压气机第六～十五级气缸铸造工艺研究

摘 要：介绍了重型燃气轮机压气机第六～十五级气缸铸件的生产工艺，分析了铸件生产的关键工艺技术，利用Pro-cast数值模拟仿真软件对工艺方案进行了模拟，通过采取合理的工艺措施，成功完成了铸件的生产任务并一次交检合格。

关键词：重型燃气轮机；压气机；马氏体不锈钢；铸造工艺

压气机是重型燃气轮机的核心铸件，燃气轮机是大功率、高性能的动力机械，广泛应用于发电、船舶动力、机械驱动等领域。有着功率密度极大、启动速度快等特点，它集中了机械制造行业所有高精尖技术，被称为装备制造业皇冠上的明珠。重型燃气轮机的制造水平是一个国家科技水平、军事实力、综合国力的重要标志之一，是关系到国家能源和国防建设的重要产业。世界上只有美、英、俄、法、德、日本等几个少数发达国家具备独立研制燃气轮机的能力，其核心技术一直被这些国家所垄断。该项目是为了打破少数发达国家技术封锁，打造自主知识品牌的国家科技部“863”项目。压气机第六～十五级气缸铸件是压气机部件中整体铸造、整体加工的重要部件，产品质量直接影响整个机组的可靠性、安全性。

压气机第六～十五级气缸为ZG06Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢铸件，属于超高附加值类铸件，产品结构复杂，制造难度极大。分为上、下半缸，为半圆结构铸件，全高1400mm，最大外径4500mm，铸件毛坯重量约为14T，最大壁厚220mm，最小壁厚50mm，壁厚差异大，局部热节多。未注明的铸件一般尺寸公差12级，非加工表面粗糙度≤12.5，铸件100%进行MT、UT探伤检查，MT探伤及质量分级方法按JB/T9630.1-1999，（1）区机械加工表面的质量等级为1级，其余机械加工表面的质量等级为2级，（2）区铸造表面的质量等级为3级，其余所有铸造表面的质量等级均为4级。UT探伤及质量分级方法JB/T9630.2-1999，（3）区的质量等级均为2级，吊耳座和吊耳座根部检查的质量等级均为1级，其它部位的质量等级均为3级。

1 制造关键点分析

根据铸件结构和技术条件分析，该产品设计中的关键点如下：

（1）铸件整体内在质量，特别是吊耳座及吊耳座根部的UT检测满足1级要求。

（2）铸件整体表面质量，特别是机械加工（1）区域的MT检测满足1级要求。

（3）部分无法利用冒口补缩区域如何达到UT检测要求。

（4）铸件尺寸较大，各部分受阻趋势不一致，非加工面如Φ2300 +0-5 容易超差。

（5）十级放气活门、吊耳座型芯的固定。

2 工艺设计

2.1 铸件的工艺性分析

从气缸铸件的几何结构看，铸件厚大热节处很多，钢液从凝固到冷却过程中将产生很大的收缩、内应力和组织变化，极易出现变形、缩孔、缩松等缺陷，壁厚差异大且不规律，易产生粘砂、裂纹等缺陷。根据内在质量要求严和铸件的结构特点，铸件的凝固顺序确定为顺序凝固。

2.2 浇注位置、分型面

从有利于实现顺序凝固、充型平稳、提高生产效率等因素综合考虑，铸件的浇注位置确定为Φ2800法兰向上，分型面在Φ4500法兰下端面。

2.3 浇注系统

为保证砂型不局部过热、充型平稳、降低钢液冲刷力、提高冒口补缩效率，铸件采用阶梯式底注的浇注系统，直浇道为Φ120mm，第一层内浇道从Φ4500边暗冒口处进入、4道Φ80mm，第二层从环形通腔下端面边暗冒口处进入、2道Φ100mm，第三层从明冒口顶面以下450mm处进入，2道Φ100mm。

根据t=G/nq，V=H/t计算得出钢液上升速度为15.7mm/s，根据生产实际经验和铸造手册对于上升速度的要求，确定该浇注系统的设计是合理的。

2.4 收缩率

根据铸件结构特点和材质，工艺设计为轴向线收缩率1.8%，径向线收缩率1.5%。

2.5 工艺方案

铸件生产造型方式为地坑组芯造型，2个芯头实样，10个芯盒。其中1、4、6号1/2芯盒，10号芯盒做2个。

3 质保措施

（1）由于铸件轮廓尺寸较大加之组芯造型外皮边芯头较大，芯盒轮廓尺寸将达到6m左右，为保证型芯尺寸精度，利用槽钢焊制底板骨架以保证模型的强度、平整度。

（2）为保证型芯不变形、不开裂、不影响铸件质量，芯骨均随型研制，特别是4号芯芯骨断面尺寸达到Φ80mm，利用加热研制，以保证4号芯的强度。

（3）采用电弧炉+VOD双联熔炼的方案，VOD精炼由于惰性气体氩气的保护，可以减轻钢液的二次氧化。并且降低钢水中气体和非金属夹杂物的含量，氢可脱除15～40%，非金属夹杂物可减少50%。以保证钢液的纯净度和铸件的性能。

（4）型砂采用先进的酯硬化碱酚醛树脂自硬砂，以保证型芯尺寸精度、铸件表面质量、降低铸件产生皮下气孔的倾向。

（5）为保证吊耳座部分UT探伤满足一级要求，采用内、外冷铁，铬铁矿砂激冷的方式保证组织致密。

（6）在4、6号芯内预留焊点，将1/2外型型芯变为整体芯，以保证型芯不下沉、变形，同时保证Φ372孔芯不被压坏。降低了型芯重量、组芯操作难度。

（7）通过Procast数值模拟仿真软件对工艺方案进行反复推演，通过对流场、温度场、应力场和微观结构的分析和实际生产经验，对工艺参数进行反复修改，确定出最优工艺方案。

4 结语

我公司历时5个月成功完成了重型燃气轮机气缸铸件粗加工状态交付的生产任务，在解决了一系列的技术难题后，产品各项技术指标完全满足客户要求，铸件一次交检合格。为生产高端铸件积累了宝贵的经验，得到了用户的高度肯定和赞扬，为后续生产更多高附加值

铸件奠定了良好的基础。

对我国泵行业来说，虽然随着水泵制造技术和应用技术的不断提高，无论从产业规模和产品质量都取得了长足的进步，但高端市场的需求还是得不到满足，特别是这种材质为ZG0Cr19Ni9的250CL-5型电动凝水泵的生产还尚属首次。

据我们所了解的情况国外发达国家生产的电动凝水泵已经有了成熟的制造技术，但无具体研究报告的报道。

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