納建虹，宋 亮，陳 鵬

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

汽輪機(jī)是一種以蒸汽為動力，并將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是現(xiàn)代火力發(fā)電廠中應(yīng)用最廣泛的原動機(jī)。汽輪機(jī)具有單機(jī)功率大、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。軸承座作為其機(jī)組的重要零部件，用來承受轉(zhuǎn)子的全部重力并且確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的正確位置，并支撐這個(gè)機(jī)組的重量。要在長期的運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定，需要足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和質(zhì)量穩(wěn)定性。大尺寸高質(zhì)量的軸承座鑄件研究與穩(wěn)定生產(chǎn)，對國內(nèi)汽輪機(jī)發(fā)展有著積極意義。

1 軸承座鑄件技術(shù)要求

汽輪機(jī)是能將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的外燃回轉(zhuǎn)式機(jī)械。來自鍋爐的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，依次經(jīng)過一系列環(huán)形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。軸承座是汽輪機(jī)一個(gè)重要的組成部分，支撐整個(gè)機(jī)組的重量，與多個(gè)結(jié)構(gòu)加工連接配合，兼具氣體通道、液體潤滑與密封等功能，具體的技術(shù)參數(shù)如下[1]。

圖1 汽輪機(jī)機(jī)組圖

所述汽輪機(jī)軸承座鑄件的輪廓大、鑄件重量和澆注重量重，最大輪廓尺寸達(dá)到6770mm×1225mm×1295mm，重量20.9t，澆注重量達(dá)到25.1t，主體壁厚80mm，最小壁厚20mm，最大壁厚610mm，材質(zhì)為QT400-18AR。設(shè)計(jì)有2 根結(jié)構(gòu)為“Z”字形異形油管，8 個(gè)在鑄件高度方向通長的細(xì)長孔，同時(shí)，具有機(jī)翼形空腔的氣體通道，綜合鑄造難度大。軸承座結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖

鑄件外觀無皮透、氣孔、砂眼、夾渣等缺陷，達(dá)到3S1/3S2 標(biāo)準(zhǔn)。所有鑄件全尺寸劃線檢測，鑲鑄管、壁厚、方臺位置等關(guān)鍵部位的尺寸均符合ISO 8062 CT12 級尺寸公差要求和顧客規(guī)范要求。NDT檢測，關(guān)鍵區(qū)域UTII 級，100%MTII 級[2]，成分檢測指標(biāo)、性能、金相指標(biāo)見表1、表2、表3。

表1 鑄件化學(xué)成分指標(biāo) ωB/%

表2 U70 附鑄試塊機(jī)械性能指標(biāo)

表3 U70 附鑄試塊金相組織要求

2 軸承座鑄件難點(diǎn)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的技術(shù)難點(diǎn)主要是：壁厚差異大，最大壁厚超厚，關(guān)鍵區(qū)域UTⅡ級，需要解決石墨漂浮和縮松缺陷；鑄件油管兩端在鑄造砂型中、中間懸空，在澆注時(shí)由于受到來自鐵水的浮力和高溫，極易發(fā)生向上的彎曲；鑄件細(xì)長孔由懸臂長孔芯帶出，防止細(xì)長腔結(jié)構(gòu)砂芯變形，防開裂。

2.1 鑄造方案設(shè)計(jì)

對于軸承座鑄件，選擇如下的澆注方向，樹脂砂木模手工成型的方式，鑄造縮尺按照長度方向0.9%，高度與寬度方向1.0%，鑄件較長，將會發(fā)生彎曲變形，長度方向設(shè)計(jì)+10mm 的撓度[3]。壁厚差異大與超厚壁鑄件的補(bǔ)縮控制，設(shè)計(jì)底注式澆注系統(tǒng)，多點(diǎn)進(jìn)流均勻溫度場減少冷隔、縮松等缺陷。厚壁球磨鑄鐵件，為了發(fā)揮石墨化膨脹的作用，型砂強(qiáng)度和緊實(shí)度要高，樹脂砂抗壓強(qiáng)度≥4.5MPa，流砂時(shí)震動緊實(shí)，使用鋼制焊接砂箱保證整個(gè)鑄型的剛度和強(qiáng)度[4]。

圖3 鑄件階梯剖視圖

2.2 垂直細(xì)長孔鑄造

軸承座澆注高度方向有8 處細(xì)長通孔結(jié)構(gòu)，工藝采用懸臂長孔芯來帶出此結(jié)構(gòu)。為了保證懸臂長孔芯垂直，實(shí)現(xiàn)細(xì)長孔的鑄造，采取了如下措施：長孔芯使用鉻礦砂制作，同時(shí)增加氧化鐵粉，增加整體重量，同時(shí)增加激冷作用，避免內(nèi)腔粘砂嚴(yán)重，清理困難；制作專用卡板，砂型預(yù)留卡板放置凹槽，通過外皮限位控制長孔尺寸。

2.3 機(jī)翼形空腔鑄造

軸承座兩側(cè)細(xì)長腔體結(jié)構(gòu)由砂芯帶出，澆注時(shí)承受金屬液的浮力非常大，一般為砂芯重量的4～5 倍，容易發(fā)生漂芯，且內(nèi)腔砂芯被鐵水完全包住，砂芯受熱嚴(yán)重，鑄件容易出現(xiàn)尺寸不合和粘砂缺陷，大平板式砂芯非常容易發(fā)生彎曲甚至斷裂。針對以上問題，對砂芯所受浮力進(jìn)行計(jì)算，然后采取了如下措施：在型芯裝配時(shí)對砂芯進(jìn)行標(biāo)芯處理；氣道砂芯使用鉻礦砂，同時(shí)增加氧化鐵粉，增加整體重量，同時(shí)增加激冷作用，避免內(nèi)腔粘砂嚴(yán)重，清理困難；制作專用隨形芯骨，保證砂芯強(qiáng)度足夠。

圖4 垂直細(xì)長孔定位圖

圖5 機(jī)翼形空腔砂芯結(jié)構(gòu)圖

2.3 油管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑄鐵件鑲鑄件難度較大，鑄件對鑲鑄油管除了基本的外觀、尺寸要求，還需要做壓力及滲漏的檢測，不能出現(xiàn)粘砂、夾砂、氣孔、裂紋、融合不良等缺陷，在工藝上我們主要由以下方法控制：按顧客要求材質(zhì)，做鍍錫處理；鑲鑄油管內(nèi)壁流涂涂料并烘干；鑲鑄油管中間填鉻鐵礦砂，兩側(cè)使用樹脂砂封堵；設(shè)計(jì)專用固定工裝，保證鑲鑄油管尺寸精度。

圖6 油管結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軸承座下部屬于厚大斷面,鑄造時(shí)的熱容量大,凝固緩慢,極易造成球化衰退與孕育衰退,從而導(dǎo)致鑄件的組織和基體發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為石墨球粗大、石墨球數(shù)量減少、石墨漂浮、石墨球畸變等,設(shè)計(jì)使用液態(tài)補(bǔ)縮冒口（?160mm 冒口體）。通過液態(tài)補(bǔ)縮冒口對鑄件液態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，冒口體大大減小，降低冒口重量，減小冒口對鑄件的熱影響，提高工藝出品率的同時(shí)加快了鑄件凝固速度，從工藝的角度保證了鑄造材料的均勻性，提高質(zhì)量，降低成本。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為底注開放式澆注系統(tǒng)，橫澆道位于鑄件下方，利于鐵水種的渣子上浮在橫澆道上方，澆注系統(tǒng)起到擋渣作用。設(shè)計(jì)放置10 塊10PPI 的莫來石直孔過濾網(wǎng)，具有整流與擋渣的作用，保證進(jìn)去型腔的鐵水更平穩(wěn)干凈。澆注時(shí)間設(shè)計(jì)原則為快澆，在120s 內(nèi)澆注完畢，內(nèi)澆口流速低于0.8m/s，充型過程平穩(wěn)，無飛濺減少卷氣，鑄件輪廓尺寸較大，內(nèi)澆口進(jìn)流點(diǎn)分散分布，有效條件鑄件溫度場，利于熔煉溫度控制和鑄件的補(bǔ)縮。

圖7 澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.5 熔煉澆注參數(shù)設(shè)計(jì)

鐵水的配料為50%的生鐵、40%的廢鋼和10%的機(jī)鐵。澆包反應(yīng)時(shí)加入一定量的Si-Mg 合金和重稀土0.1%。球化劑上覆蓋0.3%的硅鋇。出鐵3/4 時(shí)隨鐵水流添加0.15%的硅鋇孕育劑。澆注時(shí)隨鐵水添加0.15%的硅鋇瞬時(shí)孕育劑進(jìn)行二次孕育。鐵水過熱溫度1500～1510℃，出鐵溫度控制在1440～1450℃，澆注溫度1320～1330℃,應(yīng)使孕育完成到澆注的時(shí)間控制在10 分鐘內(nèi)，澆注過程中做好水口擋渣工作。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照以上制定的鑄造工藝經(jīng)過MAGMA 模擬仿真合格，投入試生產(chǎn)，鑄件的尺寸、試塊性能、油管位置、材料組織、實(shí)體密實(shí)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄件長度方向較設(shè)計(jì)理論值長3～5mm，在鑄造公差范圍內(nèi)；鑄件無超級縮松，厚大位置及冒口下方無石墨漂浮及縮松缺陷，8 個(gè)細(xì)長孔有局部孔無嚴(yán)重粘砂缺陷，孔中心偏差3～4mm，在加工余量范圍內(nèi)，可通過加工調(diào)整合格，鑄件頂面大平面有局部夾渣缺陷，通過打磨4～5mm 后消除，首件成功交付顧客。按照此工藝，此類產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)8 件，均合格。如圖8 所示為生產(chǎn)的汽輪機(jī)軸承座鑄件。

圖8 軸承座鑄件