双相钢泵壳铸造工艺研发

钱寅通，郑 宇，王哲夫，王占涛

（中国中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116021）

1 产品介绍

泵壳是水泵的主要部件，多选用双相钢制造，不同等级的水泵，其泵壳结构差异巨大，本文中以单吸泵泵壳为研究对象，设计铸造工艺，目前泵壳的主流铸造工艺工艺出品率不足50%，虽有着不错的良品率，但过低的出品率严重拉高了制造成本，进而使产品的竞争力受损，新的铸造工艺旨在提高工艺出品率，帮助客户获得成本、利润优势。

2 产品工艺分析

2.1 缺陷分析

单吸泵泵壳属箱体类铸件，其结构如图1 所示，缺陷主要分为两大类，分别为内部收缩缺陷与夹杂缺陷。

图1 单吸泵泵壳属箱体类铸件结构

首先分析内部收缩缺陷。本文的研究对象主要壁厚20mm，以笔者的经验，30mm 以下的铸钢结构可以实现自补缩，因此主要壁厚区域不需考量内部质量问题；在泵壳的中心，自下而上依次叠加了入口法兰、密封环、连接法兰三个环形结构，三个区域之间为泵壳主要壁厚所分割，无法实现相互补缩，形成一个复合型的热结，以上三个区域与入口法兰、地脚支架成为泵壳出现内部质量问题的集中位置。水泵的应用场景决定了泵壳铸件需要经过严格的密封性试验，而这些位置的缺陷往往会导致密封性试验失效，在实际生产中这构成了泵壳报废的主要原因。

夹杂是构成铸件报废的另一主要原因。泵壳夹杂物主要为硅酸盐类夹杂物，此类夹杂物尺寸比较大，外型不规则，主要是生产过程中耐火材料、结晶器卷渣、炉渣等进入钢液造成的[1]。

2.2 浇注系统的设计

双相钢具有铸钢共有特点：熔点高、流动性差、收缩大、易氧化、有夹杂物[2]，总体来说属于铸造工艺性较差的材质，对浇注系统的设计有如下要求：

（1）宜采用低温快浇的工艺方法。一方面较低的浇注温度可以降低铸件整体的收缩，对铸件内部质量、裂纹倾向、缩尺控制都有助益；另一方面，较快的浇注速度可以有效的减少钢水的温度损失，减少接火、夹杂问题出现的概率。

（2）浇注系统的设计应当采取开放式。根据笔者的经验，铸钢产品不宜采取封闭式浇注系统，封闭式浇注系统配合漏包，过大的充型压力会加大阻流截面芯部流速，但阻流截面型腔表面的流速反而降低，极易导致靠近阻流截面型腔表面的钢水逐层凝固，最终堵塞浇注系统，因此对于铸钢件，尤其是双相钢这类流动性较差的材质，应当选用开放式浇注系统。

（3）分散进水。泵壳结构复杂，尺寸跨度较大，集中进水容易导致内水口区域过热，裂纹倾向增大，而远端温度损失过快，结火可能性升高，故宜分散进水。

3 工艺工装设计

3.1 浇注系统设计

图2 为目前主流的泵壳铸造工艺，水系统经由分别位于地脚支架与出口法兰的冒口，在分型面高度注入，该浇注系统存在如下缺陷：

图2 原有浇注系统图

（1）内水口落差过大。钢水由分型面跌落、飞溅，对型腔冲刷较为严重，易产生砂眼、结火、夹杂等问题。

（2）进水过于集中。仅有两处点状内水口，容易过热，增大裂纹风险。

（3）钢水在铸件中端合流。钢水长途流动后在底层合流，极易产生结火、卷气问题，尤其该位置还设有冷铁。

重新设计浇注系统如下：

（1）开放式浇注系统，直水口采用陶管底返，利用横水口为钢水减速，内水口设置在连接法兰内侧，采取宽扁形式均衡温度，如图3 所示。

图3 新浇注系统

（2）铸件的最大轮廓尺寸：600mm×400mm×300mm，浇注钢水量390kg，铸件壁厚60mm。

（3）直浇道的有效高度H=100mm+300mm=380mm。

（4）浇注时间t=（4001/2+4001/3）s≈27.4s，浇注时间取28s。

（5）选择浇注系统截面比A1∶A2∶A3=1∶1.1∶1.2。

（6）计算k1、k2

取v1=0.65，v2=0.65，v3=0.60。

v1为直浇道流速；v2为横浇道流速；v3为内浇道流速。

k1为直浇道与横浇道压力比；k2为横浇道与内浇道压力比。

（7）计算平局压头hp

（8）计算内浇道截面积

（9）计算直浇道横浇道截面积

由于浇注系统直浇道面积：横浇道面积：内浇道面积为1∶1.1∶1.2，所以横浇道面积为21.39cm2，直浇道面积为19.6cm2[3]，内浇道取10mm×60mm（4道）；横浇道取∅200mm×10mm，直浇道取∅50mm陶管。

3.2 模拟分析

将未添加冒口系统的铸件导入MAGMA 中，分别采用连接法兰在顶部和底部的浇注姿态进行模拟，起始温度为1580℃，调取缺陷预测结果，如图4、5 所示。

图4 连接法兰朝上

连接法兰朝上是现在主流的工艺方法，在这个姿态下，连接法兰可以通过冒口进行补缩，在图4 所示的出口交接区域，需要增加补贴以保证补缩效果；密封环区域由于其尴尬的尺寸，导致既无法实现自补缩，也无法对下方的入口法兰进行有效的补缩，需要在毛坯面上设置大量的补贴然后在其上安放冒口，配合入口法兰上的冷铁，才能有效解决密封环与入口法兰的缺陷问题；出口法兰与地脚支架的问题可以通过侧冒口加以解决，最终的工艺方案如图2 所示。

反观连接法兰朝下的方案，入口法兰尺寸相对较大，可以充分补缩密封环区域；难点在于密封环区域无法补缩出口交接区域，导致出现了一处如图5 所示的，联通了密封环与连接法兰的缺陷带，且该缺陷带紧邻水利区，难以施加补缩手段，这一难题即为主流工艺产生的根源。

图5 连接法兰朝下

现有工艺方案下，缺陷分布较广，需要大量的补贴与冒口施加补缩；连接法兰朝下的方案缺陷集中，但补缩难度较大；要提高工艺出品率就必须采取新方案，设法解决图5 中的缺陷带。

3.3 补缩方案设计

（1）地脚支架与出口法兰的缺陷靠近加工面，且加工面为规则的平面，通过设置侧冒口进行补缩，可以有效的解决缺陷问题，在此不多做赘述。

（2）入口法兰位于顶部，可以施加冒口补充收缩钢水，亦质量无忧。

（3）密封环区域除临近出口连接部无缺陷，通过对结构的分析，初步判断可以通过控制连接部位的模数，使该区域模数接近主要壁厚模数，达到模数平衡状态，实现自补缩。

（4）对于连接法兰，连接部位则带来了一定的好处，缺陷被集中于此处，反而有利于补缩，在该位置设置一个侧冒口，保证冒口有足够的压头即可实现补缩目的。

最终的方案如图6 所示，地脚支架与出口法兰分别设置侧冒口；入口法兰顶部设置两个补缩冒口；连接法兰设置一个侧冒口；连接部位两侧使用铬铁矿砂平衡模数。

图6 最终方案

最终方案的模拟结果如图7 所示，可见关键区域内已无缺陷预判，方案具备验证条件。

图7 最终方案模拟结果

4 验证生产

按照新工艺投产，首件铸件经目视检查，表面无砂眼、夹杂、结火等缺陷；经加工验证，未发现外露缺陷；经过1.5MPa,30min 的密封性试验，未发现渗漏现象，压力值稳定未下降。后续生产170件，未发生废品，证明新工艺稳定可靠。

5 总结

单级泵泵壳工艺开发取得如下成果：

（1）工艺出品率大幅提高。原工艺的工艺出品率为47%，而新工艺则达到了68%，意味着单件物料成本降低44%。

（2）打磨及加工工时大幅下降。由于大量取消补贴，且冒口均选择在加工面设置，冒口经过气刨切割后残余极小，使得清理打磨工作量下降约60%，加工工时减少3h。

（3）证明了仿真技术在泵类铸件领域的应用前景。以往铸造工艺设计往往依靠工艺技术人员的经验，预测铸件缺陷位置，设计水冒口及冷铁，而这种经验往往需要数年甚至数十年的积累，而且准确性有限。依靠模拟技术，现在技术人员可以直观的观察铸件充型及凝固过程，准确的预测卷气、夹渣、缩松、冷隔等缺陷，并预先采取措施加以避免，例如本文中通过铬铁矿砂平衡模数的设计，如果依靠试错法就很难找到临界点，也就无法达成消除缺陷的目的。

（4）机械化制芯手段。公司以往缸盖使用手工制芯，造型材料包括合脂砂及宝珠砂，合脂砂每天生产14 件缸盖需2 套模具4 名工人，宝珠砂则需要4 套模具8 名工人，同时由于人工操作的随意性及误差，砂芯精度较低，气孔、粘砂、断芯缺陷时有发生，在机械化制芯条件下完成同样产量只需2 名工人，同时砂芯质量稳定。

以上成果有效的降低了生产成本，摸索出了可持续发展的技术路线，极大的增强了公司在泵类铸件领域的竞争力。