石家莊強(qiáng)大泵業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 (河北 050035) 馮曉冉
隨著國(guó)家對(duì)海洋、湖泊開(kāi)發(fā)力度的加大,疏浚產(chǎn)品市場(chǎng)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(wù),客戶對(duì)葉輪質(zhì)量要求很高,鑄件材質(zhì)采用高鉻白口鑄鐵,鑄件外觀必須平整,流道光潔且表面沒(méi)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(jié)構(gòu)較特殊,軸頭和蓋板壁厚懸殊,鑄造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力,在要求材質(zhì)為高鉻白口鑄鐵的情況下存在較大的開(kāi)裂傾向。
化學(xué)成分的設(shè)計(jì)思路:在保證葉輪鑄件硬度、抗磨性等力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,盡可能降低有害元素含量,減小材質(zhì)對(duì)鑄件開(kāi)裂的影響。
葉輪鑄件化學(xué)成分選擇見(jiàn)下表。
葉輪控制化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
鑄造工藝設(shè)計(jì)的主要思路:葉輪毛坯重量11t,按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和正常的大型葉輪鑄造工藝出品率,澆注重量應(yīng)在17t左右,應(yīng)保證在鑄件澆注時(shí)快速充型。同時(shí)考慮到蓋板和軸頭壁厚懸殊,應(yīng)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(yīng)力,避免可能產(chǎn)生的鑄件開(kāi)裂問(wèn)題。
(1)造型方法 采用25t移動(dòng)連續(xù)混砂機(jī),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(shè)計(jì) 葉輪共有5枚主葉片,主要熱節(jié)和補(bǔ)縮部位在蓋板與葉片相交處及軸頭部位,同時(shí)根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇在軸頭上放置兩個(gè)冒口,蓋板上5個(gè)冒口的工藝方案。經(jīng)計(jì)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(shí)既要快速充型,又要考慮到濾渣,因此選擇半封閉半開(kāi)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(kāi)設(shè)上下兩層橫澆道,并通過(guò)直澆道連通,每層橫澆道有6道內(nèi)澆道??紤]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(shè)。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(shí)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(kāi)裂工藝措施 因軸頭和蓋板壁厚懸殊,防止軸頭和蓋板過(guò)渡部位產(chǎn)生裂紋是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵??紤]到澆注后軸頭部位熱節(jié)較大處溫度會(huì)較高,對(duì)2#芯采用鉻鐵礦砂制芯,可起到很好的激冷作用。同時(shí)在軸頭和蓋板過(guò)渡部位開(kāi)設(shè)拉筋(6道均布,壁厚20mm,見(jiàn)圖1),從結(jié)構(gòu)上減小和抵制一定的內(nèi)應(yīng)力。另外,造型過(guò)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(guò)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(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)軸頭冒口周圍的砂子,3天后松動(dòng)上箱,15天后(一般溫度降至250℃以下)鑄件出箱,打箱過(guò)程中不允許對(duì)鑄件有嚴(yán)重磕碰。
鑄件清理披縫、飛翅等后噴丸,然后進(jìn)行退火處理。退火完成后進(jìn)一步清理鑄件,去除澆冒口等再進(jìn)行淬火與回火處理。
(7)其他工藝參數(shù)及操作要點(diǎn) 堿酚醛樹脂砂造型,模樣采用玻璃鋼材質(zhì),起模斜度1.5°,鑄造收縮率2%。
操作要點(diǎn):①造型時(shí)使用的新砂比例要占35%~40%,制芯時(shí)芯鐵要纏足量草繩,保證砂芯的退讓性,在砂芯中間開(kāi)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(yīng)嚴(yán)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(zhì)量和厚度。④澆注完后過(guò)5~10min對(duì)軸頭冒口進(jìn)行補(bǔ)澆,加入發(fā)熱覆蓋劑。⑤合箱地點(diǎn)與下箱之間應(yīng)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(shí)5個(gè)葉片間隙應(yīng)調(diào)整均勻。
實(shí)體鑄件見(jiàn)圖2,鑄造工藝如圖3所示。
圖 2
圖3 鑄造工藝
工藝設(shè)計(jì)完成后,我們最擔(dān)心的還是葉輪鑄件應(yīng)力問(wèn)題。因CAE軟件沒(méi)有對(duì)鑄件的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算、分析并預(yù)測(cè)的功能,現(xiàn)在從鑄造CAE軟件計(jì)算溫度場(chǎng)的角度對(duì)鑄件應(yīng)力進(jìn)行人工輔助分析,如圖4、圖5所示。
圖4 剛澆注完畢時(shí)葉輪溫度場(chǎng)分布
圖5 冷卻至低溫時(shí)葉輪溫度場(chǎng)分布
從圖4a、圖4b可以看出,軸頭根部高溫區(qū)溫度為1364℃,驅(qū)動(dòng)側(cè)蓋板低溫區(qū)溫度為1345℃(蓋板邊緣1280℃左右,對(duì)軸頭根部位置無(wú)實(shí)質(zhì)影響),兩者溫差為20℃左右;圖5是冷卻至300℃左右的溫度場(chǎng),中心部位和中間偏外的部位也僅相差20℃。根據(jù)以往對(duì)我公司常規(guī)結(jié)構(gòu)葉輪的計(jì)算結(jié)果,此兩者溫差為70~80℃。溫差小于常規(guī)是因?yàn)樘崆安扇×擞欣跍囟确植季鶆虻墓に嚧胧?,最大限度地減少了由于溫度差過(guò)大產(chǎn)生的熱應(yīng)力的傾向。
按照既定的工藝實(shí)施首批生產(chǎn)兩件,鑄件打箱清理后發(fā)現(xiàn)外觀良好,無(wú)裂紋,冒口無(wú)縮孔、縮松,尺寸測(cè)量也合格,經(jīng)磁粉無(wú)損檢測(cè),鑄件內(nèi)部組織致密無(wú)缺陷。熱處理后取多點(diǎn)測(cè)硬度均在50HRC以上,用戶檢驗(yàn)后對(duì)鑄件質(zhì)量比較滿意。此后我公司生產(chǎn)此類鑄件十幾件,質(zhì)量一直比較穩(wěn)定,產(chǎn)品得到了用戶和市場(chǎng)的認(rèn)可。
本文根據(jù)此種挖泥漿泵葉輪結(jié)構(gòu)上壁厚懸殊的特點(diǎn),詳細(xì)分析了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,通過(guò)合理選擇材質(zhì)成分和開(kāi)設(shè)拉筋等措施,使鑄件應(yīng)力得到了很好的控制,成功生產(chǎn)出了質(zhì)量合格的葉輪鑄件,積累了諸多有益的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),為我公司拓展疏浚產(chǎn)品市場(chǎng)提供了有力的技術(shù)保障。