脫硫泵蝸殼V 法鑄造生產(chǎn)

（石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100）

脫硫泵主要用于電廠煙氣脫硫，蝸殼是脫硫泵的承壓核心零件，蝸殼零件材料為耐蝕鑄鐵，重量840 kg，壁厚28 mm，硬度HRC50～55，水壓試驗要求，0.8 MPa測試水壓下持續(xù)10 min 不冒汗、不滲漏為合格品。

1 蝸殼復(fù)合鑄造整體設(shè)計

脫硫泵蝸殼采用V 法、樹脂砂及消失模復(fù)合鑄造技術(shù)。其整體設(shè)計理念為：以V 法鑄造為主體，蝸殼造型合箱，澆注成形是在V 法鑄造模式負壓狀態(tài)下進行；蝸殼內(nèi)腔砂芯采用樹脂砂制作；蝸殼出口法蘭、底腳孔采用EPS 聚苯乙稀實型鑄造，預(yù)留型腔內(nèi)不再去除，在澆注過程中與鐵水進行置換，從而使得連接孔直接鑄出，省去了鉆孔工序。

蝸殼鑄造工藝設(shè)計以順序凝固為原則，采用發(fā)熱冒口與冷鐵相結(jié)合的工藝來保證零件組織致密性，滿足零件的設(shè)計要求。鑄造工藝如圖1 所示。

1.1 工藝參數(shù)選取

圖1 蝸殼鑄造工藝

蝸殼鑄件工藝參數(shù)設(shè)計包括：加工余量4 mm；收縮率軸向1%，徑向2%，出水法蘭中到軸向垂直中1.3%，水路不留收縮，出水口尺寸整體2%；在出口法蘭背面，底腳背面預(yù)留2 mm 工藝補正量；蝸殼模型為ZL104 數(shù)控加工而成，拔模斜度0.5°～1°；蝸殼蝸室內(nèi)設(shè)置四道拉肋，以保證其尺寸精度，工藝出品率70%～76%.

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)采用陶瓷澆道，在橫澆道位置設(shè)置陶瓷過濾片，蜂窩狀過濾片可對鐵水中的夾雜物進行有效地吸附，對紊亂鐵水進行整流過濾，從而起到凈化鐵水，平穩(wěn)充型的目的。夾雜物的吸附同時也填充了過濾片的空穴，對鐵水阻流效果明顯，為此，橫澆道截面積放大1.5～2 倍，以滿足鐵水充型需求。

1.3 冒口設(shè)計

冒口采用山東圣泉生產(chǎn)的發(fā)熱冒口，鐵水進入冒口后與發(fā)熱劑Al3O2發(fā)生2 300 ℃化學(xué)放熱反應(yīng)，釋放的大量熱能對冒口中的鐵水進行二次升溫加熱，從而延長了冒口的凝固時間，較砂型冒口提高了20%的補縮效率。蝸殼吊耳、底腳與蝸殼主體相交，形成結(jié)構(gòu)熱節(jié)，在分型面處設(shè)置邊側(cè)冒口進行補縮。高溫鐵水經(jīng)由澆注系統(tǒng)的過濾凈化進入法蘭后兩處冒口進行充型與補縮，同時在蝸殼鑄件頂部設(shè)置四個明頂冒口，對蝸殼整體形成高效補縮。

1.4 冷鐵、預(yù)埋件設(shè)計

蝸殼材質(zhì)為耐蝕鑄鐵，其熱導(dǎo)率差，對結(jié)構(gòu)熱節(jié)縮松敏感，故在蝸殼底腳、隔舌處設(shè)置外冷鐵以消除縮松影響，冷鐵厚度為熱節(jié)圓0.8～1 倍，冷鐵過厚，激冷效果過強，在鑄件表面易產(chǎn)生微裂紋；反之，易對冷鐵形成粘連。蝸殼零件熱處理硬度HRC50～55，在螺紋扣處設(shè)置預(yù)埋件，預(yù)埋件使用45#鋼加工而成，造型前進行除油、除銹處理，以防止氣孔的產(chǎn)生。預(yù)埋件的使用可以保證蝸殼零件螺紋扣的尺寸要求。

1.5 排氣孔設(shè)計

蝸殼鑄件的澆注成形是在抽負壓狀態(tài)下進行的，鐵水充型與重力鑄造層狀平面上浮有所不同，鐵水是沿型壁凹面上升，即所謂的附壁效應(yīng)[1]。鐵水在負壓狀態(tài)下附壁效應(yīng)現(xiàn)象的存在，使得工藝措施的排氣設(shè)計尤為重要，在蝸殼制高點9 處位置，使用φ20 紙制排氣管進行順暢排氣，同時，所有冒口采用明頂形式，也加強了澆注過程的排氣效果，避免了裹氣、氣孔缺陷的產(chǎn)生。

1.6 EPS 法蘭、底腳設(shè)計

蝸殼出口法蘭、底腳做成消失模模具，通過發(fā)泡成形，與蝸殼V 法本體模具進行鑲嵌定位組合，如圖2 所示，在造型工序不再取模，進行實型鑄造，EPS 法蘭、底腳在澆注過程被鐵水氣化、置換，從而將法蘭U 形豁口、底腳橢圓孔直接鑄出，無需鉆孔，且滿足裝配要求。

圖2 消失模（EPS）法蘭底腳

2 鑄造工藝模擬優(yōu)化

蝸殼鑄造工藝設(shè)計完成后，利用CASTSoft 鑄造工藝模擬軟件對葉輪鑄造工藝方案進行計算機模擬[2]。前期通過鑄件、冒口、冷鐵STL 格式模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格剖分，材料熱物性參數(shù)的確定，邊界參數(shù)換熱系數(shù)的選取，而后通過計算機對剖分網(wǎng)格的運算，形成溫度場、流場充型模擬，進而對縮松縮孔進行預(yù)測判斷，根據(jù)后處理縮松率的分析，進行工藝方案的再優(yōu)化，再分析，最終形成最優(yōu)方案，指導(dǎo)實物生產(chǎn)。蝸殼前期的鑄造工藝模擬可降低廢品率，加速生產(chǎn)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。

利用CASTSoft 模擬軟件，首先對蝸殼零件進行縮松分析。圖3 為蝸殼鑄件的縮松分布圖，可以看出，蝸殼的縮松區(qū)域主要集中在出水口法蘭后最高點、止口環(huán)形帶處、底腳與蝸殼本體交接位置。

圖3 蝸殼零件縮松預(yù)測分布圖

依據(jù)分析結(jié)果，對蝸殼進行冒口、冷鐵設(shè)計，然后用軟件進行縮松分析。蝸殼鑄造工藝3D 模型導(dǎo)入CASTSoft 模擬軟件，指定的縮松判據(jù)標準為99.9999%，其縮松區(qū)域分布情況如圖4 所示。從圖4 可以看出，冒口、冷鐵以及鉻礦砂的使用，使得蝸殼鑄件的溫度分布重新布局，縮松區(qū)域集中于冒口內(nèi)，鑄件凝固補縮富足，保證蝸殼內(nèi)在質(zhì)量。

圖4 工藝優(yōu)化后蝸殼縮松結(jié)果

圖5 為流場溫度場分析。從中可以看出充型18%，46%及98%三個階段流場溫度場分布，澆冒口位置溫度最高，在工藝中設(shè)置兩個冒口，在澆冒口對面處冒口可以起到良好的排氣、補縮效果，從溫度場中可以看出，冒口溫度高于對應(yīng)鑄件溫度，冒口可對鑄件進行凝固補縮。

圖5 流場溫度場模擬

圖6 為凝固進程模擬。隨著時間的延續(xù)，鐵水由液相向固相發(fā)生轉(zhuǎn)變，鐵液補縮也隨之進行，隨著凝固進程，液相區(qū)集中于冒口內(nèi)，起到對鑄件的高效補縮，避免鑄件縮松缺陷的形成。

圖6 凝固進程模擬

3 生產(chǎn)過程節(jié)點控制

通過對覆膜、涂料噴涂、澆注、保壓抖箱等過程節(jié)點進行控制，成功制備蝸殼鑄件，如圖7 所示。

3.1 覆膜

利用烤膜器將EVA 塑料膜進行加熱烘烤，塑料膜經(jīng)烘烤后進行塑性拉長變形，形成凹狀鏡面下垂，下垂高度在250 mm 左右時，下降烤膜器進行覆膜，對澆注系統(tǒng)、冒口高度較大部位進行人工輔助覆膜，可用光滑無棱角泡沫棒進行局部的按壓，以便塑料膜在負壓狀態(tài)下，完全貼覆于蝸殼模具表面，從而完成覆膜工序。

3.2 涂料噴涂

蝸殼型腔涂料為水基鋯英粉涂料，用壓縮空氣噴搶均勻噴涂，噴涂完成，用烤膜器進行涂料烘烤，噴涂三次，涂料厚度控制在0.8 mm～1.2 mm 之間，涂料在垂直面上容易流淌，人工應(yīng)以撣筆進行補涂，以滿足涂料層厚度，防止粘砂、夾砂缺陷的產(chǎn)生。樹脂砂芯涂料用醇基鋯英粉涂料，人工涂刷，點燃烘干，涂料層厚控制在1 mm～1.3 mm 之間。

3.3 澆注

蝸殼澆注時負壓度控制在0.06 MPa，負壓度過大，鑄件容易產(chǎn)生粘砂、鉆鐵缺陷，負壓度不足，在澆注過程中易形成塌箱。鐵水澆注溫度較樹脂砂高于30 ℃～50 ℃，一般控制在1 430 ℃～1 450 ℃，澆注過程中操作者注意觀察氣體從冒口中順暢排出為宜，避免形成“反噴”現(xiàn)象。

3.4 保壓抖箱

鑄件在完成澆注后，負壓度在0.035 MPa～0.045 MPa 范圍內(nèi)，保壓20 min～30 min 后，進行卸壓，鑄件在自由狀態(tài)下收縮凝固。負壓度的大小、時間的長短對鑄件的硬度影響較大，控制不當，鑄件易形成裂紋缺陷。

圖7 蝸殼鑄件

4 結(jié)論

以V 法鑄造為主導(dǎo)，配以樹脂砂芯，EPS 泡沫實型消失模鑄造，從而形成蝸殼復(fù)合鑄造技術(shù)。利用鑄造工藝模擬軟件對生產(chǎn)前期的工藝方案不斷優(yōu)化，調(diào)整工藝參數(shù)，確定最優(yōu)方案，對生產(chǎn)過程關(guān)鍵節(jié)點進行嚴格控制，從而實現(xiàn)脫硫泵蝸殼的量化生產(chǎn)。