李永新，郭小強，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

基于整體設(shè)計的汽輪機高壓外缸鑄造工藝

李永新，郭小強，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

介紹了一種基于整體設(shè)計的汽輪機高壓外缸的鑄造工藝，根據(jù)鑄件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點和嚴格的質(zhì)量要求，確定鑄件垂直方向鋼液長距離補縮、內(nèi)腔蝸殼容易粘砂和夾渣，以及貓爪處熱節(jié)較大等鑄造難點，采取了針對性的工藝措施，并利用計算機模擬技術(shù)進行分析優(yōu)化，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，鑄件質(zhì)量良好，鑄造工藝可行。

高壓外缸；蝸殼；粘砂；鑄造工藝；計算機模擬

0　前言

汽輪機是能將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機械功的外燃回轉(zhuǎn)式機械，來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經(jīng)過系列環(huán)形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能[1]。其缸體工作環(huán)境處于高溫、高壓狀態(tài)之下，環(huán)境惡劣，對性能要求極高。國內(nèi)常見的大型蒸汽輪機外缸多分為上下兩半，結(jié)構(gòu)多為較規(guī)則的半回轉(zhuǎn)體，鑄造難度本身不大。而本文所述汽輪機外缸采用西門子技術(shù)進行設(shè)計，缸體為整體鑄造的不規(guī)則回轉(zhuǎn)體鑄件，類似常見的汽輪機閥門鑄件。該鑄件本體表面臍子和管口較多，且大小不一，從鑄造工藝看，鑄件補縮熱節(jié)較多，內(nèi)腔蝸殼等復(fù)雜部位容易出現(xiàn)夾渣、裂紋、偏芯等鑄造缺陷，因而鑄造工藝設(shè)計難度很大。本文將針對以上難點，對鑄件鑄造工藝設(shè)計進行討論。

1　鑄件分析

1.1產(chǎn)品基本參數(shù)及技術(shù)要求

本文所述高壓外缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如圖1所示，鑄件毛坯質(zhì)量35.2 t，材質(zhì)為G17CrMoV5-10，最大輪廓尺寸3 310×3 010×2 355（mm）。NDT要求鑄件本體100%UT和MT，表面管口部位還需要進行RT；不允許將內(nèi)冷鐵和芯撐留在鑄件內(nèi)，復(fù)雜的鑄件結(jié)構(gòu)和嚴格的NDT要求對鑄造工藝設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

圖1　汽輪機高壓外缸產(chǎn)品圖

圖2　汽輪機高壓外缸內(nèi)腔蝸殼圖

1.2 鑄件結(jié)構(gòu)分析

圖3　鑄件縮松模擬顯示

通過研究該鑄件結(jié)構(gòu)以及公司此前已經(jīng)生產(chǎn)過的相近結(jié)構(gòu)的鑄件工藝特點和質(zhì)量狀況，分析確定出如下幾個鑄造難點：

1)澆注時圖3所示示垂直方向鋼液補縮問題；

2)內(nèi)腔蝸殼粘砂及夾渣問題；

3)外表面貓爪處熱節(jié)較大的問題。

針對以上問題，鑄造工藝方面初步確定如下解決措施：

1)上端法蘭處設(shè)置明冒口，采用保溫冒口；

2）為了實現(xiàn)明冒口向下補縮的通道通暢，將上端兩橫管口鑄實；

3）設(shè)置暗冒口補縮貓爪及蝸殼部位；

4）采取“二分法”設(shè)計底注式澆注系統(tǒng)，防止?jié)沧⑾到y(tǒng)紊流等現(xiàn)象帶來的二次氧化夾渣缺陷[2]。

圖4　鑄件分型方案

2　鑄造工藝方案設(shè)計

2.1造型方案的確定

考慮鑄件結(jié)構(gòu)特點及初步工藝方案，在公司天車吊運能力和已有砂箱等工裝條件允許下，該汽輪機高壓外缸鑄件采用三箱造型方案。明冒口位于上箱，鑄件本體大部分位于中箱，鑄件下部小部分和澆注系統(tǒng)位于下箱，分型、分模面設(shè)計充分考慮模具的整體性（少分模、少活料）、拔模斜度和操作的便利性，具體分箱方案如圖4所示。

2.2冒口的設(shè)計

鑄件的結(jié)構(gòu)、分箱（型）面的位置等一旦確定，為了方便造型、制芯操作，冒口的位置也就基本確定。通過計算機模擬分析鑄件熱節(jié)位置分布情況，并利用模數(shù)法計算鑄件熱節(jié)模數(shù)，通過對比，確定準確的熱節(jié)部位及模數(shù)。

冒口的設(shè)計采用模數(shù)法，基本原理是冒口應(yīng)比鑄件受補縮部分晚凝固，以冒口中的金屬液補縮鑄件，使鑄件材料致密。基于此原理，冒口模數(shù)應(yīng)當大于被冒口鋼液補縮部分的鑄件模數(shù)[3]。同理，鑄件本體也需要具備相應(yīng)的補縮梯度。根據(jù)相關(guān)文獻記載及公司內(nèi)部設(shè)計經(jīng)驗積累，設(shè)定M2=1.1M1，M冒=1.2M件，即可滿足補縮要求。根據(jù)鑄件熱節(jié)分布情況，通過水平補縮距離和模數(shù)計算來確定冒口的尺寸和數(shù)量，并配合補貼和冷鐵的使用，確保補縮液量充足，最終完成鑄件鑄造工藝設(shè)計[4]。

然后，再應(yīng)用先進的計算機模擬軟件對鋼液凝固過程進行模擬分析，優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計，最終工藝模擬結(jié)果顯示冒口補縮能力充足，鑄件本體無縮孔、疏松傾向，冒口設(shè)計合格。

圖5　凝固過程計算機模擬

2.3防粘砂、夾渣設(shè)計

大型鑄鋼件澆注溫度一般都在1 570 ℃左右，本文所述高壓外缸內(nèi)腔蝸殼部位因為空間狹小且壁薄，澆注后在鋼液較長時間的高溫烘烤之下，蝸殼內(nèi)容易形成粘砂及夾渣缺陷。為了更好地預(yù)防此處粘砂，首先采用計算機模擬軟件對鑄件粘砂傾向進行了模擬，如圖6所示，蝸殼內(nèi)深藍色部位容易形成粘砂。為此，采用新鉻鐵礦砂打制該部位砂芯，確保此處型（芯）砂具有較高的耐火度，以此預(yù)防型（芯）砂燒結(jié)或潰散，形成粘砂或夾渣缺陷。

圖6　蝸殼粘砂傾向模擬

2.4澆注系統(tǒng)的設(shè)計

由于鑄鋼件的澆注溫度高，澆注過程中型腔表面受到鋼液的熱輻射后被加熱，容易發(fā)生體積膨脹，表層與內(nèi)層分離，型砂潰散等問題。特別是大型鑄鋼件，澆注鋼液量大，更是需要實現(xiàn)快速澆注，以最大限度的減少鋼液對型腔表面的熱輻射等有害作用[5]。

該高壓外缸鑄件采用漏包底注開放式澆注系統(tǒng)，依據(jù)“二分法”原則設(shè)計內(nèi)澆道和橫澆道數(shù)量，使得鋼液盡可能均勻進流。同時，還應(yīng)用公司從國外引進的GS-100澆注系統(tǒng)設(shè)計軟件計算澆注參數(shù)。計算結(jié)果如下，澆注質(zhì)量60 t，采用60#鋼包，兩個ф120 mm的滑動水口，2個ф120 mm和8個ф140 mm的內(nèi)澆口。澆注速度0.55 m/s，澆注時間114 s。利用計算機模擬軟件，對鋼液充型過程進行模擬，顯示金屬液平穩(wěn)快速上升，無紊流、飛濺和卷氣現(xiàn)象，證明澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。

3　結(jié)論

該高壓外缸鑄件鑄造工藝經(jīng)過生產(chǎn)驗證，造型過程操作方便，鑄件壁厚控制合理，蝸殼內(nèi)粘砂較少。鑄件缺陷量較公司以往生產(chǎn)的相近結(jié)構(gòu)鑄件減少了50%，鑄件化學(xué)成分、機械性能均達到顧客規(guī)范要求，且產(chǎn)品批量驗證合格，證明該鑄造工藝的造型方案、冒口設(shè)計、防粘砂措施以及澆注系統(tǒng)設(shè)計是合理有效的，產(chǎn)品鑄造工藝研發(fā)獲得了成功。

［1］ 趙常興.汽輪機組技術(shù)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］ 陳國楨.鑄件缺陷和對策手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［3］ 李新亞.鑄造手冊（第5卷）鑄造工藝［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［4］ 李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［5］ 趙永讓.大型鑄鋼件澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則［J］.鑄造技術(shù)，2008（10）.

［6］ 陳得潤,馬進.百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼管件焊接技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù),2014（3）.

The Casting Process Development of Turbine High Pressure Outer Cylinder Based on Overall Design

LI YongXin, GUO XiaoQiang, LU Yun
（Kocel Steel Foundry CO.,LTD., Yinchuan 750021，Ningxia,China)

This paper describes the casting process development of turbine high pressure outer cylinder which based on overall design,according to complex structural characteristics and strict quality requirements of the casting， identifed casting molten steel vertical distances feeding，easy to sand fusion and slag in worm frame of cavity， the large hot spot of casing lug，and other casting diffculties， the process has taken targeted measures， and use computer simulation technology to analysis and optimize. Production-proven, the casting showed good quality, it means the casting process was successful.

High pressure outer cylinder; Worm frame; Casing lug; Sand fusion; Computer simulation

TG244+.2；

A；

1006-9658（2015）06-0014-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.004

2015-05-25

稿件編號:1505-956

李永新（1972—）男，工程師，主要從事大型鑄鋼件鑄造技術(shù)研究工作.