燃氣輪機壓氣缸的鑄造工藝方法

安玲玲，孟慶文

（共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

燃氣輪機壓氣缸的鑄造工藝方法

安玲玲，孟慶文

（共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

主要介紹一種燃氣輪機壓氣缸的鑄造工藝方法，由高效的擋渣澆注系統，通暢的補縮通道，方便的操作工藝等組成,即通過合理的工藝設計，應用凝固模擬驗證，實現該產品的穩定生產。

工藝設計；澆注系統；凝固模擬

壓氣缸作為燃氣輪機發電設備中最重要的組成結構之一，屬于高溫承壓類鑄件，使用環境特殊，產品質量要求高。本文主要介紹一種壓氣缸產品的鑄造工藝方法，該方法基于鑄造充型模擬軟件，由高效的擋渣澆注系統，通暢的補縮通道，方便的操作工藝等組成。旨在提高產品質量，滿足顧客需求。

1　產品信息

1.1產品的基本信息

鑄件的輪廓尺寸為2?778×1?394×1?446（mm），總質量為6?645?kg，材質為ASTM?A395?60-40-18，具體信息見表1，產品結構見圖1。

表1　產品基本信息

1.2產品的質量要求

產品的主要質量要求包括機械性能、微觀金相要求，及內部缺陷要求，具體見表2。

2　工藝方案

2.1工藝設計

圖1　壓氣缸鑄件示意圖

表2　產品質量要求

根據產品的結構特點，做如下工藝設計。

（1）澆注方向及分型方法

壓氣缸鑄件一般有3種澆注方式，包括水平結合法蘭向上，水平結合法蘭向下，水平結合法蘭垂直放置。根據筆者所在公司的工裝限制，以及工廠實際可操作性，選擇圖2澆注方向及分型方案，即水平結合法蘭向上。

圖2　澆注方向及分型方案

此種澆注方案有如下優點：

補縮通道順暢，方便形成溫度梯度，實現順序凝固，最后由冒口進行補縮；

合箱操作簡化，所有砂芯都在下箱，合箱后容易檢驗尺寸及砂型的型腔。

當然，這種澆注方式的選擇也有一定的弊端。例如，需要專門設計一個澆道芯，以便將橫澆道設置在鑄件下方，內澆道進流位置在外缸的圓弧面上，造型操作有一定不便。

綜合產品質量要求，選擇圖2方式進行設計，是各種方案中較合理的一種方式。

（2）分芯方式

壓氣缸為回轉體結構，內缸部位由一個砂芯形成，氣道及抽氣道一般也是由一個砂芯形成。但是本產品的氣道位置結構復雜，存在下芯干涉的問題，無法由一個砂芯形成，因此工藝設計時將氣道及抽氣口位置分成3個砂芯，同時設計一個假芯，增加下芯的空間。如前所述，由于分型面在水平結合法蘭，因此需要設計一個澆道芯，將橫澆道盡量放置在鑄件下方。綜合以上分芯設計，本方案中共有13個砂芯，具體見圖3，圖4。

如圖3、4所示，氣道芯的下芯順序為②→①→③→④，很好地解決了下芯干涉的問題。此種分芯方式的優點：充分考慮鑄件的特殊結構，將此部位的砂芯拆分成三個，并增加一個下芯假芯，既充分考慮氣道結構的定位尺寸和精度，又方便實際操作。同時，澆道芯的設計可以將橫澆道放置于鑄件下方，有利于橫澆道的充滿。

（3）澆注系統設計

此產品的重要加工面多，一般壓氣缸主要加工面為水平、垂直的結合法蘭，以及內缸。此產品的加工量還包括外缸的兩處腰帶和多處臍子，因此RT、UT區域比一般壓氣缸多30%左右，產品的質量要求高。設計澆注系統時應當充分考慮擋渣效果和內澆道流速要求，做如下設計。

圖3　本方案合箱簡圖

圖4　氣道芯局部顯示

澆注系統采用開放式，同時在橫澆道中放置過濾網，出于過濾網過濾量的考慮，將過濾網按照實際使用面積進行核算。開放式的澆注系統，其內道流速一般都小于1?m/s。本工藝方案中，內澆道流速為0.62?m/s。但開放式澆注系統有一個弊端，即直澆道一直無法充滿，金屬液容易與空氣中的氧氣反應，產生氧化物類渣子。為此，本工藝在橫澆道兩側設計了特殊的阻流截面，改變了傳統開放式澆注將直澆道設計為阻流截面這一慣例，直澆道中的金屬液可以迅速充滿，防止其產生夾渣缺陷。具體參數見表3。

本澆注系統可歸納為以下四點：

澆注系統中放置過濾網，提高擋渣效果；

表3　澆注系統參數表

采用開放式澆注系統，橫澆道盡量放置在鑄件下方，考慮到砂鐵比這一經濟指標，實際工藝設計時未將橫澆道放置于鑄件下方。

為使直澆道能夠迅速充滿，以彌補開放式澆注系統澆道不能充滿的弊端，在橫澆道上設置兩處阻流截面，兩處阻流截面的面積和是直澆道的0.9倍。

內澆道設計充分考慮與鑄件接觸位置的模數要求，小于鑄件模數；同時為了實現多點進流，鑄件液面均衡上升的要求，共設計了12道內澆道。

（4）鑄件補縮通道設計

本產品整體壁厚較大，主體壁厚為83.6?cm，鑄造上表面即水平法蘭面的模數大于7?cm。鑄件屬于對稱回轉體，補縮方式選擇兩側對稱補縮，設計了4個發熱補縮冒口，如圖6所示。同時使用冷鐵將冒口的不同補縮區域進行分割，另外通過計算每個補縮區域垂直方向的模數，放置合適的冷鐵，完成補縮區域通道的建立。通過CAE模擬，產品的縮松傾向得到有效控制，符合鑄件的檢驗要求。

3　結語

本工藝方案總結如下：

（1）分型方案選擇水平法蘭為鑄造上表面，有利于鑄件補縮及實際操作；

（2）分芯方案的選擇應有利于合箱操作，該產品氣道位置的特殊結構在工藝上進行合理的設計，即設計了特殊的下芯假芯，并對氣道位置進行分割，解決合箱操作的困難。

圖6　模擬結果

（3）澆注系統采用開放式，澆注系統中放置過濾網，橫澆道上設計阻流截面，并將橫澆道放置在鑄件下方，可以有效地提高澆注系統的擋渣效率，并保證內澆道的流速小于1?m/s。

（4）合理的設置補縮通道，可以有效地解決鑄件的縮松傾向。

（5）依據本工藝設計方案，產品首件生產合格，通過了顧客的驗證，并獲得顧客的批量訂單，目前已經實現量產，且質量穩定滿足顧客需求。

[1] 中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造手冊：鑄造工藝（第五卷）[M].北京:機械工業出版社，2003:111-114.

[2] 魏兵，袁森，張衛華.鑄件均衡凝固技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，1998：22-26.

[3] QIT-Fer et Titane Inc. Ductile Iron：The Essentials of Gating and Risering System Design [R]. Rio Tinto Iron & Titanium Inc.1987（1）：20-27.

[4] 王潘興.170柴油機氣缸蓋鑄造工藝改進[J].中國鑄造裝備與技術,2010(6)：:2-23.

gas turbine casting process method

AN?LingLing，?MENG?QingWen
（Kocel?Manufacture?Co.，?Ltd.，YIN?Chuan?750021，Ningxia，?China?）

In?this?paper，?a?gas?turbine?casting?process?method，?namely?the?reasonable?process?design，?based?on?solidifcation?simulation?validation，?implementation?of?stable?quality?of?the?casting?production.

Process?design；Pouring?system；Solidifcation?simulation

TG242;

A；

1006-9658（2015）04-0021-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.006

2015-03-01

稿件編號:1503-830

安玲玲（1986—），女，助理工程師，主要從事鑄造工藝設計工作.