低合金耐磨钢渣浆泵泵体铸造工艺设计及应用

摘要：设计了3种低合金耐磨钢渣浆泵体铸造工艺，利用华铸CAE软件预测不同工艺下铸件的缩孔、缩松缺陷，对模拟结果进行对比分析，确定合理工艺。应用设计方案，在浇注温度1530～1560℃、浇注速度19kg/s条件下进行铸件铸造，所得铸件无明显裂纹、缩孔缺陷。经压力试验，压力为49N，保压30min，铸件无泄漏。

关键词：泵体；低合金耐磨钢；铸造工艺；缩孔缩松

中图分类号：TG242 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2019)17-0062-03

DOI:10.14158/ki.1001-3814.2019.17.017

低合金耐磨钢渣浆泵泵体的铸造工艺设计

马龙飞1、王春晓1、李光绪1、郭春芳2

(1. 中铁隧道集团有限公司隧道专用装备中心，河南洛阳 471009；2. 河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471003)

摘要：设计了3种低合金耐磨钢渣浆泵体的铸造工艺，利用华铸CAE软件对不同工艺下铸件的缩孔、缩松缺陷进行预测，并对模拟结果进行对比分析，确定了合理的工艺。

关键词：泵体；低合金耐磨钢；铸造工艺；缩松

渣浆泵是一种利用叶轮旋转来增加固液混合物能量的机械设备，广泛应用于矿山、发电厂、疏浚、冶金、化工、建材、石油等行业。渣浆泵主要用于输送含有固体颗粒和水的混合物[1]。渣浆泵在泵送固液混合物时，叶轮、泵体、护套等过流部件磨损最为严重，泵体一般采用耐磨材料制成。鉴于渣浆泵体的工作环境恶劣，渣浆泵体的一般性能要求是在49N压力下维持30分钟不泄漏。由于泵体材料为耐磨钢，且含有较高的Cr、Mn、Mo等合金元素，在铸造时易产生裂纹、缩孔等缺陷[2-3]，因此对铸造工艺要求较高。本文以某型渣浆泵体为对象，对其铸造工艺进行研究。 通过数值模拟对工艺过程进行分析，提高铸件的质量，应用设计工艺，生产出满足性能要求的渣浆泵体铸件。

1 铸件结构及材料

渣浆泵泵体外形尺寸为1350mm×475mm×1196mm，质量为926kg，平均壁厚为28mm，形状较为复杂，为大型铸件。渣浆泵泵体的三维模型如图1所示。渣浆泵泵体采用低合金耐磨钢制造，硬度≥45HRC，在工作温度下具有良好的耐磨性，其主要成分如表1所示。

图1 渣浆泵本体铸件模型

图1 渣浆泵本体铸件模型

表1 渣浆泵泵体材料化学成分（质量分数，%）

表 1 渣浆泵泵体材料化学成分（wt%）

2 铸造工艺设计 2.1 分型面选择及冒口设计

设计中选取泵体最大截面作为分型面，冒口设计位置如图2所示，在泵体泵口处设置直径150mm、高240mm的拱形冒口，冒口颈高65mm，直径80mm，如图2中A所示。考虑到泵体侧面可能存在热点，设置高度480mm、直径150mm的侧冒口，冒口颈高50mm，直径70mm，如图2中B所示。铸件顶部直径较大，设计中设置4根腰型冒口，如图2中C、D所示。2根腰型冒口具体尺寸如图3所示。

图3 腰型立管尺寸（mm）

图3 腰部立管尺寸（毫米）

2.2 浇注系统设计

内浇口截面积按Ain=40.6W/(100t)(W为浇注质量，1140kg;t为浇注时间，60s;Ain单位为cm2)[4]计算，Ain为771mm2，故取Ain=750mm2。按照耐磨钢铸件体系成分配比A纵:A横:Ain=3.8:3.7:1，计算得出A纵=2826mm2，故浇口直径取65mm，A横=3900mm2，采用梯形形状。考虑到泵体底部圆周处壁厚较厚，因此此处放置6个均布厚度为50mm的冷却器，每个冷却器之间的间隙为50mm。 它们与冒口配合使用，提高冒口的收缩补偿效果，更好地实现铸件的顺序凝固[5]。采用上述四根冒口并在铸件底部放置冷铁的铸造工艺称为方案一。为了与设计一进行比较，设计二的冒口数量和尺寸与设计一相同，但在厚底部不放置冷铁。设计三的冷铁设计与设计一相同，除高度外所有冒口的整体尺寸减小了10mm。三种具体设计如图4所示。

图4 三种铸造工艺方案

图4 三种铸造工艺方案

3 仿真结果

采用InteCAST软件对3种方案铸件的缩孔和疏松进行预测[5]，均匀网格尺寸设定为15 mm，合金密度设定为7.6 g/cm3，凝固时间设定为100 s，铸件冷却结束温度设定为1 400 ℃，缩孔和疏松模拟结果如图5所示。如图5所示，方案1共有55个缩孔和疏松区域，总收缩体积为3 600 cm3，总收缩体积为108 cm3；方案2共有95个缩孔和疏松区域，总收缩体积为3 670 cm3，总收缩体积为91.13 cm3； 方案3共计63个缩孔、疏松区域，总收缩体积为3150 cm3，总收缩体积为124.88 cm3。泵体结构相对复杂，容易产生缩孔、疏松缺陷。铸造缺陷的产生是多种因素共同作用的结果，无法完全避免，但应尽可能减少缺陷，提高铸件的合格率。综合比较，方案1是较为合理的工艺设计方案。

图五 缩孔及孔隙率模拟结果

图五 缩孔及气孔模拟结果

4.模具设计

根据工艺方案1设计渣浆泵体铸造模具，泵体工艺工装包括上模、下模、木芯盒，横流道、直流道、内流道三维示意图如图6所示，上模、下模装配示意图如图7所示。

图6 方案1中的三种跑道类型

图6 方案一中三种流道

图7 模具装配图

图7 模具装配图

5. 生产验证

采用工艺方案一，采用呋喃树脂砂造型制芯，型砂外侧涂涂料，浇注温度选择1530～1560℃，浇注速度控制在19kg/s完成浇注。由于泵体材料Cr、Mn含量较高，容易产生裂纹缺陷，因此在拆除冒口时在根部留有15mm的余量[6]。最终铸造后得到如图8所示的泵体铸件。经进一步检测，铸件无明显裂纹、缩孔缺陷。经压力试验后，在49N保压30min，铸件无泄漏，铸件符合产品性能要求。

图8 渣浆泵泵体实物铸造

图8 渣浆泵泵体铸件

六，结论

设计了3种低合金耐磨钢渣浆泵体铸造工艺，利用华铸CAE软件预测不同工艺下铸件的缩孔、缩松缺陷，通过比较确定合理工艺。采用工艺方案1，浇注温度1530～1560℃，浇注速度19kg/s进行铸造，所得铸件无明显裂纹、缩孔缺陷，经压力试验后，压力为49N，保压30min，铸件无泄漏。

参考：

[1] 王瑞,杨继伟,刘宝熙,等.大型不锈钢泵壳铸造工艺设计[J].铸造技术,2016,37(7):1503-1506.

[2]刘娟,谢伟,李晨,等.汽车干燥器阀体压铸过程数值模拟及工艺研究[J].热加工工艺,2017,46(7):124-127。

[3] 何启东. KWPK600泵体耐磨钢研制[D]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2016.

[4] 韩悦. 钒对渣浆泵铬铸铁性能的影响[J]. 铸造技术，2016, 37(11): 2418-2420。

[5]肖世龙,黄勇,安振旭,等.基于数值模拟的铝合金泵体压铸模具及工艺优化[J].特种铸造及有色合金,2016,36(6):605-608。

[6]刘娟.四回路保护阀压铸数值模拟及工艺优化[D].杭州:浙江工业大学,2017.