烟台恒邦泵业有限公司 烟台 264100
摘要：本文分析了高硅铸铁泵在泵结构方面的改进设计和生产工艺方面的改进措施，改进后的高硅铸铁泵结构合理，有效地克服了高硅铸铁零件在生产过程中易产生的气孔、缩松等铸造缺陷问题，取得了良好的经济效益。
关键词：高硅铸铁泵；泵结构；生产工艺；气孔；缩松
引言
烟台恒邦泵业有限公司是我国生产高硅铸铁泵和零件的专业厂家，生产出来的高硅铸铁泵和零件，在全国的浓硝酸生产企业中得到了广泛的应用。高硅铸铁泵件在铸造过程中易产生气孔、缩松，在湿空气中长期存放易产生锈蚀，在加工过程中具有韧性低、硬度高，易碎裂等特点。针对高硅铸铁泵件的这些特点，如何改进和提高高硅铸铁泵件的内外在质量，是提高企业经济效益的关键。
烟台恒邦泵业有限公司经过很长一个时期的探索和深入细致的研究，制定出了一套完整的行之有效的技术文件和工艺文件，使高硅铸铁泵件的机械性能和物理性能得到了进一步的提高，保证了高硅铸铁泵件的质量。
一、高硅铸铁材质及性能特点的概述
1.1 硅的质量分数在10%~18%之间的Fe-Si-C铸造合金称为高硅铸铁。高硅铸铁硬而脆，力学性能较低，但耐腐蚀性很好，在强酸等许多腐蚀性介质中表面都能形成一层致密的二氧化硅保护膜，使金属基体不受腐蚀。
1.2 高硅铸铁的化学成份、力学性能
（1）化学成份
（2） 力学性能
（3） 物理性能
二、高硅铸铁泵件生产工艺的改进：
我们在高硅铸铁泵件的生产过程中发现以下问题：（1）铸件易产生气孔、缩松，（2）铸件在湿空气中长期存放易产生锈蚀，（3）高硅铸铁材料韧性低、硬度高，易碎裂。分析以上问题，我们认为：高硅铸铁材料含气量大，在浇注过程中，易吸气使铸件易于形成气孔，高硅铸铁的粥状凝固方式，使铸件难于补缩，造成了铸件的缩松，铁水净化处理不良，铁水中含有过量FeO，使铸件易于锈蚀，铸造应力过大，而又没有有效的消除，η相产生的过多，使铸件开裂，针对上述分析原因，我们采取了如下工艺错施：
2.1熔炼工艺
2.1.1 3T/h冷风冲天炉一次合料
充分利用冲天炉熔化效率高的优点，将电机生产中冲裁下来的硅钢片余料、硅铁合金等金属材料熔铸成适当大小的一次高硅合金锭。在一次合料过程中，严格原材料的把关，严禁锈蚀严重的原材料进入炉内，同时使用冷风，以减少炉料在冲天炉内的氧化和烧损，从而使一次高硅合金锭中FeO的含量最低；保证一次高硅合金锭的化学成份达到下列要求：
2.1.2 0.5T中频感应电炉二次合料
将一次高硅合金锭在0.5T中频感应电炉二次熔炼。在二次熔炼过程中，采用氧化性溶剂覆盖铁液，使炉料在氧化性溶剂覆盖下熔化，强烈的氧化作用使铁水中溶解的氢气被氧化，从而消除氢针孔，同时在熔炼后期，扒除氧化渣，再造还原渣，使一次高硅合金中含有的少量FeO被还原。其反应式如下：Si+2FeO=2Fe+SiO2。SiO2及其它有害杂质进入炉渣，得以排除，从而净化铁水，达到熔铸铸件的要求，浇注成二次高硅合金锭。
2.1.3 0.5T中频感应电炉熔炼
将二次高硅合金锭在0.5T中频感应电炉中重新熔化，再造氧化渣和还原渣，进一步排除铁水中溶解的氧和氢等有害气体。加强炉前分析，采用光谱和碳硫分析仪配合使用，确保铁水化学成分的调整快速、准确、稳定。
2..2 铸造工艺
2.2.1 造型工艺
采用粘土煤粉砂潮型工艺，严格控制型砂的水分、透气性、退让性，准确掌握铸型的紧实度。对重要部件，由木模改为金属模，以保证铸件尺寸的准确和表面质量。浇注后采用特殊的工艺措施，以消除防碍铸件自由收缩的不利因素，有效地降低了铸件冷却过程中的机械阻力，大幅度降低了铸造应力。
2.2.2 铸造工艺设计
针对铸件的结构和合金的性能特点，采用1.5～2％的收缩尺，合理的设计浇注系统，只设立出气冒口，以保证铸型型腔的透气性，防止增加铸件冷却过程中的机械阻力。由于此类合金的粥状凝固方式，使铸件难于补缩，因此采用合理的冷铁工艺，以达到同时凝固。不设立补缩冒口。
浇注工艺
严格控制浇注温度，浇注温度一般在1260±50℃，过高的浇注温度会产生较大的铸造应力。采用底注式浇注系统浇注，以减少铁水在浇注过程中的吸气和形成SiO2夹渣。通过出气冒口溢流出开始浇注时进入铸型中含气较多的头部铁液，一方面均匀铸件温度，减少铸造应力，另一方面减少铸件形成气孔。
2.2.4 热处理
铸件在红热状态下（浇注后10～30min 温度在700～800℃）打箱，并迅速地排除一切阻碍铸件自由收缩的机械阻力，清除浇冒口，然后将红热铸件直接装入高于600℃的预先加热的热处理炉内，随即缓慢加热到750～850℃（升温速度≤45℃/h），根据铸件结构尺寸、壁厚，在该温度范围内保温2～4小时，随炉缓慢冷却，待炉温降至80℃以下时出炉。
3、工艺改进后的铸件质量及使用情况
生产实践证明，改进后的高硅铸铁泵件的铸造工艺合理，有效地克服了高硅铸铁泵件在生产过程中易产生的问题，铁水收得率在80％以上，铸件成品率在83％左右，铸件的内外在质量达到了GB8491-2009《高硅耐蚀铸铁件技术条件》的国家标准要求，取得了良好的经济效益。
三、高硅铸铁泵的结构改进
改进后的泵结构图如下：
1.叶轮螺母 2.定位销 3.蜗壳 4.叶轮 5.泵盖 6.分半法兰 7.机械密封部件 8悬架（自然散热、风冷和水冷）9.冷却水系统 10轴承润滑为自润滑形式
3.1 泵体
泵体采用夹板式法兰结构，加固高硅铸铁泵体，连接轴承箱体，并支撑整台泵，整台泵的重量有泵体夹板承受，轴承悬架为悬空式不承受任何支撑。泵体采用侧出口形式，有利于颗粒性介质的通过。此外增设了加长联轴器（即在泵轴和电机轴端的加长联轴器）。故只要卸下连接泵体和加板的螺栓，叶轮、泵盖和悬架等零件就可以一起从泵体内拆出，这样检修时就不需拆卸吸入管线和压出管路也不需移动泵体和动力机，只需拆下加长联轴器的中间连接件，即可拆出转子部件（也可以整体更换泵头）。
3.2 叶轮
在传统叶轮形式基础上，改进叶轮结构形式如下图所示，闭式叶轮的效率较高，采用闭式叶轮产生的轴向力小，并且可在前后盖板上均匀设置背叶片，使进口泄漏及密封处磨损都会减轻。后盖板设置背叶片其作用有两个：一是当泵在运转时防止污物进入轴封而引起剧烈的磨损，可以起保护轴封的作用：二是平衡泵的轴向力。当然副叶片也会消耗一定的输入功率，但实验表明效率几乎不变。在满足含有固体粒径（颗粒含量≦30%）的各种介质提高叶轮使用寿命，叶轮采用更耐磨耐腐蚀，且耐高温的SiC+SiN材质。
3.3悬架部件
悬架部件采用AY型离心油泵的悬架系列，悬架体可选用自然散热、风冷和水冷三种形式，不同形式的悬架部件配不同工况液体温度；轴承采用单列径向轴承与背靠背安装的角接触球轴承，承受残余轴向力，轴承能力大。设计寿命长（＞25000小时），轴承润滑为自润滑形式（甩油环供油）。
泵的过流部件均为高硅铸铁材质，高硅铸铁的共同特性是具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损、耐腐蚀及化学稳定性好等，装拆泵时应仔细，不许动用手锤、铁器等敲击，以免损坏零件。
在泵装配过程中应注意叶轮副叶片与泵盖及泵体之间的间隙，前后副叶片间隙应保证在2mm。如果总间隙大于2mm，切割泵盖的厚度保证总间隙在2mm，通过调整螺母调节前后背叶片间隙均匀。
四、结论
改进结构后的高硅铸铁泵，能输送含有固体粒径（颗粒含量≦30%）及温度250℃以上的各种介质。高硅铸铁泵拥有合理的价格，良好的耐蚀性能等特点，可部分代替浓硝酸生产中的不锈钢设备，是强氧化性介质浓硝酸的理想用材，必将得到更加深入的开发和更加广泛的应用。
参考文献：
［1］GB/T 8491-2009 《高硅耐蚀铸铁件》 中华人民共和国国家标准 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 2009-04-01发布。
［2］ 《铸造手册》 第1卷 铸铁 第2版 中国机械工程学会铸造分会 编 机械工业出版社 2006-1 出版。
论文作者:张启龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/5
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