摘要：根據(jù)雙吸葉輪的結(jié)構(gòu)特點及質(zhì)量要求，采用熔模精密鑄造工藝，通過MAGMA模擬軟件對充型、凝固過程進行模擬，優(yōu)化工藝設計方案，葉輪立澆，采用大流量快速充型、兩邊同時進鋼液，保證型殼澆注溫度800-900℃，施放排氣冒口，運用金屬內(nèi)冷鐵技術(shù)、插入冷型殼技術(shù)等，有效解決了中心輪轂縮松、葉片冷隔鑄造缺陷。
1 雙吸葉輪概述
雙吸葉輪是離心式雙吸泵的核心組成零件，實際上它是由兩個背靠背的單吸葉輪組合而成，相當于兩個相同直徑的單吸葉輪同時工作，故在同樣的葉輪外徑下流量可增大一倍。其具有結(jié)構(gòu)對稱、運行平穩(wěn)、幾乎沒有軸向力、葉型水力性能優(yōu)異、工作效率高、抗汽蝕能力強等特點。裝有雙吸葉輪的離心式雙吸泵揚程高、流量大，廣泛應用于農(nóng)田灌溉、南水北調(diào)工程、冶金化工、石油開采、交通運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域之中。
圖1為雙吸葉輪三維結(jié)構(gòu)圖示，其由左、右蓋板、葉片及輪轂四部分組成。雙吸葉輪多為不銹鋼材質(zhì)，鑄件毛坯尺寸公差要求滿足ISO 8062 CT6級，葉片工作面表面粗糙度要求達到Ra3.2μm，鑄件要求100%PT檢測無任何跡象顯示，關(guān)鍵區(qū)域（即圖1中心輪轂及口環(huán)面）RT檢測按照ASME B16.34 Ⅱ級驗收。中心輪轂兩頭小、中間大，不利于實現(xiàn)順序凝固補縮，容易在輪轂中間部位產(chǎn)生縮松缺陷；雙吸葉輪葉片扭曲程度大，葉輪蓋板外徑達φ500-600mm，出水口尺寸只有20-30mm，制殼后內(nèi)腔型殼殼層粘接形成過熱，易在口環(huán)R弧根部（即葉片與左、右蓋板連接處）產(chǎn)生縮松缺陷；另外，雙吸葉輪葉片超薄，特別是葉片進水口處厚度只有2-3mm，非常容易在葉片進水口處產(chǎn)生冷隔、澆不足缺陷。因此，如何消除中心輪轂及口環(huán)R弧根部的縮松缺陷、如何防止葉片進水口處產(chǎn)生冷隔、澆不足缺陷是生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的關(guān)鍵。
鑒于雙吸葉輪對鑄件尺寸及表面質(zhì)量的要求均較高，需采用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)。
2 工藝方案確定及樣品試制生產(chǎn)
2.1擬定工藝方案
初步擬定如下兩種工藝方案，方案一如圖2示葉輪平澆，輪轂中孔全部堵去，輪轂上端面加球形冒口頂注，球冒口四周連接橫澆道補縮葉輪上蓋板，輪轂下端面加一直澆道連接相應橫澆道補縮葉輪下蓋板。此方案工藝出品率較高，中間輪轂充當了類似直澆道的角色，通過中間輪轂的連接既實現(xiàn)了底注，又實現(xiàn)了澆冒口系統(tǒng)對上、下蓋板的補縮。但是此方案澆注存在“水平大平面”，它會嚴重降低鋼液液面上升速度，不利于葉片完整充型。方案二如圖3示葉輪立澆，輪轂中孔堵去一半，在堵實的一端設置球形冒口節(jié)補縮，球形冒口節(jié)上下連接直澆道補縮葉輪左蓋板，在空出的一端設置補縮環(huán)補縮葉輪右蓋板，左、右蓋板的澆冒口由頂部橫澆道連接，橫澆道中間設置有澆口杯，兩邊分別設置有排氣冒口。澆注時兩邊同時進鋼液，鋼液液面上升速度快，利于葉片完整充型，澆注時氣體可以從兩邊的排氣冒口排出。缺點是工藝出品率較方案一偏低。
2.2 MAGMA模擬軟件的應用
運用德國MAGMA模擬軟件，對雙吸葉輪鑄件進行充型、凝固過程的數(shù)值模擬，能直觀鋼液充型、凝固過程和結(jié)果，有效預報縮孔、縮松、冷隔、氣孔等缺陷。兩種方案的模擬邊界條件設置相同，型殼澆注溫度：850℃、型殼厚度：15mm，澆注速度：8kg/s，鋼液澆注溫度：1560℃。圖4為工藝方案一充型過程模擬的截圖，圖5工藝方案二充型過程模擬的截圖，圖6為兩種工藝凝固過程模擬的截圖。
圖4、圖5中t表示澆注時間，P表示某時間內(nèi)已澆注鋼液體積占總體積的百分比，圖4 、圖5 (d)灰色條表示液面上升速度。對比兩種充型方案可以看出：方案一鋼液底注充型平穩(wěn)，澆注第一股鋼液首先充滿底部橫澆道，底部橫澆道對鋼液起到了緩沖的作用，放慢了鋼液的流動速度，加之葉輪蓋板水平大平面的存在，鋼液攤鋪面積大，鋼液液面上升速度緩慢，容易造成葉片冷隔、澆不足缺陷。方案二鋼液充型初期補縮環(huán)澆口處局部存在少量紊流卷氣，卷氣可以通過頂部的排氣冒口排出，不會存留的鑄件上，澆注時兩邊同時進鋼液，鋼液迅速流進葉輪型腔完成葉片充型，不會造成葉片冷隔、澆不足缺陷。
圖6 (c)灰色條表示可能出現(xiàn)縮松、縮孔的百分率。凝固過程模擬結(jié)果顯示：方案一輪轂中心、葉輪蓋板與葉片連接位置、口環(huán)R弧根部有可能會出現(xiàn)縮松缺陷；方案二葉輪蓋板與葉片連接位置、口環(huán)R弧根部有可能會出現(xiàn)縮松缺陷，輪轂中心模擬合格?？傮w來講，方案一、方案二葉輪鑄件本體出現(xiàn)縮松的概率都不大，縮松面積也很小。
2.3 樣品試制生產(chǎn)
樣品試制生產(chǎn)4件，其中方案一、方案二各生產(chǎn)2件，型殼澆注溫度控制在800-900℃，鋼液澆注溫度控制在1550-1570℃，采用搖包快速澆注，保證總充型時間在11-15s。方案一2件下箱葉片進水口處均有冷隔、澆不足缺陷，上箱葉片無缺陷，葉輪輪轂澆口根部、葉輪兩蓋板澆口根部無縮松、縮孔缺陷，解剖檢測1件發(fā)現(xiàn)輪轂中心位置有輕微縮松缺陷，但輪轂中孔粗加工后PT檢測未發(fā)現(xiàn)縮松跡象；方案二2件葉輪葉片充型完整，葉片無任何冷隔、澆不足缺陷，但輪轂孔處均有縮松缺陷，并且縮松比較嚴重，清砂后即可看到，用廢鐵絲搗縮松部位深度約30-50mm，輪轂中孔粗加工后縮松依然存在。
實際生產(chǎn)與MAGMA充型模擬基本吻合、與MAGMA凝固模擬有出入。凝固模擬時兩種方案鑄件本體出現(xiàn)縮松的可能性均很小，方案二凝固模擬輪轂合格無縮松，但實際生產(chǎn)時方案二輪轂中孔處縮松嚴重。分析認為：方案一葉片冷隔正如MAGMA充型模擬所示，系底部橫澆道對鋼液起到了緩沖的作用，降低了鋼液的流動速度，葉輪蓋板平面大，鋼液攤鋪面積大，鋼液液面上升速度緩慢造成。方案二輪轂中孔縮松嚴重系實際生產(chǎn)工藝參數(shù)與凝固模擬設置工藝參數(shù)不符造成，凝固模擬時設置型殼厚度為15mm，但實際生產(chǎn)時型殼內(nèi)腔殼層間相互粘接，輪轂中孔已完全涂實，此部位的型殼厚度已經(jīng)遠大于15mm，澆注后輪轂中孔散熱緩慢、過熱形成縮松缺陷。兩種方案葉輪口環(huán)R弧根部均無縮松缺陷，比MAGMA凝固模擬的結(jié)果還要好，這一方面與所加的成型補貼有很大關(guān)系，成型補貼是一直加到葉片與蓋板連接處的，有效保證了蓋板鑄件向著澆口方向的順序凝固；另一方面與熔煉澆注型殼溫度控制較高，達800-900℃，延長了澆冒口系統(tǒng)的補縮距離，更有利于澆冒口系統(tǒng)對此部位的凝固補縮。實踐證明：由于合理設計了排氣冒口，可以保證澆注過程中型殼殼腔始終與大氣保持連通，即使方案二鋼液充型初期局部存在有少量紊流卷氣，也可以完全通過頂部的排氣冒口排出，不會存留的鑄件上。
對比兩種工藝方案，方案二葉片充型完好，只是在輪轂中孔處存在縮松缺陷，若能改善此位置型殼散熱條件，保證葉輪輪轂中孔不縮松，則方案二更適合于雙吸葉輪精鑄件的鑄造生產(chǎn)。
3 內(nèi)冷鐵技術(shù)在精鑄生產(chǎn)中的應用與改進
3.1 內(nèi)冷鐵技術(shù)在精鑄生產(chǎn)中的應用
把冷鐵插入鑄件型殼型腔、加快鑄件局部熱節(jié)快速冷卻，可以有效解決方案二中葉輪輪轂孔縮松缺陷。具體實施如下：根據(jù)雙吸葉輪輪轂熱節(jié)圓直徑及不堵孔深度確定內(nèi)冷鐵的直徑及長度，內(nèi)冷鐵的直徑等于葉輪輪轂熱節(jié)圓直徑的一半，長度等于葉輪輪轂不堵孔深度、冷鐵座長度及冷鐵座翻邊長度三者之和。冷鐵形狀如圖4，其一端設計有冷鐵翻邊，冷鐵翻邊長度為15-20mm以保證插冷鐵操作方便。冷鐵座的長度為20-25mm，冷鐵座翻邊長度為10mm，冷鐵座直徑比冷鐵直徑大1mm，冷鐵座翻邊直徑比冷鐵翻邊直徑大2-3mm，這樣既能保證冷鐵與冷鐵座之間的配合定位準確，又能為冷鐵翻邊與冷鐵座翻邊之間空出間隙方便膠合劑粘接固定。冷鐵座可以開出專用模具打制蠟模，組樹時粘接在葉輪輪轂澆口對面，亦可直接在葉輪輪轂模具中帶出來，制殼操作時將冷鐵座翻邊端面每層抹去，脫蠟后即形成相應冷鐵座空腔，澆注前在冷鐵翻邊圓周及配合端面處涂上一層膠合劑，然后迅速插入冷鐵并壓合緊密，保證冷鐵與型殼之間具有足夠的粘合強度。圖5為內(nèi)冷鐵插入過程示意，圖6為內(nèi)冷鐵插入后圖示。實踐證明：其冷卻效果確實很好，有效保證了葉輪輪轂向著澆冒口方向的順序凝固，徹底去除了因型殼過熱造成的輪轂孔縮松缺陷。
3.2 內(nèi)冷鐵技術(shù)的改進與創(chuàng)新
精鑄用內(nèi)冷鐵固然很好，但在批量生產(chǎn)的時候發(fā)現(xiàn)它也有自身的缺點：內(nèi)冷鐵不可回用，每澆注一個葉輪型殼就要消耗掉一個內(nèi)冷鐵，并且澆注后內(nèi)冷鐵都直接由機械加工成鐵屑了，給加工工序帶來了很大的工作量，增加了鑄造、加工生產(chǎn)成本。
方案二中葉輪輪轂孔縮松主要是因為型殼過熱造成的，如何解決輪轂孔型殼過熱是解決輪轂孔縮松缺陷的關(guān)鍵。我們對內(nèi)冷鐵方案作了改進，將內(nèi)冷鐵替換為用制殼耐火材料制成的成型堵頭，成型堵頭的尺寸完全按照內(nèi)冷鐵的尺寸復制過來，冷鐵座的尺寸及制作步驟不變。成型堵頭需事先開出專用模具打制相應成型堵頭蠟模，一個葉輪模組需配備一個成型堵頭蠟模，制殼時成型堵頭蠟模只需對其內(nèi)腔進行沾漿撒砂，脫蠟后即形成相應的成型堵頭殼型，此成型堵頭殼型需事先焙燒充分并冷卻至室溫下備用，澆注前在成型堵頭殼型翻邊圓周及配合端面處涂上一層膠合劑，然后迅速插入冷型殼并壓合緊密，其操作步驟與內(nèi)冷鐵基本相似，圖7為操作步驟圖示。成型堵頭殼型可以起到類似內(nèi)冷鐵的冷卻效果，解決了輪轂中孔縮松缺陷，又可以減小加工工作量，降低葉輪加工成本。
4 結(jié)束語
采用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)不銹鋼雙吸葉輪鑄件，通過MAGMA模擬軟件對充型、凝固過程進行模擬，優(yōu)化工藝設計方案，葉輪立澆，采用大流量快速充型、兩邊同時進鋼液，保證型殼澆注溫度800-900℃，合理施放排氣冒口，運用金屬內(nèi)冷鐵技術(shù)、插入冷型殼技術(shù)等，有效解決了中心輪轂縮松、葉片冷隔鑄造缺陷。
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