大型高鉻鑄鐵挖泥泵葉輪鑄造工藝研究

張建寶

（石家莊強大泵業(yè)集團有限責任公司，河北 石家莊 050035）

挖泥船的葉輪是水泵過流部分的核心部件，是鑄造生產(chǎn)的難點。鉻系白口鑄鐵目前是國內(nèi)外耐磨鑄鐵的主流[1]，疏浚泵葉輪的選用材質(zhì)為抗磨白口鑄鐵Cr26。它是一種典型的具有良好耐磨性的高鉻鑄鐵，但由于它脆性比較強，通常只用于生產(chǎn)形狀比較簡單、體積較小的鑄件。它的鑄造性能要比普通的灰鑄鐵、球墨鑄鐵差很多，尤其是用于生產(chǎn)復雜的大型鑄件，會造成組織內(nèi)部產(chǎn)生較多的鑄造應力而使鑄件易于形成缺陷甚至開裂。所以如何合理制定鑄造工藝，生產(chǎn)出質(zhì)量合格的大型高鉻材質(zhì)的葉輪是值得研究的問題。

1 產(chǎn)品簡介

本次生產(chǎn)的產(chǎn)品為天津航道局TK1200葉輪，是目前亞洲最大的挖泥泵葉輪，它的主要特點：毛坯重量12 t，葉輪外徑φ2710mm，葉片5枚，葉片厚度70mm，蓋板厚度63mm，流道寬度587 mm，軸頭外徑φ735mm，軸頭高度245mm，材質(zhì)Cr26，，其主要化學成分要求見表1。技術(shù)上要求葉片流道內(nèi)表面應光滑平整，不得有曲折、凹坑和拱起，不得有砂眼、裂紋、縮孔等鑄造缺陷，靜平衡質(zhì)量允差 4425 g，硬度要求 HRC48～55。

表1 Cr26的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2 鑄造工藝

2.1 工藝參數(shù)的確定

本葉輪屬于大型鑄件，采用木質(zhì)模型，手工樹脂砂造型。鑄造工藝設(shè)計時，首先考慮要保證尺寸精度，減少鑄件非加工面的尺寸誤差，避免將來運轉(zhuǎn)時的不平衡量太大。參考《鑄件尺寸公差和機械加工余量》（GB/T6414—1999）標準，并結(jié)合本公司實際生產(chǎn)經(jīng)驗：最大外圓加工量為15mm，分型面以上加工量為15mm，分型面以下加工量為10mm?？紤]到木質(zhì)模型的易變形性和分型面的不平整度，留分型負數(shù)4mm。由于白口鑄鐵的凝固特性介于灰鑄鐵和鑄鋼之間，所以冒口設(shè)計兼顧了二者的特點，根據(jù)冒口設(shè)計原理和以往的生產(chǎn)經(jīng)驗我們將鑄件的工藝出品率定在65%～70%，在上箱葉輪的蓋板上放置5個冒口，為了進一步加強補縮效果，5個冒口均采用保溫冒口圈，冒口圈內(nèi)口直徑350mm，高度650mm，在軸頭上設(shè)置三個腰形冒口高度為800mm，增強補縮效果。鑄件體積較大，如果單從一個蓋板上設(shè)置澆注系統(tǒng)會使鐵液因流經(jīng)的路程比較長，而導致鐵液溫度降低很多，容易造成澆不足等缺陷，而且由于鐵液在鑄型中溫度分布不夠均勻，凝固過程中容易造成應力集中，使鑄件易于開裂，所以開設(shè)兩個直澆道雙澆，并在上、下蓋板上各開設(shè)一層澆注系統(tǒng)，每一層開設(shè)6～8個內(nèi)澆口，均勻分布在整圈或者多半圈蓋板上。澆注系統(tǒng)的模型可以木制，要求涂料要涂刷到位，避免沖砂造成砂眼缺陷。我公司采用鋪設(shè)陶瓷澆道磚的辦法開設(shè)澆注系統(tǒng)，使鐵液流動更加順暢，同時減少夾砂缺陷的產(chǎn)生。兩側(cè)澆道用澆道磚聯(lián)通。另外，選用開放式澆注系統(tǒng)，流道截面積足夠大，從而避免澆注時間過長。各組元截面積的比例，大體可采用下面比例：

根據(jù)上述分析，綜合確定詳細的工藝參數(shù)，例如模型的拔模斜度1.5°，鑄造收縮率2%，砂箱尺寸4500×4500×800（mm），鑄造工藝圖見圖 1，由于此次生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量較大，工藝繁瑣，為避免不必要的損失，采用計算機數(shù)值模擬的方法對鑄件在澆注、凝固過程中可能產(chǎn)生的缺陷進行有效地預測[3]，在工藝制定完畢之后，生產(chǎn)之前，進行CAE模擬，以核實工藝的準確性，鑄件缺陷模擬見圖2。

圖1 簡明工藝圖

經(jīng)CAE模擬可見生產(chǎn)過程中的缺陷（縮孔、縮松）都集中在澆道及冒口處，鑄件內(nèi)在質(zhì)量良好。

2.2 熔煉與澆注

鐵液的澆注成分按表1控制，經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉后，需進行精煉處理。

圖2 CAE數(shù)值模擬圖

兩個10t澆包分別坐在水口上，總計18 t，保證同時澆注，澆注溫度1380℃～1400℃，另準備3 t搖包依次對冒口進行補澆。澆注后冒口表面覆蓋保溫發(fā)熱劑，覆蓋厚度50mm左右。

2.3 打箱與熱處理

葉輪在澆注3 h～5 h以后解除壓箱措施：如去除壓鐵、上下箱的焊接、松卡子。葉輪在澆注9 h～10h以后，將輪轂部位和蓋板部位的冒口周圍型砂松動，4 d×24 h后松動上箱，并松動葉輪流道內(nèi)型砂。保溫時間一般為12 d。鑄件降溫至250℃后打箱出活。

將鑄件簡單清理，去除澆注系統(tǒng)和飛邊等（冒口頸保留20mm～30mm），進行拋丸處理，隨后進行退火處理，退火完成后進一步清理鑄件，去除冒口殘根及其他多余部位。然后進行淬火與回火處理。

3 生產(chǎn)實踐

按上述工藝方案，兩件葉輪的鑄造生產(chǎn)均取得成功，經(jīng)檢測，葉輪的化學成分達到技術(shù)要求，見表2。葉輪粗加工完成后，未發(fā)現(xiàn)缺陷，超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部組織缺陷，達到了廠家的要求。

表2 葉輪化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

［1］宋量.鋼鐵耐磨鑄件的生產(chǎn)和標準［J］.鑄造技術(shù)，2010，6：776-779.

［2］鑄造手冊編寫組.鑄造手冊鑄造工藝分冊（第五卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994：205。

［3］陳玲，王鵬林，安莉珠，等.用有限元法對鑄件鑄造缺陷的預測［J］.鑄造，2007，3：284-286.