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雜。本文主要介紹一種蒸汽輪機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

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：

（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，對砂箱的強度要求高。因此需要砂箱側(cè)壁制作專門的加強筋，防止中圈砂型損壞。

綜合產(chǎn)品質(zhì)量要求，選擇圖2方式進行設(shè)計，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)計單獨的砂芯，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、軸承位置準確度要求高，是合箱時尺寸控制的關(guān)鍵所在，因此芯頭結(jié)構(gòu)專門設(shè)計外凸型，以芯頭進行定位，防止尺寸發(fā)生偏移。綜合以上分芯設(shè)計，本方案中共有7個砂芯，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

此產(chǎn)品加工面多，完成加工量設(shè)計后，重量合計為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，澆注系統(tǒng)還應考慮防止二次造渣，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流方式，解決平衡鐵水進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：

（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)計需要保證鐵水進入型腔時溫差小，液面平穩(wěn)上升。因此采用多點進流的方式，共設(shè)計24道內(nèi)澆道，此外進流位置也呈對稱分布。

3.4 鑄件補縮通道設(shè)計

在鑄件凝固收縮階段，向收縮形成的空間補給液態(tài)金屬以消除縮孔，稱為“補縮”。球墨鑄鐵在凝固過程中析出石墨并伴隨相變膨脹，有一定的自補縮能力。因此鑄鐵件的補縮應以澆注系統(tǒng)后補縮（澆注系統(tǒng)在完成澆注以后，對鑄件的補縮，稱為后補縮）和石墨化膨脹自補縮為基礎(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縮和自補縮的情況下才應用冒口，冒口僅是作為補充鐵水彌補自補縮不足的作用[4]。

利用共晶膨脹壓力強化冒口補縮能力，可以提高補縮效率。其主要原理是在鑄件液態(tài)收縮期間，通過冒口向鑄件補充鐵水。當鑄件冷卻最緩慢的部位產(chǎn)生共晶膨脹之前，冒口頸中應該保持一個可以進行補縮的通道。直到被補縮部位開始共晶膨脹時，冒口頸的補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)。殘余鐵水在共晶團相互擠壓所形成的壓力下，進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行自補縮。因此冒口設(shè)計時只需要設(shè)計滿足鑄件液態(tài)補縮量以及將共晶膨脹力保持在鑄型內(nèi)即可[6]。經(jīng)過計算冒口共計4個，鑄件的最上端，同時在冒口之間適當放置冷鐵，消除冒口末端區(qū)的影響。由于底法蘭壁厚大（厚度356mm），為防止其自補縮不足形成縮松缺陷，設(shè)計相應的四個小冒口，形成局部單獨的補縮通道。上述方案經(jīng)過MAGAM模擬，驗證了工藝的可行性，結(jié)果符合鑄件的檢驗要求。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，有利于鑄件補縮及實際操作。

圖5 模擬結(jié)果顯示

（2）分芯方案的選擇應考慮特殊部位的粘砂問題，單獨設(shè)計芯盒，使用特殊芯砂，避免缺陷產(chǎn)生。此外，芯頭設(shè)計應滿足合箱操作的尺寸控制，如軸承芯、軸瓦芯芯頭設(shè)計特殊的外凸結(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)澆口要實現(xiàn)多點進流，使金屬液進入鑄型后溫差小，液面平穩(wěn)上升。內(nèi)澆口應對稱分布。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，僅是補充金屬液自補縮不足的部分，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)計方案，產(chǎn)品首件生產(chǎn)合格，通過了顧客的檢驗，并獲得顧客的批量訂單，目前已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定滿足顧客需求。

[1] 中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會.鑄造手冊鑄造工藝（第五卷）[M].北京：機械工業(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.燃氣輪機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)及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[5] 郝石堅.現(xiàn)代鑄鐵學[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.