挖泥船泥泵壳和泥泵衬板的抗磨修复

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1、挖泥船泥泵壳和泥泵衬板的抗磨修复 某航道分局有龙浚10号和龙浚l7号两艘大型绞吸式挖泥船，每年这两艘挖泥船都承担着繁重的挖泥疏浚任务。绞吸式挖泥船的泥泵壳和泥泵衬板是磨蚀最严重的过流部件，因此泥泵壳和衬板的磨蚀修复任务是十分艰巨的。采用高铬铸铁衬块组合镶衬的办法来修复磨损的泥泵壳和衬板，取得了比较理想的效果。 (1)泥泵壳和衬板工况及磨损形态的分析1 龙浚10号和龙浚17号挖泥船的泥泵均为大功率大直径离心式泥泵。以龙浚10号挖泥船为例，该挖泥船的泥泵壳直径为280m，额定工作转速为340rmin，额定工作流量为5500m3h，额定轴功率为1700马力，在这种条件下工作的泥泵壳和衬板要经受大量的

2、泥沙冲击磨蚀。泥泵壳的内壁式流道的边界直接承受叶轮片抛出的砂石流的冲击及高速流动的水砂石流冲刷，泥泵壳内壁磨蚀后往往呈波浪状，在出口处的舌部泵壳两侧止口部位磨损最严重，泥泵壳一般在此处因为磨穿而失效报废，通过观察，发现泥泵壳的磨损方式，一是磨料冲蚀磨损，二是冲击造成的应力磨损。衬板的磨损方式主要是磨料冲蚀磨损，磨损的部位在衬板的外圆周上，泥泵壳和衬板的磨损形态见。 (2)对泥泵壳和衬板的修复方法 结构 a衬板的结构 整体铸造式衬板的制造工艺复杂，要靠机械加工保证尺寸精度，机械加工又限制了材料的硬度。同时由于衬板的实际磨损部位集中于衬板外缘的一个环带内，分布较窄，使得整铸式衬板的大部分材料发挥不

3、了抗磨作用。 根据对泥泵衬板磨损特点的观察和分析，决定采用对衬板磨损组合镶衬的块式结构，在原来钢衬板的外缘部位车出宽8090mm、深20-22mm的平口环带，在此平口环带内镶上厚20mm、宽80-90mm的扇形带定位螺栓孑L衬块，衬块为抗磨材料制成，并在衬板前后端盖的相应位置钻出定位螺栓孔并套出螺扣，用内六角螺栓将扇形衬板块与该前后端盖连接固定。扇形衬板块12等分，由于将易磨损部位的圆周等分成为l2块衬块，整个镶衬部位的平面误差只由平面误差度最大的一块衬块所决定，同时由于衬板块面积小，不但容易铸造，而且热处理、修整、安装都很方便。实践证明，泥泵衬板的组合式衬块结构，在最简单的工艺条件下，保证了

4、衬板足够的尺寸精度和形状精度，节省了大量的耐磨材料，降低了修理费用，采用衬板块的形式组合镶衬修复泥泵衬板是简便高效和节省费用的修复方法。 b泥泵壳的镶衬结构 泥泵壳的内壁为近似的阿基米德螺线蜗壳型，由八段圆弧拼成，泵壳厚80mm，局部磨穿时平均减薄为40mm，泵壳的流道形状直接影响泥泵的流量、扬程动力消耗和泥泵的效率。 最初的泥泵壳镶衬式采用分段镶衬的办法，由于受到传统造型方法“起模”工艺的限制，不得不将螺线型蜗壳改为一段直线蜗壳近似代替，经过使用后，发现每块衬板的直线底部前部都出现很严重的磨损凹坑，说明水砂石流在泵壳内流动时，由于受到折线的影响，呈冲击跳跃状态，不但使泵壳的能耗增加，也加剧了

5、泵衬的磨损。为了解决这一问题，决定采用泵壳的原始设计流道作为泵衬的流道，这样就必须解决两个问题，一是泵壳衬块的铸造工艺必须设计新工艺；二是泵壳内进出口部位磨损较小，限制了衬块的必要厚度。为了解决上述问题，试验了多种方案，经过反复比较，决定采用流道全界面分段衬块的结构形式，通过对衬块结构要素的动态分析，解决了复杂曲面铸件的造型问题，设计了十分简易灵活且又相当精确的铸造泵壳衬块的样板刮板组合模，应用此项技术既解决了泥泵衬块螺旋蜗壳的准确造型，又降低了模型费用，也使衬块的修整和安装变得简便易行。第一个泵壳试验成功以后，在第二个泵壳衬块的结构上进行了改进，发现泵壳的各部位磨损量相差很大，因此衬块的厚度

6、应与该部位的磨损量相适应，为此，把衬块依不同部位的磨损情况制成不同的厚度，一起达到各部位的抗磨寿命相等，最大限度地发挥泵壳镶衬的目的，提高泵壳的抗磨性能。由于采用了刮板式组合模，需要调整不同位置衬块的厚度，只要改变一下刮板就可以实现。 材料的确定 高铬铸铁具有较高的硬度和抗磨性能，在退火后还可以对其进行修磨，根据泥泵壳和衬板对硬度、韧性的不同要求，对泥泵壳衬块和衬板块采用的材料也有所不同。 衬板块：由于衬板不受冲击，仅受湿态磨料磨损，所选材质应具备在湿态下磨料磨损的高抗磨性能。为此，采用Cr15M02Cul铸铁为基本材料，适当提高碳的含量，控制Si、Mn的含量，在工艺上采取高温熔炼、炉内镇静、

7、大剂量稀土合金处理、低温浇注等方法，制成铸件，经整修热处理得到成品，其硬度达到62HRC以上，冲击韧性=4Jcm2，不应有金属夹杂物。 泵壳衬块：泵壳衬块在工作中主要是受到冲击磨损，要求具有较高的抗冲击韧性和抗磨损性能，但是两方面的要求指标往往是相互矛盾的，正确地选择材料的硬度和韧性指标是确定衬板块材料的关键，根据衬板块在使用中断裂时的减薄情况以及正常工作时泵壳衬块可能受到的最大冲击，在保证衬块至少工作一个航期的抗磨条件下，确定允许断裂厚度为10mm，这样经过计算后得到的nK一38Jcm2，考虑到铸造缺陷和意外情况，实际取口K=4.3Jcm2，这时硬度控制在58HRC。主要材料成分为()：C=

8、2.4=2.50；Si=0.40.6；Mn=1.01.2；Cr=12.513.5；M0=1.21.5；Cu=1.0。 合金元素对高铬铸铁性能的影响：合金成分的选择是铸钢铸铁的各项性能的基础，合理地选择各种合金元素的配比是保证衬块耐磨性能和强韧性的必要条件。 碳元素：碳是高铬铸铁中最重要的元素，对高铬铸铁基体的硬度和耐磨性等综合性能以及淬透性都有较大的影响，随着含碳量的增加，淬硬态马氏体的硬度提高，宏观硬度增加，耐磨性提高，而韧性下降，保证高铬铸铁具有良好的综合性能，碳的含量在2.63.2之间。 铬、锰元素：铬、锰元素的主要作用是提高高铬铸铁的淬透性，以提高奥氏体化温度，延长保温时间，保证使碳化

9、物溶解和奥氏体均匀化，从而保证提高基体的淬透性。铬主要是碳化物的形成元素，铬含量超过l2以后，则全部生成(7+M7 c3)共晶，而M7 C3使碳化物分散呈杆条状，呈理想的碳化物形态，铬的含量为l2l35，锰的作用是显著扩大奥氏体区，从而提高淬透性，降低Ms点，增加奥氏体的稳定性。锰是保证铸态自硬化的主要元素，与硅配合能提高材质的强度、硬度，保证有较高的冲击韧性，其含量应小于2。 硅元素：硅的主要作用是抑制马氏体回火时碳化物向渗碳体的转变，阻碍马氏体的分解，推迟第一类回火脆性的发生，提高回火温度，以获得较好的强韧性。但硅的含量太高可以引起晶格发生畸变，使脆性增加产生不好的作用，固硅的含量应控制在

10、2以内。 钼元素：钼元素可以掇大地=j继避；譬夥成；使韧性炎幅度地提高，钼元素在降低碳化物硬度的同时，提高了基体的硬度，两者相互作用形成宏观韧性的提高，硬度变化较小。钼可以提高淬透性和回火稳定性，改善韧性，但钼的价格昂贵，成本高，一般不加或少加。由于选择了以上各种合金元素并对其进行合理的配比，同时对铸造衬块进行适当的热处理，使铸造衬块具有了较好的性能。实际使用效果也证明，佳木斯工学院星火铸造技术研究所研制的高铬铸铁是一种修复泥泵壳和泥泵衬板的理想耐磨材料。 (3)铸造工艺 合金的熔炼：熔炼设备为1 50k9中频炉，石英砂酸性炉衬。事先计算好所需要的各种炉料，在熔炼过程中首先化清钢铁原料，然后加

11、入硅铁、锰铁，提高炉温至14001450时加入铬铁，待炉温升高到l4301460。C时加入Cu和稀土合金，降低功率，进行炉内镇静，出炉温度不应低于l400。 砂型(芯) 高铬衬块的砂型可用潮模砂造型制芯，为了提高衬块工作面的平整度，可以将砂芯经过烘干或表面烘干，这样可以提高衬块表面的质量。砂型制作过程中要注意以下几个问题。 a要保证砂芯有足够的密实度，否则浇铸后会发生型腔移动，尤其是使用潮砂芯时，更应该注意这一点。 b安装木模时，应注意定位准确，防止产生变形。 c下芯时要注意检验型腔尺寸，避免产生误差。 d衬块开口部位要制出拉筋，以防止衬块变形。 衬块的浇铸 高铬铸铁的结晶区间较宽，体积收缩较

12、大，所以容易形成缩松和缩孔，在浇铸系统的设计上就必须为造成顺序凝固创造条件，比如使用喇叭口形的大浇口杯，以利于浮渣和增大浇铸速度，特别是在采取较低的浇铸温度时，应适当加快浇铸速度。浇铸系统应设计为封闭式，这样可以防止氧化夹渣，合理地设计出气冒口，使钢液流畅，内浇口开在上部，并且最高位置设置部缩冒口，型腔浇满后，应注意向冒口内补加铁水。 修磨 在泥泵上装配后的泵衬和衬板，其各块衬板间的间隙的大小对泥泵的使用时间有显著的影响，衬块之间的间隙越小，结合面越平整，衬块的耐磨损性能越好，泥泵的使用时间就越长，为了使衬块之间的间隙尽可能得小，衬块结合面尽可能得平整，应对衬块进行修磨，根据经验修磨应分两次进

13、行，即分为粗修磨和精修磨，粗修磨应在铸态下进行，因为此时的衬块硬度不高47-48 HRC，比较容易修磨，采用砂轮即可以完成。热处理后进行精修磨，以进一步减小衬块之间的间隙，精修磨后衬块的间隙，泵壳衬块的底部间隙应小于2mm，口部应小于3mm。 热处理 热处理用箱式电炉加热，960980，保温2h，空冷至200以下，加热280-300保温后随炉冷至100以下。 安装 泵壳衬块的安装从泥泵的出口开始分别依次将两侧铸块、衬块装入泵壳，对于衬块结合面间隙超过要求的，要进行修磨，保证衬块结合面的间隙控制在要求的范围以内，衬块要注意对正泵的端盖止口，直至装入封闭块，各块应严格挤压，装妥后要对衬块的止口突出

14、部分进行检验性修磨，避免衬块的止口高出泵壳的止口，防止在安装泥泵时端盖挤坏衬块，最后在泥泵壳与衬块之间灌入水泥砂浆进行封闭。 衬板块的安装 首先对衬块进行修磨研配，保证结合面的间隙和与泵壳止口的间隙，安装螺栓紧固，最后用一块衬块作为调整块以调整全部衬块的尺寸差。在衬板块的螺栓孔和衬板块周围的间隙处用树脂胶与铁粉的混合物填充，以增强衬板块的耐磨性能。 (4)经济效益 按照以上方案，在龙浚l0号和龙浚l7号两艘挖泥船上进行了泵壳和衬板的抗磨镶衬，经过实际挖泥施工的检验，取得了较好的经济效益。 衬板(以龙浚10号为例)：进口原装衬板每副4000元，每航季需要更换710次，每航季比价为28万4万元，使

15、用分块式衬板块每副10000元，平均使用三个航季，航季比价为3300元。同时节省修理时间，提高了挖泥船的正常施工时间，平均节省修理时间三分之一以上。 、 泥泵壳(以龙浚10号为例)：泥泵壳实测使用寿命为43航季，价格为45万元，航季比价为3.7万元，原泵壳每件9万元，使用1个航季，航季比价9万元。使用镶衬时泵壳每航季可节约53万元。 (5)小结在提高挖泥船泥泵的抗磨性能工作中，主要解决了以下问题。 采用了分块式边缘镶衬法代替整抗磨端盖衬板，不但降低了制造成本，而且可以充分保证其安装精度和抗磨性，最大限度地发挥了材料的作用，并可分块更换衬板块，延长了衬板的整体使用寿命。 设计样板一刮板组合模，解

16、决了复杂曲面铸件的造型问题，极大地降低了模型的制造费用，也使衬块的修改变得简便易行。 运用封闭平行衬块解决衬块的固定问题，使全部衬块(26块或34块)无一块需要焊接或铸入钢质连接件，封闭平行衬块在安装时，可保证衬块间充分拉紧与固定。 根据不同的磨损方式使用不同性能的材料，使高铬铸铁的性能与其工作的条件相适应，使端盖衬板、泵壳衬块达到了安全工作条件下的高抗磨性。 此项工作表明以下方面。 在冲蚀和磨料复合磨损条件下，材料的抗磨性能除了受材料的硬度和韧性影响外，主要决定于材料的耐腐蚀性能，而相问电位的高低又起着关键作用，泥泵过流元件耐磨衬板的材料也需从上述两个方面寻求提高抗磨性能的方法，研制新的合金成分，研究某些元素对材料抗蚀性能的影响，把衬板的工作寿命再进一步提高。 进一步改进衬板块的结构，使其更大限度地发挥作用，端盖衬板的宽度可以进一步缩小，与端盖的连接可以采用插入式连接，使衬板更换更简单方便，泵壳衬板需要解决的两个主要问题，一是如何实现单块更换，二是如何防止由单块衬块断裂引起的泵衬整体脱落，这样就可以实现衬板块一直使用到相当薄的程度而不发生断裂脱落的目的。 在衬板块的制造工艺上，采用双金属复合铸造法可以最大限度地发挥抗磨材料的作用，初步试验表明，高铬铸铁与低碳钢的复合铸造在一定条件下是可行的，在这方面需要进一步研究的是综合经济效益、最佳的复合工艺以及复合件的结构。