注重量应在17t左右，应保证在铸件浇注时快速充型。同时考虑到盖板和轴头壁厚悬殊，应采取措施尽量使温度梯度分布均匀，最大程度地降低铸件内应力，避免可能产生的铸件开裂问题。

（1）造型方法 采用25t移动连续混砂机，碱酚醛树脂砂造型，由于叶片扭曲度较大，故采用组芯的工艺方案。

（2）分型面的选择 根据叶轮形状，采取从流道中间分型的方法。

（3）浇冒口的设计 叶轮共有5枚主叶片，主要热节和补缩部位在盖板与叶片相交处及轴头部位，同时根据叶轮的结构特点，选择在轴头上放置两个冒口，盖板上5个冒口的工艺方案。经计算，盖板和叶片热节圆直径为75mm，根据比例法确定盖板冒口颈为φ90mm，冒口φ300 mm，高度600mm，轴头端采用腰圆形冒口。

铸件浇注重量较大，使用的漏包包孔直径确定为70mm。浇注时既要快速充型，又要考虑到滤渣，因此选择半封闭半开放式浇注系统，各截面面积比为F包孔:F直:F横:F内＝1:1.5～2:1～1.5:2～4，开设上下两层横浇道，并通过直浇道连通，每层横浇道有6道内浇道。考虑到铸件直径较大和耐火度的要求，所有浇道均采用陶瓷浇道砖铺设。根据浇道砖的规格，确定直浇道φ90mm，横浇道φ70mm，内浇道为15mm×80mm扁嘴砖。最终确定F阻＝F包孔＝F横＝3846mm2，F直＝6358mm2，F内＝14400mm2。实际各截面面积比为F包孔:F直:F横:F内＝1:1.65:1:3.7。

（4）防开裂工艺措施 因轴头和盖板壁厚悬殊，防止轴头和盖板过渡部位产生裂纹是工艺设计的关键。考虑到浇注后轴头部位热节较大处温度会较高，对2#芯采用铬铁矿砂制芯，可起到很好的激冷作用。同时在轴头和盖板过渡部位开设拉筋（6道均布，壁厚20mm，见图1），从结构上减小和抵制一定的内应力。另外，造型过程中在轴头根部放置若干外冷铁。

（5）浇注温度和浇注速度 浇注温度的选择非常重要，既要防止因温度过高引起的包砂，又不能使温度低产生冷隔。根据高铬铸铁的特性，结合铸件结构和现场浇注条件确定浇注温度为1380～1420℃。浇注速度为用2min左右浇注完毕。

图1 拉筋示意

（6）打箱及热处理 叶轮浇注3h后去除压重，24h后松动轴头冒口周围的砂子，3天后松动上箱，15天后（一般温度降至250℃以下）铸件出箱，打箱过程中不允许对铸件有严重磕碰。

铸件清理披缝、飞翅等后喷丸，然后进行退火处理。退火完成后进一步清理铸件，去除浇冒口等再进行淬火与回火处理。

（7）其他工艺参数及操作要点 碱酚醛树脂砂造型，模样采用玻璃钢材质，起模斜度1.5°，铸造收缩率2%。

操作要点：①造型时使用的新砂比例要占35%～40%，制芯时芯铁要缠足量草绳，保证砂芯的退让性，在砂芯中间开排气孔。②冒口颈周围使用精制硅砂舂紧。③铸件的工作面包括浇道、冒口座处涂料涂刷应严密均匀，厚度2mm，尤其是叶片根部的圆弧部位要保证涂刷的质量和厚度。④浇注完后过5～10min对轴头冒口进行补浇，加入发热覆盖剂。⑤合箱地点与下箱之间应有草绳若干，以便于气体的排出，所有引气草绳引至箱外。⑥组芯时5个叶片间隙应调整均匀。

实体铸件见图2，铸造工艺如图3所示。

图 2

图3 铸造工艺

3.CAE温度场模拟

工艺设计完成后，我们最担心的还是叶轮铸件应力问题。因CAE软件没有对铸件的应力进行计算、分析并预测的功能，现在从铸造CAE软件计算温度场的角度对铸件应力进行人工辅助分析，如图4、图5所示。

图4 刚浇注完毕时叶轮温度场分布

图5 冷却至低温时叶轮温度场分布

从图4a、图4b可以看出，轴头根部高温区温度为1364℃，驱动侧盖板低温区温度为1345℃（盖板边缘1280℃左右，对轴头根部位置无实质影响），两者温差为20℃左右；图5是冷却至300℃左右的温度场，中心部位和中间偏外的部位也仅相差20℃。根据以往对我公司常规结构叶轮的计算结果，此两者温差为70～80℃。温差小于常规是因为提前采取了有利于温度分布均匀的工艺措施，最大限度地减少了由于温度差过大产生的热应力的倾向。

4.生产验证

按照既定的工艺实施首批生产两件，铸件打箱清理后发现外观良好，无裂纹，冒口无缩孔、缩松，尺寸测量也合格，经磁粉无损检测，铸件内部组织致密无缺陷。热处理后取多点测硬度均在50HRC以上，用户检验后对铸件质量比较满意。此后我公司生产此类铸件十几件，质量一直比较稳定，产品得到了用户和市场的认可。

5.结语

本文根据此种挖泥浆泵叶轮结构上壁厚悬殊的特点，详细分析了生产中可能出现的问题，通过合理选择材质成分和开设拉筋等措施，使铸件应力得到了很好的控制，成功生产出了质量合格的叶轮铸件，积累了诸多有益的生产经验，为我公司拓展疏浚产品市场提供了有力的技术保障。