大功率柴油機機架的鑄造工藝技術

顧慶同，陶衛(wèi)生，毛林鑫

（1. 中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124，2. 中船海洋動力部件有限公司，上海 200129）

0 引言

機架是大功率核電應急柴油機的關鍵零件，5 500 mm×2 520 mm×1 870 mm（長×寬×高），澆注質量38 t；材質牌號EN-GJS-400-15，球墨鑄鐵，附鑄試塊性能：Rm≥390 MPa；Rp0.2≥250 MPa；E%≥14%，硬度130 HB～185 HB。金相組織：石墨尺寸4 HB～7 HB，球化率≥90%，鐵素體≥90%。大功率核電應急柴油機機架是材質要求高、結構鑄造性差的大型復雜鑄件。該機架鑄造難度大，鑄造質量問題多，如夾砂、夾渣、縮松和材質性能差等，鑄件報廢率高，目前國內外只有少數(shù)鑄造廠家掌握了該機架的鑄造技術。

1 機架鑄造難點分析

大功率核電應急柴油機機架的鑄造難點如下。

1.1 機架夾雜缺陷

機架鑄造質量大，外形巨大，內腔結構復雜，澆注充型過程中極易產(chǎn)生鐵水紊流，氧化渣、積灰、散沙等夾雜物裹進鐵水內，聚集停留在鑄件臺階、角落和筋板等內腔位置，造成鑄件夾雜缺陷，嚴重影響鑄件質量。

1.2 機架縮松、縮孔缺陷

機架內腔的缸蓋螺孔、軸承螺孔等受力部位都是孤立熱節(jié)點，凝固過程補縮條件很差，凝固后期極易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷[1]。這些受力位置若有缺陷，將影響機架受力功能，造成機架報廢。

1.3 機架理化性能不符要求

大功率核電應急柴油機機架澆注質量大，澆注質量38 t。該機架澆注涉及多個熔化爐，澆包、座包，相比一般中小件澆注，從球化孕育結束到完成澆注要延長10 min～15 min，機架的鐵水球化孕育衰退時間長，材質理化性能將很難達到技術規(guī)范要求。

2 機架鑄造工藝方案

根據(jù)機架的鑄造難點分析，制定了機架鑄造工藝方案。

2.1 解決機架夾雜類缺陷工藝方案

提高澆道系統(tǒng)的擋渣能力，設置鐵水過濾器；座包定量澆注，減少夾雜物進入型腔；合理設置澆注溫度，促進鐵水內夾雜上浮去除等。

2.2 解決機架縮松、縮孔缺陷工藝方案

保證整個機架鐵水補縮量，設置頂冒口和暗冒口；機架孤立熱節(jié)點，設置冷鐵，加快冷卻；提高鑄型剛度，利用鐵水自補縮能力。

2.3 解決機架材質理化性能工藝方案

爐料選擇及爐料配比，保證鐵水成核能力；嚴格控制有害元素，防止影響鐵水球化孕育效果；合理選用球化劑、孕育劑，保證鐵水球化孕育效果，防止鐵水孕育衰退。

3 軟件模擬優(yōu)化工藝設計

運用軟件模擬優(yōu)化工藝設計參數(shù)，預測充型的平穩(wěn)性、材質性能和鑄件縮松傾向等內容，發(fā)現(xiàn)機架工藝的不足，對工藝不斷完善，提高實際生產(chǎn)的鑄件質量。

4 機架鑄造工藝措施

根據(jù)機架鑄造工藝方案，結合公司鑄造生產(chǎn)各類機架工藝經(jīng)驗，制定解決機架鑄造缺陷的工藝措施。

4.1 解決鑄件夾雜缺陷

1）澆道系統(tǒng)設計

機架采用底注澆道系統(tǒng)，使鐵水充型平穩(wěn)，減少鐵水紊流。澆注系統(tǒng)截面比例采用半封閉式，使?jié)驳老到y(tǒng)的鐵水充型平穩(wěn)，同時又有一定的擋渣能力[2]。直澆道Φ90-4道，橫澆道Φ100-4道，橫澆道Φ40-24道。直澆道∶橫澆道∶內澆道為1∶1.23∶1.18。

2）鐵水過濾設計

在每個內澆道位置設置一個過濾器，過濾器內放置過濾網(wǎng)，保證鐵水進入型腔前得到充分過濾凈化[2]。

3）座包定量澆注

蓋箱設置座包，座包用帶拔塞頭堵住進水口。所有鐵水球化孕育后先倒入座包，在座包中鎮(zhèn)靜1 min～2 min，使鐵水中氧化渣等雜物充分上浮，去除雜物，再拔塞澆注。

4）澆注溫度控制

機架型腔復雜，內腔冷鐵又多，鐵水充型降溫快，夾雜物更加容易停留在鑄件內部，形成夾雜物缺陷，所以機架采用高溫澆注，座包拔塞時鐵水測溫要求為：(1 350±15) ℃。

4.2 解決縮松、縮孔缺陷

1）冒口設計補縮

底板位置設置頂冒口：底板位置壁厚200 mm，冒口徑取φ160 mm、高度80 mm，冒口體取φ260 mm、高度450 mm，頂冒口每檔2只，共14只。頂冒口合計質量2 600 kg，占鑄件質量10.8%。軸承檔設置暗冒口：軸承檔位置壁厚150 mm，冒口徑取φ90 mm、高度60 mm，冒口體取φ180 mm、高度220 mm。每檔2只，共14只。冒口布置見圖1。

2）熱節(jié)處設置冷鐵

針對缸蓋螺孔、主軸承螺孔等位置孤立熱節(jié)點容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷[3]。工藝上采用冷鐵激冷，加快熱節(jié)點鐵水凝固，保證材質致密性。冷鐵厚度為鑄件熱節(jié)厚度的0.6～0.8，整個鑄件熱節(jié)表面都覆蓋冷鐵。各位置冷鐵布置見圖2。

圖2 冷鐵布置圖

3）鑄型緊固設計

4.3 解決材質理化性能問題

1）爐料選擇及爐料配比

機架鑄造采用高純生鐵為主，S、P和Ti等雜質元素含量低，鐵水成核能力強，球化孕育效果好，鑄件理化性能才能保證[3]。爐料配比：高純生鐵65%+廢鋼35%+增碳劑。

2）鐵水成分控制

鐵水成分采用較高的C、Si含量，保證鐵水石墨化能力；控制Mn含量，防止鐵水珠光體化能力過大；同時，嚴格控制S、P元素，防止影響球化孕育效果。原鐵水成分控制：C為3.6%～3.8%；Si為1.4%～1.6%；Mn為0.2%～0.3%；P≤0.05%；S為0.009%～0.015%。

3）球化劑選擇及球化方式

為保證球化效果，采用球化能力強的MgRe球化劑，球化劑用量：1.2%；球化劑預埋在澆包包底一側，其上面覆蓋球鐵蓋板。高溫鐵水快速倒入澆包沒有球化劑的一側進行球化處理，鐵水覆蓋包底后逐步開始球化反應。

4）孕育劑選擇及孕育方式

為提高孕育效果，采用出鐵球化隨流孕育和座包隨流孕育[1]；出鐵球化孕育，采用低稀土孕育劑，用量0.55%；座包隨流孕育，采用硫氧孕育劑，用量0.15%。

5 工藝仿真模擬優(yōu)化

采用鑄造仿真軟件模擬驗證，根據(jù)模擬結果，優(yōu)化機架工藝參數(shù)。

5.1 充型的平穩(wěn)性模擬

機架采用底注半封閉式的澆道系統(tǒng)，同時內澆道設置過濾網(wǎng)。鑄造仿真軟件顯示，鐵水充型平穩(wěn)，見圖3。

圖3 鐵水充型模擬仿真圖

5.2 鑄件縮松傾向模擬

機架熱節(jié)主要集中在缸蓋螺孔、主軸承孔和鑄造頂部甲板等部位設置冷鐵、冒口等工藝措施，鑄造仿真軟件顯示，上述位置沒有縮松傾向，見圖4。

圖4 鑄件仿真顯示圖

6 鑄造生產(chǎn)驗證

5.3 材質性能模擬

根據(jù)模擬分析，機械強度、延伸、硬度和金相等指標滿足技術規(guī)范要求，且分布均勻。如機架材質要求延伸率≥14%，模擬分析延伸率約19%～20%，符合要求，見圖5。

圖5 鑄件性能模擬圖

大功率核電應急柴油機機架目前完成生產(chǎn)驗證3件，機架毛坯、加工后各項檢驗指標符合技術規(guī)范要求。

6.1 材質理化性能及金相組織驗證

3臺機架的附鑄試塊，各項理化性能及金相組織檢驗指標都符合技術規(guī)范要求，機架材質性能良好、穩(wěn)定。

機架力學性能檢測結果全部合格，見表1。機架化學成分、金相組織檢測結果全部合格，見表2。

表1 機械性能

表2 化學成分及金相組織

表2 化學成分及金相組織（續(xù)）

6.2 外觀及內在質量驗證

機架毛坯及加工后檢查，缸套孔、軸承檔等關鍵位置要求超聲波檢查和射線檢查合格。加工后缸蓋螺孔等位置也未發(fā)現(xiàn)疏松、縮松、縮孔、夾砂和氣孔等缺陷。加工后機架見圖6。

圖6 機架成品圖片

7 結論

通過大型復雜機架生產(chǎn)驗證，形成以下幾點工藝設計經(jīng)驗：

1）為減少大型復雜機架的夾雜類缺陷，必須充分發(fā)揮澆道系統(tǒng)的擋渣能力，采用底注澆注系統(tǒng)，設置過濾器等，同時澆注溫度要高。

2）為防止復雜大型機架的產(chǎn)生縮松等缺陷，必須加強冒口和冷鐵設置，兩者互相配合，保證厚大關鍵位置凝固補縮條件。

3）為保證大型機架的材質性能，必須采用高純生鐵等優(yōu)質爐料，提高原鐵水質量，同時采用高效的球化孕育劑和球化孕育方式，防止球化不良，孕育衰退等問題。