郭小利，蘇志東，郭小強(qiáng)，周 佼，杜 鵬

（共享鑄鋼有限公司，寧夏 銀川 750021）

壓縮機(jī)是對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，產(chǎn)生氣體壓縮能的設(shè)備。對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的目的是輸送氣體或者為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造必要的條件。大多數(shù)壓縮機(jī)輸送介質(zhì)為石油混合氣體、天然氣、氮?dú)?、氫氣、氧氣、氯氣、甲烷、乙烯、丙烯、氨氣、二氧化氮等。石化生產(chǎn)裝置大多數(shù)在高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、有毒、長周期條件下連續(xù)生產(chǎn)。因此石化生產(chǎn)用壓縮機(jī)組配套的機(jī)殼選擇為耐腐蝕的奧氏體不銹鋼材質(zhì)。

奧氏體不銹鋼ZG08Cr18Ni9 材質(zhì)[1]，具有高耐腐蝕性能、高韌性、低溫性能好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于乙烯化工行業(yè)領(lǐng)域，其工作溫度-150 ℃～100 ℃，要求其具有很高的耐腐蝕、抗低溫、高壓、有毒、長周期條件下連續(xù)生產(chǎn)要求。由于國內(nèi)鑄造水平有限，生產(chǎn)廠家對(duì)壓縮機(jī)機(jī)殼一直大量采用鈑金焊接和少量國外采購形式來滿足生產(chǎn)需求[2]。由于受到鈑金焊接成本高、使用壽命短以及國外采購成本高、周期長等因素的影響，目前大型化工壓縮機(jī)及配套的不銹鋼機(jī)殼急需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)。

1 研發(fā)難點(diǎn)評(píng)估

如圖1 所示為壓縮機(jī)用奧氏體不銹鋼機(jī)殼鑄件，是大型離心式壓縮機(jī)核心零部件，其材料牌號(hào)ZG08Cr18Ni9，缸壁及管壁壁厚50 mm，其中輪廓尺寸2 328 mm×22 90 mm×1 345 mm，產(chǎn)品重量7 251 kg.

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 材質(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能

ZG08Cr18Ni9 材質(zhì)的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表1 和表2 所示，材質(zhì)生產(chǎn)的難點(diǎn)為材質(zhì)的低溫沖擊性能的控制。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 力學(xué)性能要求

1.2 鑄件的生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)分析

1）壓縮機(jī)殼體鑄件，因其從鈑金焊接改為鑄造成型[3]，故其管狀結(jié)構(gòu)數(shù)量多，壁厚較薄且為勻壁鑄件，其結(jié)構(gòu)無鑄造補(bǔ)縮梯度，鑄造生產(chǎn)易出現(xiàn)縮松、冷隔、夾渣、澆不足等鑄造缺陷；

2）奧氏體材質(zhì)的鑄造收縮率較大，工藝設(shè)計(jì)時(shí)缺少其材質(zhì)工藝收縮參數(shù)的選擇經(jīng)驗(yàn)，易出現(xiàn)收縮導(dǎo)致的管口中心錯(cuò)偏，鑄件輪廓尺寸缺肉等情況；

3）壓縮機(jī)殼體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)成型方法制造難度大、周期長，且生產(chǎn)成本高。

2 工藝方案研發(fā)

2.1 鑄造工藝研究

針對(duì)奧氏體不銹鋼鑄件出氣管及進(jìn)氣管數(shù)量多，缸體壁厚薄等特點(diǎn)，通過MAGMA 模擬其補(bǔ)縮梯度，采用三層冒口補(bǔ)縮方式。首先對(duì)殼體分缸結(jié)合面法蘭部位，設(shè)計(jì)明冒口進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)縮；其次對(duì)殼體內(nèi)腔弧頂設(shè)計(jì)暗冒口實(shí)現(xiàn)對(duì)缸壁弧頂及下方管壁的補(bǔ)縮；最后對(duì)進(jìn)、出氣管口法蘭設(shè)計(jì)暗冒口，因該部位存在較大熱節(jié)。之后采用冷鐵分區(qū)方式對(duì)冒口進(jìn)行分區(qū)，設(shè)計(jì)底部暗冒口進(jìn)流方式實(shí)現(xiàn)澆注。最終通過MAGMA 模擬，確保工藝設(shè)計(jì)的合理性，如圖2 所示。

圖2 鑄造過程MAGMA 模擬結(jié)果

奧氏體不銹鋼材質(zhì)合金元素含量高，通過實(shí)驗(yàn)及模擬其凝固過程中體收縮率，如圖3 所示，通過實(shí)際鑄造過程驗(yàn)證等，確定其鑄造縮尺，約3.0%.

圖3 奧氏體不銹鋼材質(zhì)體收縮率

2.2 成型及造型過程

該產(chǎn)品采購一般為項(xiàng)目訂單，數(shù)量在1～2 臺(tái)，采用傳統(tǒng)木模成本太高，鑄造成型方面，外模主體采用白模制作，其價(jià)格低廉，單套白模連續(xù)生產(chǎn)少于4 件情況下，外模尺寸可有效保證。砂芯方面因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)芯盒成型困難、周期長，故對(duì)砂芯采用3D 打印制作[4]。通過上述方式，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的生產(chǎn)制造。

2.2.1 成型方案

主體采用白模進(jìn)行加工，鑄件面全部采用3D打印砂芯，設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮如下措施：

1）3D 打印砂芯設(shè)計(jì)需要考慮砂芯重量、尺寸、重心平穩(wěn)性等問題，吊裝、吊耳的設(shè)計(jì)必須合理；

2）3D 打印砂芯中需設(shè)計(jì)砂芯出氣、預(yù)留冷鐵孔，并尺寸定位設(shè)計(jì)精準(zhǔn)；

3）壓縮機(jī)殼體因其進(jìn)、出口管形狀非對(duì)稱、且砂芯重心偏離等因素，砂芯設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮標(biāo)芯位置以及標(biāo)芯方法，避免合箱澆注后發(fā)生漂芯等風(fēng)險(xiǎn)；

4）外模使用白模制作，需設(shè)計(jì)并加工砂芯定位，保證3D 砂芯下芯準(zhǔn)確，保證鑄件尺寸合格；

5）外模制作時(shí)，因鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，倒稍部位多，影響起模，白模需要注意分模設(shè)計(jì)。

主體白模方案如圖4 所示，3D 砂模如圖5 所示。

圖4 主體白模方案

圖5 3D 打印砂芯

2.2.2 造型及制芯過程

由于鑄件管口設(shè)計(jì)暗冒口，為便于起模，造型方案設(shè)計(jì)為上、中、下三箱。外模準(zhǔn)備時(shí)，需完善外模工藝信息標(biāo)識(shí)，流砂過程中，鑄件面40 mm 范圍內(nèi)需全部使用鉻礦砂，管口根部R 角區(qū)域需使用新鉻礦砂，同時(shí)需提高砂型緊實(shí)度，防止鑄件澆注后產(chǎn)生粘砂問題。造型過程如圖6 所示。

圖6 造型過程

2.2.3 合箱過程

由于芯子數(shù)量多，不規(guī)則曲面多，下芯前，需設(shè)計(jì)下芯順序，避免出現(xiàn)砂芯之間干涉或者砂芯與砂型存在干涉情況。下芯時(shí)，需按照芯頭定位下芯，對(duì)于懸空的砂芯，要進(jìn)行標(biāo)芯，防止發(fā)生漂芯問題。每個(gè)砂芯下芯后，要進(jìn)行壁厚尺寸或者基準(zhǔn)尺寸測量，全部下芯后，要通過三維拍照進(jìn)行尺寸擬合，確保尺寸精準(zhǔn)。下芯過程中及時(shí)清理管壁間散沙，并使用內(nèi)窺鏡等設(shè)備檢查型腔內(nèi)以及澆口等部位是否殘留散沙。下芯過程如圖7 所示。

圖7 下芯過程

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照機(jī)殼鑄件模擬分析優(yōu)化的的鑄造工藝，通過采用白模主體樹脂砂造型+3D 打印砂芯，完成鑄件的造型，采用VOD 精煉生產(chǎn)出合格的ZG08Cr18Ni9 不銹鋼材質(zhì)要求的鋼水，并完成鑄件的澆注，經(jīng)過超高溫打箱并快速冷卻，鑄件落砂清理后，進(jìn)行固溶熱處理及表面清理，首件經(jīng)檢驗(yàn)，形狀尺寸及性能全部滿足技術(shù)規(guī)范和圖紙的要求。鑄件化學(xué)成分檢測結(jié)果如表3 所示，鑄件力學(xué)性能檢測如表4 所示。

表3 鑄件化學(xué)成分檢測（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 鑄件力學(xué)性能檢測

鑄件實(shí)物照片如圖8 所示。

圖8 鑄件實(shí)物照片

4 結(jié)論

1）通過奧氏體不銹鋼機(jī)殼鑄件的研發(fā)，總結(jié)出合適的鑄造收縮率工藝參數(shù)，為后續(xù)奧氏體不銹鋼鑄件批量生產(chǎn)摸索出寶貴經(jīng)驗(yàn)；

2）采用3D 打印成型技術(shù)替代傳統(tǒng)木模成型方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜不銹鋼機(jī)殼鑄件快速、簡潔、高效、低成本的鑄造生產(chǎn)。