王清宇，矯勇

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040）

100 MW汽輪發(fā)電機(jī)鋁鐵青銅支架夾板鑄造工藝改進(jìn)

王清宇，矯勇

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040）

對100 MW系列汽輪機(jī)機(jī)組使用的支架夾板進(jìn)行鑄造工藝改進(jìn)，成功應(yīng)用熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn)了支架鑄件生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，通過三維實(shí)體造型、計(jì)算機(jī)仿真模擬、熔模鑄造工藝等多項(xiàng)新技術(shù)、新材料及新工藝相結(jié)合，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，成功獲得尺寸精度高、表面質(zhì)量好的鑄件產(chǎn)品。

支架夾板；鑄造工藝；熔模鑄造；計(jì)算機(jī)模擬

鋁鐵青銅支架夾板是公司100 MW系列汽輪發(fā)電機(jī)組中的一種鑄件，是公司長期生產(chǎn)的定型產(chǎn)品。圖1、圖2分別為支架夾板的三維示意圖及鑄件、零件圖。由于這種鑄件加工后安裝在具有強(qiáng)大磁場和很大震動的工作環(huán)境條件下，所以設(shè)計(jì)中對這種鑄件的機(jī)械性能要求很高，不允許有任何鑄造缺陷。而鑄造鋁青銅的鑄造性能不好，而且對熔化操作、鑄造工藝和澆注系統(tǒng)要求很高，經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題，必須在鑄造工藝上對其攻關(guān)、改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1存在問題

根據(jù)以往此類鑄件生產(chǎn)情況的統(tǒng)計(jì)：鑄件的主要鑄造缺陷表現(xiàn)為加工面氣孔和非加工面的局部氧化褶皺，廢品率在個(gè)別年度曾高達(dá)30%以上。質(zhì)量問題造成經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重，同時(shí)嚴(yán)重影響公司整機(jī)的“準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)”進(jìn)程。

2生產(chǎn)工藝分析

鑄鋁青銅支架夾板鑄件為長線、批量鑄件，原鑄造工藝方案如圖3所示：

1）模型為鋁型實(shí)樣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面質(zhì)量好，使用壽命長；

2）加工余量：全部為5 mm；

3）鑄件結(jié)構(gòu)簡單，凝固過程無阻礙，線性收縮率設(shè)定為15/1000；

4）黏土砂造型：打制傾斜平面底胎，上箱造型，傾斜澆注；

5）封閉式澆注系統(tǒng)，提高擋渣能力。

圖3支架夾板原鑄造工藝圖

鑄件出現(xiàn)的主要鑄造缺陷表現(xiàn)為加工面氣孔和非加工面的局部氧化皺褶情況，通過現(xiàn)場確認(rèn)、查閱了有關(guān)資料，分析原因如下：

1）氣孔出現(xiàn)原因如下：

①熔煉過程中金屬液體中含氣量大；

②砂型是濕型，在澆注過程中由于透氣性不好，產(chǎn)生的大量氣體不易排出型腔；

③水平澆注方向不利于型腔內(nèi)氣體的排出；

④鑄件在冷卻過程中沒有形成順序凝固，進(jìn)而使金屬液中的氣體析出受阻。

2）氧化皺褶出現(xiàn)的原因如下：

①鋁鐵青銅材質(zhì)中含鋁較高，高溫下極易氧化，產(chǎn)生夾雜；

②水平澆注方向使金屬液面接觸空氣面大，造成氧化膜多形成皺褶；

③由于液面面積大，所以液面上升速度相對慢，使液面接觸空氣時(shí)間長，氧化膜增多，形成皺褶。

3改進(jìn)措施

針對上述形成缺陷的原因，根據(jù)鋁鐵青銅這種金屬的鑄造特點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，從以下幾方面著手進(jìn)行改進(jìn)：

1）提高熔化過程中除氣劑的質(zhì)量和操作水平；

2）采取措施使型腔內(nèi)的氣體和金屬內(nèi)析出的氣體順利排出；

3）使鑄件在冷卻過程中形成順序凝固；

4）增加型砂的透氣性和冷卻速度。

根據(jù)以上思路，經(jīng)過多次調(diào)整工藝進(jìn)行生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)改變澆注位置和澆注方向可以取得較好的結(jié)果，采取具體措施如下：

1）熔化方面，選用質(zhì)量高的除氣劑，嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作，確保金屬液的純凈；

2）為了使型腔內(nèi)的氣體和金屬液內(nèi)含有的氣體順利析出并排出，改變鑄件澆注方向并采用底注的澆注系統(tǒng)，冒口由側(cè)冒口改為頂冒口（如圖5），這樣由于金屬液體由型腔底部上升，快速注入型腔，使腔內(nèi)和金屬液中的氣體和氧化夾雜由鑄件上方的冒口順利排出；

3）由于采用底注，形成了鑄件冷卻、凝固過程中的順序凝固；

4）為了減少金屬液體中氣體的析出，采用了水玻璃自硬砂加快砂型熱傳導(dǎo)的速度，使鑄型中金屬液體的冷卻速度大大提高，而且水玻璃自硬砂的透氣性也很好；

5）通過改進(jìn)澆注位置和澆注方向，減小鑄件澆注時(shí)水平截面，減少金屬液由于與空氣接觸產(chǎn)生的氧化夾雜。

用計(jì)算機(jī)軟件對支架夾板鑄件前后鑄造工藝進(jìn)行三維造型，然后與鑄造模擬軟件（MAGMA）接口，進(jìn)行鑄造工藝過程凝固模擬，如圖4所示，可以看出立澆的工藝方案鑄件內(nèi)部致密、質(zhì)量良好，冒口的補(bǔ)縮效率高。

綜合以上各種要素，重新編制了新的鑄造工藝，使順序凝固、快速冷卻、排氣通順、補(bǔ)縮充分等優(yōu)點(diǎn)集于同一工藝。采取臥造型立澆注的工藝方案，使鑄型中接觸空氣的金屬液面積大大減小，而且上升速度快，減少了金屬表面的氧化機(jī)會，消除了鑄件表面氧化膜皺褶缺陷。

改進(jìn)后的鑄造工藝簡圖如圖5所示。

經(jīng)過首批熔模鑄造工藝生產(chǎn)支架夾板鑄件的加工、裝配，發(fā)現(xiàn)朝上的小平面冒口周圍除個(gè)別鑄件存在小的夾渣缺陷外，通過調(diào)整大平面的加工余量，此問題得到了解決。

圖4支架夾板鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬

圖5支架夾板立澆鑄造工藝

4熔模鑄造工藝

4.1工藝過程

支架夾板改為立式澆注后，鑄件內(nèi)部質(zhì)量和氧化夾雜缺陷得到了很大改觀。由于使用型砂造型、制芯，雖然通過砂型表面刷鋯英粉涂料等措施來提高鑄件表面質(zhì)量，但是鑄件依然會存在飛邊、錯(cuò)箱、偏芯等尺寸問題，以及砂眼、涂痕等表面質(zhì)量問題，增加了鑄件清理、打磨的難度和尺寸檢驗(yàn)等工作的工作量。尤其是公司提倡“精品工程”和“零缺陷產(chǎn)品”生產(chǎn)的質(zhì)量觀念，對鑄件的外觀提出了新的挑戰(zhàn)。決定采用熔模精密鑄造方法進(jìn)行支架夾板鑄件生產(chǎn)。精密鑄造能獲得相對準(zhǔn)確的形狀以及較高的鑄造精度和表面質(zhì)量，其工藝流程如圖6所示。

圖6熔模鑄造流程圖

首先根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行鑄件圖和鑄造工藝設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)、制作模具。用注入蠟料的方法獲得原始的蠟?zāi)?，組裝澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮冒口；在蠟?zāi)＝M上重復(fù)進(jìn)行涂料與撒砂工序，然后硬化及干燥型殼；再將內(nèi)部的蠟?zāi)Ｈ芑臬@得型腔；焙燒型殼以獲得足夠的強(qiáng)度與透氣性能；澆注所需要的金屬材料；脫殼后清砂，從而獲得尺寸精度高、表面質(zhì)量好的成品鑄件。根據(jù)產(chǎn)品需要再進(jìn)行相應(yīng)的熱處理與機(jī)械加工，制造出優(yōu)良的支架夾板零部件成品。

生產(chǎn)工藝上采用中溫蠟料壓蠟成型，組樹后進(jìn)行表面細(xì)化處理；經(jīng)機(jī)械手掛涂、全硅溶膠制殼、自動控制恒溫干燥后，利用中頻感應(yīng)爐冶煉、澆注。

用熔模鑄造所制得支架夾板鑄件如圖7所示，鑄件表示質(zhì)量明顯優(yōu)于砂型鑄造。

圖7支架夾板熔模鑄件照片

4.2與砂型鑄造對比

通過改變鑄造工藝方法，成功生產(chǎn)了支架夾板鑄件。比較支架夾板鑄件熔模鑄造與砂型鑄造生產(chǎn)工藝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）使用同一模具鑄件尺寸形狀精確，重復(fù)性好，均一性高，同時(shí)鑄件的表面光潔度高；

2）取消了砂芯和合箱工序，根除了由于制芯、下芯以及起模、合箱過程引起的尺寸偏差和鑄造缺陷；

3）鑄件無飛邊毛刺，且表面質(zhì)量好，使清理打磨工作量減少50%以上；

4）可在理想位置設(shè)置合理形狀的澆冒口，不受分型、取模等傳統(tǒng)因素的制約，減少了鑄件的內(nèi)部缺陷；

5）取消了拔模斜度；減少了加工余量，減輕了鑄件重量，降低了機(jī)加工成本；

6）立式澆注工藝，降低了造型、澆注的難度并減少澆注金屬液量，提高了工藝出品率，降低了生產(chǎn)成本。

改變鑄造工藝后的效果可以從圖2，圖7中看到鑄件質(zhì)量的改變。圖8為兩種工藝生產(chǎn)的支架夾板零件在加工、打磨處理后安裝的情況。熔模工藝生產(chǎn)的鑄件棱角分明、無夾渣，尺寸精度高、表面質(zhì)量好。

5結(jié)論

圖8支架夾板加工、安裝后照片

鑄造工藝方法的選擇對鑄件產(chǎn)品質(zhì)量有著決定性的作用。一般來講砂型鑄造成本低廉，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度、鑄件材質(zhì)和重量，沒有什么特別的約束性，是通用性最為廣泛的鑄造方法。但是鑒于鑄件產(chǎn)品的不同結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、使用工況、技術(shù)要求，工藝方法的選擇更要根據(jù)鑄件實(shí)際要求來進(jìn)行，不同的產(chǎn)品應(yīng)選擇最適宜的制造工藝。

Improvement of Foundry Technology of Aluminum-Iron Bronze Support Plate for 100 MW Steam Turbine Generator

WANG Qing-yu，JIAO Yong
（Casting Division，Harbin Electrical Machinery CO.，LTD.，Harbin Heilongjiang 150040，China）

The casting process of the support plate used in the 100MW series steam turbine units was improved，and the support plate was successfully produced using investment casting technology.In the casting process，3D solid modeling，computer simulation，investment casting technology and many other new technologies，new materials and new technology were used to improve the production process.The resulted products have high dimensional accuracy and surface finish.

support plate，casting process，investment casting，computer simulation

TG24

A

1674-6694（2017）02-0007-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.003

2017-12-20

王清宇（1976-），男，滿族，工學(xué)學(xué)士，高級工程師。從事有色合金與特種鑄造工藝設(shè)計(jì)、研究及實(shí)體設(shè)計(jì)、鑄造計(jì)算機(jī)模擬工作。