壓氣機第六～十五級氣缸鑄造工藝研究

朱慶堯,賀 妍（沈陽鑄鍛工業有限公司,沈陽 110000）

壓氣機第六～十五級氣缸鑄造工藝研究

朱慶堯,賀 妍
（沈陽鑄鍛工業有限公司,沈陽 110000）

摘 要：介紹了重型燃氣輪機壓氣機第六～十五級氣缸鑄件的生產工藝，分析了鑄件生產的關鍵工藝技術，利用Pro-cast數值模擬仿真軟件對工藝方案進行了模擬，通過采取合理的工藝措施，成功完成了鑄件的生產任務并一次交檢合格。

關鍵詞：重型燃氣輪機;壓氣機；馬氏體不銹鋼；鑄造工藝

壓氣機是重型燃氣輪機的核心鑄件，燃氣輪機是大功率、高性能的動力機械，廣泛應用于發電、船舶動力、機械驅動等領域。有著功率密度極大、啟動速度快等特點，它集中了機械制造行業所有高精尖技術，被稱為裝備制造業皇冠上的明珠。重型燃氣輪機的制造水平是一個國家科技水平、軍事實力、綜合國力的重要標志之一，是關系到國家能源和國防建設的重要產業。世界上只有美、英、俄、法、德、日本等幾個少數發達國家具備獨立研制燃氣輪機的能力，其核心技術一直被這些國家所壟斷。該項目是為了打破少數發達國家技術封鎖，打造自主知識品牌的國家科技部“863”項目。壓氣機第六～十五級氣缸鑄件是壓氣機部件中整體鑄造、整體加工的重要部件，產品質量直接影響整個機組的可靠性、安全性。

壓氣機第六～十五級氣缸為ZG06C r16Ni5Mo馬氏體不銹鋼鑄件，屬于超高附加值類鑄件，產品結構復雜，制造難度極大。分為上、下半缸，為半圓結構鑄件，全高1400mm，最大外徑4500mm，鑄件毛坯重量約為14Τ，最大壁厚220mm，最小壁厚50mm，壁厚差異大，局部熱節多。未注明的鑄件一般尺寸公差12級，非加工表面粗糙度≤12.5，鑄件100%進行MΤ、UΤ探傷檢查，MΤ探傷及質量分級方法按JB/Τ9630.1-1999，（1）區機械加工表面的質量等級為1級，其余機械加工表面的質量等級為2級，（2）區鑄造表面的質量等級為3級，其余所有鑄造表面的質量等級均為4級。UΤ探傷及質量分級方法JB/ Τ9630.2-1999，（3）區的質量等級均為2級，吊耳座和吊耳座根部檢查的質量等級均為1級，其它部位的質量等級均為3級。

1 制造關鍵點分析

根據鑄件結構和技術條件分析，該產品設計中的關鍵點如下：

（1）鑄件整體內在質量，特別是吊耳座及吊耳座根部的UΤ檢測滿足1級要求。

（2）鑄件整體表面質量，特別是機械加工（1）區域的MΤ檢測滿足1級要求。

（3）部分無法利用冒口補縮區域如何達到UΤ檢測要求。

（4）鑄件尺寸較大，各部分受阻趨勢不一致，非加工面如Φ2300 +0-5 容易超差。

（5）十級放氣活門、吊耳座型芯的固定。

2 工藝設計

2.1 鑄件的工藝性分析

從氣缸鑄件的幾何結構看，鑄件厚大熱節處很多，鋼液從凝固到冷卻過程中將產生很大的收縮、內應力和組織變化，極易出現變形、縮孔、縮松等缺陷，壁厚差異大且不規律，易產生粘砂、裂紋等缺陷。根據內在質量要求嚴和鑄件的結構特點，鑄件的凝固順序確定為順序凝固。

2.2 澆注位置、分型面

從有利于實現順序凝固、充型平穩、提高生產效率等因素綜合考慮，鑄件的澆注位置確定為Φ2800法蘭向上，分型面在Φ4500法蘭下端面。

2.3 澆注系統

為保證砂型不局部過熱、充型平穩、降低鋼液沖刷力、提高冒口補縮效率，鑄件采用階梯式底注的澆注系統，直澆道為Φ120mm，第一層內澆道從Φ4500邊暗冒口處進入、4道Φ80mm，第二層從環形通腔下端面邊暗冒口處進入、2道Φ100mm，第三層從明冒口頂面以下450mm處進入，2道Φ100mm。

根據t=G/nq，V=H/t計算得出鋼液上升速度為15.7mm/s，根據生產實際經驗和鑄造手冊對于上升速度的要求，確定該澆注系統的設計是合理的。

2.4 收縮率

根據鑄件結構特點和材質，工藝設計為軸向線收縮率1.8%，徑向線收縮率1.5%。

2.5 工藝方案

鑄件生產造型方式為地坑組芯造型，2個芯頭實樣，10個芯盒。其中1、4、6號1/2芯盒，10號芯盒做2個。

3 質保措施

（1）由于鑄件輪廓尺寸較大加之組芯造型外皮邊芯頭較大，芯盒輪廓尺寸將達到6m左右，為保證型芯尺寸精度，利用槽鋼焊制底板骨架以保證模型的強度、平整度。

（2）為保證型芯不變形、不開裂、不影響鑄件質量，芯骨均隨型研制，特別是4號芯芯骨斷面尺寸達到Φ80mm，利用加熱研制，以保證4號芯的強度。

（3）采用電弧爐+VOD雙聯熔煉的方案，VOD精煉由于惰性氣體氬氣的保護，可以減輕鋼液的二次氧化。并且降低鋼水中氣體和非金屬夾雜物的含量，氫可脫除15～40%，非金屬夾雜物可減少50%。以保證鋼液的純凈度和鑄件的性能。

（4）型砂采用先進的酯硬化堿酚醛樹脂自硬砂，以保證型芯尺寸精度、鑄件表面質量、降低鑄件產生皮下氣孔的傾向。

（5）為保證吊耳座部分UΤ探傷滿足一級要求，采用內、外冷鐵，鉻鐵礦砂激冷的方式保證組織致密。

（6）在4、6號芯內預留焊點，將1/2外型型芯變為整體芯，以保證型芯不下沉、變形，同時保證Φ372孔芯不被壓壞。降低了型芯重量、組芯操作難度。

（7）通過Procast數值模擬仿真軟件對工藝方案進行反復推演，通過對流場、溫度場、應力場和微觀結構的分析和實際生產經驗，對工藝參數進行反復修改，確定出最優工藝方案。

4 結語

我公司歷時5個月成功完成了重型燃氣輪機氣缸鑄件粗加工狀態交付的生產任務，在解決了一系列的技術難題后，產品各項技術指標完全滿足客戶要求，鑄件一次交檢合格。為生產高端鑄件積累了寶貴的經驗，得到了用戶的高度肯定和贊揚,為后續生產更多高附加值鑄件奠定了良好的基礎。

對我國泵行業來說,雖然隨著水泵制造技術和應用技術的不斷提高，無論從產業規模和產品質量都取得了長足的進步，但高端市場的需求還是得不到滿足，特別是這種材質為ZG0Cr19Ni9的250CL-5型電動凝水泵的生產還尚屬首次。

據我們所了解的情況國外發達國家生產的電動凝水泵已經有了成熟的制造技術，但無具體研究報告的報道。