脱硫泵蜗壳V 法铸造生产

2020-06-08

铸造设备与工艺 2020年2期

（石家庄工业泵厂有限公司，河北石家庄 050100）

脱硫泵主要用于电厂烟气脱硫，蜗壳是脱硫泵的承压核心零件，蜗壳零件材料为耐蚀铸铁，重量840 kg，壁厚28 mm，硬度HRC50～55，水压试验要求，0.8 MPa测试水压下持续10 min 不冒汗、不渗漏为合格品。

1 蜗壳复合铸造整体设计

脱硫泵蜗壳采用V 法、树脂砂及消失模复合铸造技术。其整体设计理念为：以V 法铸造为主体，蜗壳造型合箱，浇注成形是在V 法铸造模式负压状态下进行；蜗壳内腔砂芯采用树脂砂制作；蜗壳出口法兰、底脚孔采用EPS 聚苯乙稀实型铸造，预留型腔内不再去除，在浇注过程中与铁水进行置换，从而使得连接孔直接铸出，省去了钻孔工序。

蜗壳铸造工艺设计以顺序凝固为原则，采用发热冒口与冷铁相结合的工艺来保证零件组织致密性，满足零件的设计要求。铸造工艺如图1 所示。

1.1 工艺参数选取

图1 蜗壳铸造工艺

蜗壳铸件工艺参数设计包括：加工余量4 mm；收缩率轴向1%，径向2%，出水法兰中到轴向垂直中1.3%，水路不留收缩，出水口尺寸整体2%；在出口法兰背面，底脚背面预留2 mm 工艺补正量；蜗壳模型为ZL104 数控加工而成，拔模斜度0.5°～1°；蜗壳蜗室内设置四道拉肋，以保证其尺寸精度，工艺出品率70%～76%.

1.2 浇注系统设计

浇注系统采用陶瓷浇道，在横浇道位置设置陶瓷过滤片，蜂窝状过滤片可对铁水中的夹杂物进行有效地吸附，对紊乱铁水进行整流过滤，从而起到净化铁水，平稳充型的目的。夹杂物的吸附同时也填充了过滤片的空穴，对铁水阻流效果明显，为此，横浇道截面积放大1.5～2 倍，以满足铁水充型需求。

1.3 冒口设计

冒口采用山东圣泉生产的发热冒口，铁水进入冒口后与发热剂Al3O2发生2 300 ℃化学放热反应，释放的大量热能对冒口中的铁水进行二次升温加热，从而延长了冒口的凝固时间，较砂型冒口提高了20%的补缩效率。蜗壳吊耳、底脚与蜗壳主体相交，形成结构热节，在分型面处设置边侧冒口进行补缩。高温铁水经由浇注系统的过滤净化进入法兰后两处冒口进行充型与补缩，同时在蜗壳铸件顶部设置四个明顶冒口，对蜗壳整体形成高效补缩。

1.4 冷铁、预埋件设计

蜗壳材质为耐蚀铸铁，其热导率差，对结构热节缩松敏感，故在蜗壳底脚、隔舌处设置外冷铁以消除缩松影响，冷铁厚度为热节圆0.8～1 倍，冷铁过厚，激冷效果过强，在铸件表面易产生微裂纹；反之，易对冷铁形成粘连。蜗壳零件热处理硬度HRC50～55，在螺纹扣处设置预埋件，预埋件使用45#钢加工而成，造型前进行除油、除锈处理，以防止气孔的产生。预埋件的使用可以保证蜗壳零件螺纹扣的尺寸要求。

1.5 排气孔设计

蜗壳铸件的浇注成形是在抽负压状态下进行的，铁水充型与重力铸造层状平面上浮有所不同，铁水是沿型壁凹面上升，即所谓的附壁效应[1]。铁水在负压状态下附壁效应现象的存在，使得工艺措施的排气设计尤为重要，在蜗壳制高点9 处位置，使用φ20 纸制排气管进行顺畅排气，同时，所有冒口采用明顶形式，也加强了浇注过程的排气效果，避免了裹气、气孔缺陷的产生。

1.6 EPS 法兰、底脚设计

蜗壳出口法兰、底脚做成消失模模具，通过发泡成形，与蜗壳V 法本体模具进行镶嵌定位组合，如图2 所示，在造型工序不再取模，进行实型铸造，EPS 法兰、底脚在浇注过程被铁水气化、置换，从而将法兰U 形豁口、底脚椭圆孔直接铸出，无需钻孔，且满足装配要求。

图2 消失模（EPS）法兰底脚

2 铸造工艺模拟优化

蜗壳铸造工艺设计完成后，利用CASTSoft 铸造工艺模拟软件对叶轮铸造工艺方案进行计算机模拟[2]。前期通过铸件、冒口、冷铁STL 格式模型的导入、网格剖分，材料热物性参数的确定，边界参数换热系数的选取，而后通过计算机对剖分网格的运算，形成温度场、流场充型模拟，进而对缩松缩孔进行预测判断，根据后处理缩松率的分析，进行工艺方案的再优化，再分析，最终形成最优方案，指导实物生产。蜗壳前期的铸造工艺模拟可降低废品率，加速生产周期，节约生产成本。

利用CASTSoft 模拟软件，首先对蜗壳零件进行缩松分析。图3 为蜗壳铸件的缩松分布图，可以看出，蜗壳的缩松区域主要集中在出水口法兰后最高点、止口环形带处、底脚与蜗壳本体交接位置。

图3 蜗壳零件缩松预测分布图

依据分析结果，对蜗壳进行冒口、冷铁设计，然后用软件进行缩松分析。蜗壳铸造工艺3D 模型导入CASTSoft 模拟软件，指定的缩松判据标准为99.9999%，其缩松区域分布情况如图4 所示。从图4 可以看出，冒口、冷铁以及铬矿砂的使用，使得蜗壳铸件的温度分布重新布局，缩松区域集中于冒口内，铸件凝固补缩富足，保证蜗壳内在质量。

图4 工艺优化后蜗壳缩松结果

图5 为流场温度场分析。从中可以看出充型18%，46%及98%三个阶段流场温度场分布，浇冒口位置温度最高，在工艺中设置两个冒口，在浇冒口对面处冒口可以起到良好的排气、补缩效果，从温度场中可以看出，冒口温度高于对应铸件温度，冒口可对铸件进行凝固补缩。

图5 流场温度场模拟

图6 为凝固进程模拟。随着时间的延续，铁水由液相向固相发生转变，铁液补缩也随之进行，随着凝固进程，液相区集中于冒口内，起到对铸件的高效补缩，避免铸件缩松缺陷的形成。

图6 凝固进程模拟

3 生产过程节点控制

通过对覆膜、涂料喷涂、浇注、保压抖箱等过程节点进行控制，成功制备蜗壳铸件，如图7 所示。

3.1 覆膜

利用烤膜器将EVA 塑料膜进行加热烘烤，塑料膜经烘烤后进行塑性拉长变形，形成凹状镜面下垂，下垂高度在250 mm 左右时，下降烤膜器进行覆膜，对浇注系统、冒口高度较大部位进行人工辅助覆膜，可用光滑无棱角泡沫棒进行局部的按压，以便塑料膜在负压状态下，完全贴覆于蜗壳模具表面，从而完成覆膜工序。

3.2 涂料喷涂

蜗壳型腔涂料为水基锆英粉涂料，用压缩空气喷抢均匀喷涂，喷涂完成，用烤膜器进行涂料烘烤，喷涂三次，涂料厚度控制在0.8 mm～1.2 mm 之间，涂料在垂直面上容易流淌，人工应以掸笔进行补涂，以满足涂料层厚度，防止粘砂、夹砂缺陷的产生。树脂砂芯涂料用醇基锆英粉涂料，人工涂刷，点燃烘干，涂料层厚控制在1 mm～1.3 mm 之间。