一種蒸汽輪機(jī)中壓外缸的鑄造工藝方法

安玲玲，緱鵬森，姚紅汝

（共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

中壓外缸作為蒸汽輪機(jī)的主要鑄件，承受著缸內(nèi)外氣體沿軸向變化的壓力差以及缸體本身重量和管道等的作用力，還有因溫度分布不均引起的熱應(yīng)力和變形。尤其是保證缸體上下部中分結(jié)合面密封性的法蘭受力更為復(fù)雜。本文主要介紹一種蒸汽輪機(jī)中壓外缸的鑄造工藝方法，該方法基于鑄造充型模擬軟件，由無砂化的澆注系統(tǒng)，通暢的補(bǔ)縮通道，可靠的操作工藝組成，生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鑄件。

表1 產(chǎn)品基本信息

1 產(chǎn)品信息

鑄件的輪廓尺寸為5825 mm×4100 mm×2165 mm，總重量為 33040kg，材質(zhì)為 QT400-18AR，具體信息見表1，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 一種壓氣外缸上部

2 產(chǎn)品的質(zhì)量要求

產(chǎn)品的質(zhì)量要求主要包括機(jī)械性能、微觀金相及內(nèi)部缺陷的要求，具體見表2。

表2 產(chǎn)品質(zhì)量要求

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 澆注方向及分型方法

中壓外缸的缸體結(jié)構(gòu)主要是結(jié)合法蘭，及安裝管口及外缸壁。由于結(jié)合法蘭為重要加工面，UT等級(jí)要求高，因此采用結(jié)合法蘭朝下的澆注方向[1]。具體如圖2所示。

圖2 澆注方向及分型方案

此種澆注方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）重要結(jié)合面朝下，對于厚大斷面球墨鑄鐵件，極容易產(chǎn)生浮渣缺陷，因此將重要的結(jié)合法蘭面朝下，給渣滓上浮空間，可以保證重要面的整體潔凈程度。

（2）尺寸控制相對方便，合中圈前下完砂芯，砂芯的尺寸控制簡單?？梢允褂每ò暹M(jìn)行尺寸控制。

（3）澆注系統(tǒng)簡單，位于鑄件最底端，操作方便。

當(dāng)然，這種澆注方式的選擇也有一定的弊端。中圈尺寸大，對砂箱的強(qiáng)度要求高。因此需要砂箱側(cè)壁制作專門的加強(qiáng)筋，防止中圈砂型損壞。

綜合產(chǎn)品質(zhì)量要求，選擇圖2方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，是各種方案中較合理的一種方式。

3.2 分芯方式

中壓氣外缸上部結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部中空，由一個(gè)砂芯形成。軸瓦位置兩道空腔結(jié)構(gòu)特殊，吃砂量僅30mm～35mm，周圍由鐵水包圍。容易產(chǎn)生粘砂或鐵包砂缺陷，為此專門設(shè)計(jì)單獨(dú)的砂芯，使用鉻礦砂制作，提高整體抗粘砂能力[2]。軸承位置結(jié)構(gòu)簡單，不多敘述。由于軸瓦位置、軸承位置準(zhǔn)確度要求高，是合箱時(shí)尺寸控制的關(guān)鍵所在，因此芯頭結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)外凸型，以芯頭進(jìn)行定位，防止尺寸發(fā)生偏移。綜合以上分芯設(shè)計(jì)，本方案中共有7個(gè)砂芯，具體見圖3。其中需要說明的是，兩處軸承芯、軸瓦芯形成的鑄件結(jié)構(gòu)既是中心對稱結(jié)構(gòu)又是軸對稱結(jié)構(gòu)，可以通用芯盒[3]。因此上述砂芯都只做了一個(gè)芯盒，節(jié)省模具成本。

圖3 本方案合箱簡圖

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此產(chǎn)品加工面多，完成加工量設(shè)計(jì)后，重量合計(jì)為34685kg（其中加工量1645kg），其澆注重量在40噸左右。因此，澆注系統(tǒng)長時(shí)間受到鐵水沖刷，容易出現(xiàn)沖砂現(xiàn)象，影響鑄件品質(zhì)。為此，專門設(shè)計(jì)一種無砂化的澆注系統(tǒng)，從根本上解決鐵水的沖砂問題。同時(shí)，澆注系統(tǒng)還應(yīng)考慮防止二次造渣，所以澆注系統(tǒng)采用開放式，開放比例為1∶4∶4；此外，內(nèi)澆口采用多處分散進(jìn)流方式，解決平衡鐵水進(jìn)入型腔后的溫差問題，也可以降低內(nèi)澆口流速（低于 0.7m/s）[1]。

本澆注系統(tǒng)可歸納為以下四點(diǎn)：

（1）采用無砂化澆注系統(tǒng)，避免鐵水沖砂問題。

（2）采用開放式澆注系統(tǒng)，橫澆道位于鑄件的下方，內(nèi)澆口與橫澆道連接高度小于橫澆道高度的1/2。

（3）內(nèi)澆道設(shè)計(jì)需要保證鐵水進(jìn)入型腔時(shí)溫差小，液面平穩(wěn)上升。因此采用多點(diǎn)進(jìn)流的方式，共設(shè)計(jì)24道內(nèi)澆道，此外進(jìn)流位置也呈對稱分布。

3.4 鑄件補(bǔ)縮通道設(shè)計(jì)

在鑄件凝固收縮階段，向收縮形成的空間補(bǔ)給液態(tài)金屬以消除縮孔，稱為“補(bǔ)縮”。球墨鑄鐵在凝固過程中析出石墨并伴隨相變膨脹，有一定的自補(bǔ)縮能力。因此鑄鐵件的補(bǔ)縮應(yīng)以澆注系統(tǒng)后補(bǔ)縮（澆注系統(tǒng)在完成澆注以后，對鑄件的補(bǔ)縮，稱為后補(bǔ)縮）和石墨化膨脹自補(bǔ)縮為基礎(chǔ)，只是由于鑄件本身結(jié)構(gòu)、合金成分、冷卻條件等原因，不能建立足夠的后補(bǔ)縮和自補(bǔ)縮的情況下才應(yīng)用冒口，冒口僅是作為補(bǔ)充鐵水彌補(bǔ)自補(bǔ)縮不足的作用[4]。

利用共晶膨脹壓力強(qiáng)化冒口補(bǔ)縮能力，可以提高補(bǔ)縮效率。其主要原理是在鑄件液態(tài)收縮期間，通過冒口向鑄件補(bǔ)充鐵水。當(dāng)鑄件冷卻最緩慢的部位產(chǎn)生共晶膨脹之前，冒口頸中應(yīng)該保持一個(gè)可以進(jìn)行補(bǔ)縮的通道。直到被補(bǔ)縮部位開始共晶膨脹時(shí)，冒口頸的補(bǔ)縮通道完全凝固而阻塞。鑄型內(nèi)的鐵水不回送到冒口中，而保留在封閉的凝固體內(nèi)。殘余鐵水在共晶團(tuán)相互擠壓所形成的壓力下，進(jìn)入二次收縮形成的空隙，使空隙減小甚至消失。這樣，凝固收縮和二次收縮都能得到補(bǔ)充[5]。

圖4 鑄件橫截面圖

本產(chǎn)品整體壁厚較大，主體壁厚為60～80mm，鑄頂面壁厚達(dá)到256mm，其模數(shù)為128mm。鑄件高度方向的截面如圖4所示。壁厚自下而上呈逐漸增大的趨勢，十分有利于鑄件自上而下進(jìn)行自補(bǔ)縮。因此冒口設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)滿足鑄件液態(tài)補(bǔ)縮量以及將共晶膨脹力保持在鑄型內(nèi)即可[6]。經(jīng)過計(jì)算冒口共計(jì)4個(gè)，鑄件的最上端，同時(shí)在冒口之間適當(dāng)放置冷鐵，消除冒口末端區(qū)的影響。由于底法蘭壁厚大（厚度356mm），為防止其自補(bǔ)縮不足形成縮松缺陷，設(shè)計(jì)相應(yīng)的四個(gè)小冒口，形成局部單獨(dú)的補(bǔ)縮通道。上述方案經(jīng)過MAGAM模擬，驗(yàn)證了工藝的可行性，結(jié)果符合鑄件的檢驗(yàn)要求。具體見如圖5。

4 結(jié)語

本工藝方案總結(jié)如下：

（1）分型方案選擇結(jié)合法蘭向下，有利于鑄件補(bǔ)縮及實(shí)際操作。

圖5 模擬結(jié)果顯示

（2）分芯方案的選擇應(yīng)考慮特殊部位的粘砂問題，單獨(dú)設(shè)計(jì)芯盒，使用特殊芯砂，避免缺陷產(chǎn)生。此外，芯頭設(shè)計(jì)應(yīng)滿足合箱操作的尺寸控制，如軸承芯、軸瓦芯芯頭設(shè)計(jì)特殊的外凸結(jié)構(gòu)，提高芯頭尺寸定位的精確度。

（3）澆注系統(tǒng)采用開放式，并采用無砂化澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)進(jìn)流，使金屬液進(jìn)入鑄型后溫差小，液面平穩(wěn)上升。內(nèi)澆口應(yīng)對稱分布。降低了內(nèi)澆口流速，可以有效地防止二次渣的產(chǎn)生。

（4）厚大斷面球墨鑄鐵冒口的設(shè)計(jì)，僅是補(bǔ)充金屬液自補(bǔ)縮不足的部分，合理的分區(qū)設(shè)置冒口，即可以提高鑄件工藝出品率，也可以避免鑄件產(chǎn)生縮松缺陷。

依據(jù)本工藝設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)品首件生產(chǎn)合格，通過了顧客的檢驗(yàn)，并獲得顧客的批量訂單，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定滿足顧客需求。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊鑄造工藝（第五卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：111-114.

[2] 孟慶文.鑄鐵件特殊位置防粘砂的工藝方法[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2016(2)：25-27.

[3] 安玲玲.燃?xì)廨啓C(jī)壓氣缸的鑄造工藝方法[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2015(4)：21-23.

[4] 魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5] 郝石堅(jiān).現(xiàn)代鑄鐵學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：219-221.

[6] QIT-Fer et Titane Inc.Ductile Iron：The Essentials of Gating and Risering System Design [R].Rio Tinto Iron&Titanium Inc.1987（1）：20-27.