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840kg,壁厚28mm,硬 度 HRC50~55,水 压 试 验 要求,0.8MPa测试水压下持续10min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 工艺参数选取蜗壳铸件工艺参数设计包括:加工余量4mm;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2mm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,工脱硫泵蜗壳V法铸造生产张静慧(石家庄工业泵厂有限公司,河北石家庄 050100)摘 要:对 脱硫泵蜗壳结构进行整体分析,采用V法铸造进行生产。用树脂砂制作砂芯,用 消失模实 型铸出各种孔结构。利用CASTCOFT软件对蜗壳工艺进行模拟分析,调整优化各种工艺参数,确定最优方案,并通过严格的过程控制,成 功生产蜗壳铸件。关键词:脱硫泵蜗壳;V法铸造;铸造模拟;过程控制;负压成型中图分类号:TG249.9 文献标识码:A 文章编号:1674-6694(2020)02-0037-03V-processCastingProductionofDesulphurizationPumpVoluteZHANGJing-hui(ShijiazhuangIndustrialPumpFactoryCo.,Ltd.,shijiazhuangHebei 050100,China)Abstract:ThevolutecastingofdesulphurizationpumpisproducedbyV-processcasting.Thesandcoreismadeofresinsand,andtheholestructureofthevoluteiscastwithlostfoam.CASTCOFTsoftwarewasusedtosimulateandanalyzethecastingprocess,andtheoptimalschemewasdeterminedbyoptimizingvariousprocessparameters.Andthroughstrictprocesscontrol,thevolutecastingwasproducedsuccessfully.Keywords:desulphurizationpumpvolute,V-Casting,castingsimulation,processcontrol,formingundernegativepressure收稿日期:2019-11-20作者简介:张静慧(1973-),男,工程师,主要从事泵类产品高铬材质研发与铸造工艺设计工作。图1 蜗壳铸造工艺发热冒口蜗壳铸件蜗壳砂芯EPS法兰陶瓷浇道过滤片外冷铁EPS底脚预埋件防变形拉筋纸制排气孔·消失模与V法铸造· doi:10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2020.02.012铸造设备与工艺FOUNDRYEQUIPMENTANDTECHNOLOGY2020年第2期2020年 4月 Apr.2020 翼237窑 窑2020年第2期Apr.2020 翼2 铸造设备与工艺艺出品率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2300℃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 20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。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。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2 消失模(EPS)法兰底脚图3 蜗壳零件缩松预测分布图EPS法兰EPS底脚38窑 窑2020年第2期 铸造设备与工艺张静慧:脱硫泵蜗壳V法铸造生产图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。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250mm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0.8mm~1.2mm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1mm~1.3mm之间。3.3 浇注蜗壳浇注时负压度控制在0.06MPa,负压度过大,铸 件容易产生粘砂、钻铁缺陷,负压度不足,在浇注过程中易形成塌箱。铁水浇注温度较树脂砂高于30℃~50℃,一般控制在1430℃~1450℃,浇注过程中操作者注意观察气体从冒口中顺畅排出为宜,避免形成“反喷”现象。3.4 保压抖箱铸件在完成浇注后,负压度在0.035MPa~0.045MPa 范围内,保压20min~30min后,进行卸压,铸件在 自由状 态下收缩凝固。负压度的大小、时间的长短对铸件的硬度影响较大,控制不当,铸件易形成裂纹缺陷。4 结 论以V法铸造为主导,配以树脂砂芯,EPS泡沫实型消失模铸造,从而形成蜗壳复合铸造技术。利用铸造工艺模拟软件对生产前期的工艺方案不断图4 工艺优化后蜗壳缩松结果图5 流场温度场模拟a)充型18% b)充型46%c)充型98%图6 凝固进程模拟a)凝固率14% b)凝固率80%c)凝固率98%图7 蜗壳铸件(下转第42页)39窑 窑2020年第2期Apr.2020 翼2 铸造设备与工艺优化,调整工艺参数,确定最优方案,对生产过程关键节点进行严格控制,从而实现脱硫泵蜗壳的量化生产。参考文献:[1] 崔春芳,邓宏远.消失模铸造技术及应用实例[M].北京:机械工业出版社,20017.[2] 陶标,高华,汪大新.一种厚大平板件的V法生产工艺[J].铸造设备与工艺,2014(2):51-52.[3] 张建满,涂益明,张海勋,朱以松.V法铸造工艺装备对铸件质量的若干影响[J].铸造设备与工艺,2014(3):1-4.[4] 马怀荣,刘祥泉,韩建华,梁波,张现诚,张建满.消失模与V法铸造相结合应用研究[J].铸造设备与工艺,2012(5):19-21.紊乱。为此外界的保障条件不能按中小铸件对待,要高于中小件。高大件的真空条件浇注时不同高度和不同点的真空条件并不一致,与模拟时采用单一真空模拟值不符。需通过模拟计算,对铸件的气场、流场进行分析,预测和避免缺陷产生。2)消失模由于贴壁效应和热流上升,铁水并未优先实现下部顺序充型,消失模高温气体产生于内部,内部气流沿压强薄弱处流动,流动高温气流对出气口和斜面部位持续产生高温影响,极易产生变形和塌箱,所以实际生产该位置需考虑防护。模拟软件需增加该处的温变的影响。3)对于大件内部需优先保障真空度,增加多个真空抽气等装置,同时增加内部真空测量装置,实现浇注过程的正反馈,查找真正的原因,模拟软件增加设置多区域真空变化,实现对问题的反应。仿真模拟可结合实际生产参数,进行问题模拟。3 结 论1)通过运用仿真模拟可视化,实现对消失模液态金属充型和凝固的模拟,使工艺人员可以直观、快速地了解不同工艺和凝固的异动,实现快速预测新工艺实施的效果。采用该技术从一定程度上弥补普通工具的滞后性,为提前预测铸造缺陷等提供了依据,简化了通过多次浇注实验来确定浇注工艺的次数,降低 了成本,为绿色铸造提供了技术支持。2)中小件消失模采用模拟取得较好的指导效果,大型空腔件在模拟铸造缺陷效果明显。3)消失模大型高径比和大型空腔等模拟在固有技术等问题仍需要较大的技术攻关。4)不能简单为模拟而模拟,通过不断模拟与实际生产经验结合,更能体现模拟的价值,从而更好地促进了CAE等仿真软件的发展。参考文献:[1] 张雷雷,李锋军,黄胜操.消失模铸造充型过程模拟仿真的虚拟现实可视化应用[J].铸造,2015(6):550-551.[2] 王静平,孙志敏,王建国.基于消失模铸造法的顶注式浇注铸件生产工艺[J].中国金属通报,2017(01):66-67.[3] 张肖,李耀宗,陆寅松.铸件的虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证技术应用[J].柴油机,2018(01):40-43.[4] 魏兵,袁森,张卫华.铸件均衡凝固技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1998.[5] 邢小颖,汤彬,马运,徐江波.AnyCasting虚拟仿真在砂型铸造中的应用及缺陷分析[J]. 铸造,2019(05):508-511.图3 大型消失模铸件仿真模拟2200240020(上接第39页)a)铸件基本结构与尺寸b)模拟结果42窑 窑