Im Bereich des Flüssigkeitstransports werden mehrstufige Pumpen aufgrund ihrer zentralen Vorteile wie hoher Förderhöhe und hohem Durchfluss häufig in wichtigen Industriezweigen wie der Petrochemie, Wasserwirtschaft, Energiewirtschaft und dem Bergbau eingesetzt. Als zentrales drucktragendes Bauteil und Flüssigkeitskanalträger von mehrstufigen Pumpen bestimmen die strukturelle Integrität, Maßgenauigkeit und Materialeigenschaften des Pumpenkörpers direkt die Betriebseffizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Pumpenaggregats. Das Gießverfahren, das gängige technische Verfahren zur Herstellung von Pumpenkörpern, erfordert eine präzise Kontrolle des gesamten Prozesses, einschließlich Materialauswahl, Formkonstruktion, Schmelzen und Gießen, Wärmebehandlung und anschließender Prüfung, um die strengen Anforderungen mehrstufiger Pumpen unter komplexen Betriebsbedingungen zu erfüllen.
I. Materialauswahl für den Guss des Pumpenkörpers mehrstufiger Pumpen: Die Kernvoraussetzung für die Erfüllung der Anforderungen an die Arbeitsbedingungen
Die Arbeitsumgebung des Pumpenkörpers einer mehrstufigen Pumpe ist häufig von hohem Druck, schneller Flüssigkeitserosion, mittlerer Korrosion (wie Säure- und Laugenlösungen, Flüssigkeiten mit Feststoffpartikeln) und periodischen Temperaturschwankungen geprägt. Daher müssen bei der Materialauswahl drei Kernindikatoren berücksichtigt werden: mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Prozessanpassungsfähigkeit, um Fehler wie Rissbildung, Verschleiß oder Leckagen des Pumpenkörpers aufgrund einer falschen Materialauswahl zu vermeiden.
Aus Sicht der industriellen Anwendungspraxis wird Grauguss aufgrund seiner hervorragenden Gusseigenschaften, Stoßdämpfung und Kostenvorteile am häufigsten in mehrstufigen Pumpen zur Förderung von sauberem Wasser und Niedertemperatur- und Niederdruckmedien verwendet. Unter diesen Werkstoffen erfüllen HT250 und HT300 mit Zugfestigkeiten von bis zu 250 MPa bzw. 300 MPa die Anforderungen der meisten zivilen und leichtindustriellen Szenarien. Für mehrstufige Industriepumpen zur Förderung von Hochtemperatur- (über 200 °C) und Hochdruckmedien (über 10 MPa) wie Dampfkondensat und heißem Öl ist Sphäroguss jedoch die bessere Wahl. QT450-10 und QT500-7 haben nicht nur eine Festigkeit, die der von Stahl nahekommt, sondern ihre sphärische Graphitstruktur verbessert auch die Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit des Materials erheblich und widersteht effektiv den periodischen Belastungen durch Flüssigkeitspulsation.
Unter korrosiven Arbeitsbedingungen ist der Einsatz spezieller Legierungen unerlässlich. Beim Transport stark korrosiver Medien mit Chloridionen, Sulfiden usw. erreichen die Edelstähle 304 und 316L dank der Passivschicht aus Chrom- und Nickelelementen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. 316L weist mit Molybdänzusatz eine deutlich bessere Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion als 304 auf und eignet sich für Anwendungen in der chemischen Industrie, der Meerwasserentsalzung usw. In Umgebungen mit hochkonzentrierten Säuren und Laugen vereint Duplex-Edelstahl (z. B. 2205) mit seiner Zweiphasenstruktur aus Ferrit und Austenit hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und erfüllt die Anforderungen an einen langfristig stabilen Betrieb von Pumpengehäusen unter extremen Bedingungen.
II. Gussformdesign: Der grundlegende Schritt zur Gewährleistung der strukturellen Genauigkeit des Pumpenkörpers
Der Aufbau einer mehrstufigen Pumpe ist komplex und umfasst mehrere in Reihe geschaltete Strömungskanäle, Laufradhohlräume und Dichtflächen im Inneren. Die Strömungskanäle der verschiedenen Stufen müssen koaxial und rechtwinklig zueinander ausgerichtet sein. Andernfalls entstehen Wirbel im Pumpenkörper, die hydraulische Verluste erhöhen und sogar zu Vibrationen des Pumpenkörpers führen. Daher sollte die Konstruktion der Gussform darauf abzielen, die Struktur präzise nachzubilden und den Füllvorgang zu optimieren. Dabei sollten die folgenden technischen Schwierigkeiten bewältigt werden.
Bei der Gestaltung der Formstruktur besteht der erste Schritt darin, die Trennfläche anhand des dreidimensionalen Modells des Pumpenkörpers zu planen. Dabei ist sicherzustellen, dass kritische Präzisionsbereiche wie Dichtflächen und Flanschverbindungen vermieden werden, um die Auswirkungen der Gratentfernung auf die Maßgenauigkeit zu minimieren. Für die komplexen internen Strömungskanäle des Pumpenkörpers wird ein Sandkern-Kombinationsverfahren angewendet. Der gesamte Strömungskanal wird in mehrere separat herstellbare Sandkerne (z. B. den Sandkern für den ersten und den zweiten Strömungskanal) unterteilt. Positionierstifte und -schlitze werden in die Sandkerne eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Koaxialitätsfehler des Strömungskanals nach der Montage innerhalb von 0,1 mm/m liegt. Gleichzeitig sollte die Form mit einem sinnvollen Anguss- und Steigrohrsystem konstruiert werden: Der Anguss sollte Spannungskonzentrationsbereiche des Pumpenkörpers (z. B. die Flanschwurzel) meiden. Ein Bodenanguss oder ein Stufenanguss sollte verwendet werden, um ein gleichmäßiges Füllen der Form durch das geschmolzene Metall zu gewährleisten und Einflüsse auf die Sandform zu vermeiden, die Sandeinschlüsse und Sandlöcher verursachen könnten. Die Steigrohre sollten an der dicksten Stelle der Pumpenkörperwand (wie etwa dem Pumpenkörperflansch und der Kreuzung der Strömungskanäle) angebracht werden, um durch die Zuführung entstehende Lunker und Porosität im Gussteil zu vermeiden und so die Dichte der kritischen Teile des Pumpenkörpers sicherzustellen.
Hinsichtlich der Auswahl des Formmaterials und der Kontrolle der Verarbeitungsgenauigkeit wird der Formkörper (wie Sandkasten und Formgrundplatte) üblicherweise durch Schweißen von Q235-Stahlplatten hergestellt. Seine Ebenheit muss durch Fräsen präzise auf 0,05 mm/m kontrolliert werden. Für die Herstellung von Sandkernen sollte das geeignete Verfahren basierend auf den Chargenanforderungen ausgewählt werden. Für die Kleinserienproduktion kann die manuelle Kernherstellung aus Harzsand eingesetzt werden, während für die Großserienproduktion Kernherstellungsverfahren im Heiß- oder Kaltkastenverfahren bevorzugt werden. Die Größentoleranz der Sandkerne sollte durch den Einsatz automatisierter Anlagen auf ±0,1 mm begrenzt sein. Zusätzlich müssen in der Form Abluftkanäle vorgesehen werden, um die Gase während des Metallfüllvorgangs schnell aus dem Hohlraum abzuführen und so Gaseinschlüsse und die Bildung von Porositätsdefekten zu verhindern. In der Regel sollte pro 100 cm² Sandformoberfläche eine Abluftöffnung mit einem Durchmesser von 2–3 mm vorgesehen werden. Die Abluftöffnungen sollten bis zur Oberfläche der Sandform reichen, um eine reibungslose Gasableitung zu gewährleisten.
III. Schmelz- und Gießprozess: Die entscheidenden Schritte zur Bestimmung der inneren Qualität des Pumpenkörpers
Die Qualität der Metallschmelze während des Schmelzens wirkt sich direkt auf die chemische Zusammensetzung, Reinheit und mechanischen Eigenschaften des Gussstücks aus, während der Gießvorgang bestimmt, ob die Metallschmelze den Formhohlraum vollständig ausfüllen kann. Zusammen bilden sie die innere Qualitätsschutzschicht des mehrstufigen Gusspumpenkörpers.
In der Schmelzphase müssen je nach Materialart differenzierte Schmelzprozessparameter formuliert werden. Für Stahlgussmaterialien werden typischerweise Mittelfrequenz-Induktionsöfen zum Schmelzen verwendet, wobei die Schmelztemperatur zwischen 1600 und 1660 °C liegen sollte. Gleichzeitig werden Legierungselemente wie Ferrosilizium und Ferromangan hinzugefügt, um die chemische Zusammensetzung anzupassen und so eine Zunahme der Sprödigkeit oder eine Abnahme der Festigkeit der Gussteile aufgrund von Zusammensetzungsschwankungen zu verhindern. Während des Schmelzprozesses sind außerdem Schlackenentfernungs- und Entgasungsbehandlungen erforderlich. Durch die Zugabe von Schlackenbildnern können Einschlüsse im geschmolzenen Metall adsorbiert werden.
Der Kern des Gießprozesses besteht in der Kontrolle von Gießtemperatur und -geschwindigkeit, um ein gleichmäßiges Einfüllen der Metallschmelze zu gewährleisten. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Edelstahl muss die Gießtemperatur auf 1550–1600 °C erhöht werden. Die Gießgeschwindigkeit sollte dynamisch an die Wandstärke des Pumpenkörpers angepasst werden. Bei dünnwandigen Bereichen mit einer Dicke von 5–10 mm sollte eine höhere Gießgeschwindigkeit (15–20 kg/s) gewählt werden, um ein vorzeitiges Erstarren der Metallschmelze während des Füllvorgangs zu verhindern. Bei dickwandigen Bereichen mit einer Dicke von über 30 mm sollte die Geschwindigkeit entsprechend reduziert werden (5–10 kg/s), um Gaseinschlüsse zu minimieren. Darüber hinaus sollte während des Gießprozesses der Flüssigkeitsstand der Metallschmelze stetig steigen, um Flussunterbrechungen zu vermeiden und sicherzustellen, dass alle Teile des Formhohlraums vollständig gefüllt werden.
IV. Wärmebehandlungsprozess: Ein notwendiges Mittel zur Optimierung der mechanischen Leistung von Pumpen
Nach dem Gießen weist der Pumpenkörper einer mehrstufigen Pumpe häufig Probleme wie innere Spannungskonzentrationen und eine ungleichmäßige Struktur auf. Wird keine Wärmebehandlung durchgeführt, beeinträchtigt dies nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Pumpenkörpers, sondern kann auch zu Verformungen oder Rissen durch Spannungsfreisetzung bei der nachfolgenden Verarbeitung oder Verwendung führen. Daher sollte ein wissenschaftlich fundierter Wärmebehandlungsprozess basierend auf Materialtyp und Leistungsanforderungen entwickelt werden, um das Ziel zu erreichen, innere Spannungen zu eliminieren, die Mikrostruktur zu optimieren und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Bei der Wärmebehandlung von Pumpengehäusen aus Edelstahl sollte auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften geachtet werden. Bei austenitischen Edelstählen wie 304 und 316L ist die Lösungsglühung der Kernprozess. Durch Erhitzen der Gussteile auf 1050–1100 °C, Halten für 1–2 Stunden und anschließendes schnelles Abschrecken in Wasser wird sichergestellt, dass sich Kohlenstoff vollständig in der austenitischen Matrix löst. Dies verhindert die Ausfällung von Karbiden an den Korngrenzen und erhält so die Korrosionsbeständigkeit des Materials. Für Duplex-Edelstahl 2205 ist ein Lösungsglüh- und Alterungsprozess erforderlich. Durch die Lösungsglühung kann eine gleichmäßige Duplexstruktur erzielt werden. Eine Alterungsbehandlung (Halten bei 450–550 °C für 2–3 Stunden) kann die Festigkeit durch Ausfällung intermetallischer Verbindungen weiter erhöhen und so den Anforderungen von Hochdruck-Arbeitsbedingungen gerecht werden.
V. Qualitätsprüfung und Fehlerbehebung: Die letzte Verteidigungslinie, um sicherzustellen, dass das Pumpengehäuse den Standards entspricht, bevor es das Werk verlässt
Als drucktragende Komponente kann der Pumpenkörper einer mehrstufigen Pumpe während des Betriebs zu Mediumleckagen und aufgrund von Qualitätsmängeln wie Rissen, Poren und Lunker sogar zu Sicherheitsunfällen führen. Daher sollte ein umfassendes Qualitätsprüfsystem eingerichtet werden, um Aussehen, Abmessungen und innere Qualität des Pumpenkörpers gründlich zu prüfen und bei erkannten qualifizierten Mängeln standardisierte Reparaturen durchzuführen.
Die Prüfung des Aussehens und der Abmessungen ist ein wesentlicher Schritt der Qualitätskontrolle. Für die Prüfung des Aussehens sollte eine Sichtprüfung in Kombination mit einer Eindringprüfung (PT) durchgeführt werden, um zu prüfen, ob die Oberfläche des Pumpenkörpers Risse, Sandlöcher, Schlackeneinschlüsse und andere Defekte aufweist. Die Eindringprüfung kann Oberflächenöffnungsdefekte mit einer Empfindlichkeit von bis zu 0,1 mm erkennen. Für die Maßprüfung sollte ein 3-Koordinatenmessgerät verwendet werden, um wichtige Abmessungen wie Flanschdurchmesser, Koaxialität des Strömungskanals und Ebenheit der Dichtfläche des Pumpenkörpers zu messen und sicherzustellen, dass die Maßtoleranzen den Konstruktionsanforderungen entsprechen.
Die interne Qualitätskontrolle ist entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb des Pumpenkörpers. Mittels Ultraschallprüfung (UT) lassen sich Volumendefekte wie Lunker und Porosität im Pumpenkörper erkennen. Dabei werden innere Defekte mit einer Tiefe von ≥ 2 mm erkannt, wobei der Erkennungsbereich die gesamte Dickenrichtung des Pumpenkörpers abdeckt. Für kritische Bereiche (wie die Flanschwurzel und die Kreuzungspunkte der Strömungskanäle) ist zusätzlich eine Röntgenprüfung (RT) erforderlich. Durch die Durchstrahlung des Gussteils und die Erstellung eines Bildes lassen sich lineare Defekte wie innere Risse und Einschlüsse präzise identifizieren und so sicherstellen, dass die innere Dichte des Pumpenkörpers den Standardanforderungen entspricht.
Bei kleineren Defekten, die bei der Inspektion festgestellt werden (wie Poren mit einem Durchmesser von ≤ 2 mm und Mikrorisse mit einer Länge von ≤ 5 mm), kann das Reparaturverfahren durch Punktschweißen angewendet werden, aber das Reparaturverfahren muss streng kontrolliert werden: Vor dem Punktschweißen sollte der defekte Bereich geschliffen und gereinigt werden, um die ursprüngliche Metallfarbe freizulegen; das Schweißmaterial sollte die gleiche Zusammensetzung wie das Material des Pumpenkörpers haben (z. B. sollten bei Pumpenkörpern aus Edelstahl Edelstahlelektroden aus dem gleichen Material verwendet werden); nach dem Punktschweißen sollte eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die Spannungen des Punktschweißens zu beseitigen, und eine erneute Inspektion sollte durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Qualität des reparierten Bereichs den Standards entspricht.
VI. Fazit
Die Herstellung mehrstufiger Pumpenkörper durch Gießen ist ein systematisches Projekt, das Materialwissenschaft, Formenbau, Wärmebehandlungsverfahren und Qualitätskontrolle integriert. Die präzise Steuerung jedes einzelnen Glieds wirkt sich direkt auf die Betriebsleistung und die Sicherheit des Pumpenaggregats aus. Angesichts der kontinuierlich steigenden Nachfrage nach mehrstufigen Pumpen mit hoher Förderhöhe, hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer im industriellen Bereich muss auch die Gusstechnologie in Richtung höherer Genauigkeit, höherer Effizienz und mehr Umweltfreundlichkeit weiterentwickelt werden – beispielsweise durch die Optimierung der Schmelz- und Gussparameter durch numerische Simulationstechnologie zur Reduzierung der Versuchs- und Irrtumskosten; den Einsatz von 3D-Drucktechnologie zur Herstellung komplexer Sandkerne zur Verbesserung der Genauigkeit der Strömungskanäle; und die Förderung energiesparender Wärmebehandlungsverfahren zur Reduzierung des Energieverbrauchs während des Produktionsprozesses. Nur durch die kontinuierliche Förderung technologischer Innovationen und Prozessverbesserungen kann das Qualitätsniveau gegossener mehrstufiger Pumpenkörper kontinuierlich verbessert werden, was einen soliden Garantie für einen stabilen Betrieb im Bereich des Flüssigkeitstransports bietet.