基于整體設計的汽輪機高壓外缸鑄造工藝

李永新，郭小強，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

基于整體設計的汽輪機高壓外缸鑄造工藝

李永新，郭小強，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

介紹了一種基于整體設計的汽輪機高壓外缸的鑄造工藝，根據鑄件復雜的結構特點和嚴格的質量要求，確定鑄件垂直方向鋼液長距離補縮、內腔蝸殼容易粘砂和夾渣，以及貓爪處熱節較大等鑄造難點，采取了針對性的工藝措施，并利用計算機模擬技術進行分析優化，經過生產驗證，鑄件質量良好，鑄造工藝可行。

高壓外缸；蝸殼；粘砂；鑄造工藝；計算機模擬

0　前言

汽輪機是能將蒸汽熱能轉化為機械功的外燃回轉式機械，來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過系列環形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉化為汽輪機轉子旋轉的機械能[1]。其缸體工作環境處于高溫、高壓狀態之下，環境惡劣，對性能要求極高。國內常見的大型蒸汽輪機外缸多分為上下兩半，結構多為較規則的半回轉體，鑄造難度本身不大。而本文所述汽輪機外缸采用西門子技術進行設計，缸體為整體鑄造的不規則回轉體鑄件，類似常見的汽輪機閥門鑄件。該鑄件本體表面臍子和管口較多，且大小不一，從鑄造工藝看，鑄件補縮熱節較多，內腔蝸殼等復雜部位容易出現夾渣、裂紋、偏芯等鑄造缺陷，因而鑄造工藝設計難度很大。本文將針對以上難點，對鑄件鑄造工藝設計進行討論。

1　鑄件分析

1.1產品基本參數及技術要求

本文所述高壓外缸結構復雜,如圖1所示，鑄件毛坯質量35.2 t，材質為G17CrMoV5-10，最大輪廓尺寸3 310×3 010×2 355（mm）。NDT要求鑄件本體100%UT和MT，表面管口部位還需要進行RT；不允許將內冷鐵和芯撐留在鑄件內，復雜的鑄件結構和嚴格的NDT要求對鑄造工藝設計提出了挑戰。

圖1　汽輪機高壓外缸產品圖

圖2　汽輪機高壓外缸內腔蝸殼圖

1.2 鑄件結構分析

圖3　鑄件縮松模擬顯示

通過研究該鑄件結構以及公司此前已經生產過的相近結構的鑄件工藝特點和質量狀況，分析確定出如下幾個鑄造難點：

1)澆注時圖3所示示垂直方向鋼液補縮問題；

2)內腔蝸殼粘砂及夾渣問題；

3)外表面貓爪處熱節較大的問題。

針對以上問題，鑄造工藝方面初步確定如下解決措施：

1)上端法蘭處設置明冒口，采用保溫冒口；

2）為了實現明冒口向下補縮的通道通暢，將上端兩橫管口鑄實；

3）設置暗冒口補縮貓爪及蝸殼部位；

4）采取“二分法”設計底注式澆注系統，防止澆注系統紊流等現象帶來的二次氧化夾渣缺陷[2]。

圖4　鑄件分型方案

2　鑄造工藝方案設計

2.1造型方案的確定

考慮鑄件結構特點及初步工藝方案，在公司天車吊運能力和已有砂箱等工裝條件允許下，該汽輪機高壓外缸鑄件采用三箱造型方案。明冒口位于上箱，鑄件本體大部分位于中箱，鑄件下部小部分和澆注系統位于下箱，分型、分模面設計充分考慮模具的整體性（少分模、少活料）、拔模斜度和操作的便利性，具體分箱方案如圖4所示。

2.2冒口的設計

鑄件的結構、分箱（型）面的位置等一旦確定，為了方便造型、制芯操作，冒口的位置也就基本確定。通過計算機模擬分析鑄件熱節位置分布情況，并利用模數法計算鑄件熱節模數，通過對比，確定準確的熱節部位及模數。

冒口的設計采用模數法，基本原理是冒口應比鑄件受補縮部分晚凝固，以冒口中的金屬液補縮鑄件，使鑄件材料致密?；诖嗽?，冒口模數應當大于被冒口鋼液補縮部分的鑄件模數[3]。同理，鑄件本體也需要具備相應的補縮梯度。根據相關文獻記載及公司內部設計經驗積累，設定M2=1.1M1，M冒=1.2M件，即可滿足補縮要求。根據鑄件熱節分布情況，通過水平補縮距離和模數計算來確定冒口的尺寸和數量，并配合補貼和冷鐵的使用，確保補縮液量充足，最終完成鑄件鑄造工藝設計[4]。

然后，再應用先進的計算機模擬軟件對鋼液凝固過程進行模擬分析，優化鑄造工藝設計，最終工藝模擬結果顯示冒口補縮能力充足，鑄件本體無縮孔、疏松傾向，冒口設計合格。

圖5　凝固過程計算機模擬

2.3防粘砂、夾渣設計

大型鑄鋼件澆注溫度一般都在1 570 ℃左右，本文所述高壓外缸內腔蝸殼部位因為空間狹小且壁薄，澆注后在鋼液較長時間的高溫烘烤之下，蝸殼內容易形成粘砂及夾渣缺陷。為了更好地預防此處粘砂，首先采用計算機模擬軟件對鑄件粘砂傾向進行了模擬，如圖6所示，蝸殼內深藍色部位容易形成粘砂。為此，采用新鉻鐵礦砂打制該部位砂芯，確保此處型（芯）砂具有較高的耐火度，以此預防型（芯）砂燒結或潰散，形成粘砂或夾渣缺陷。

圖6　蝸殼粘砂傾向模擬

2.4澆注系統的設計

由于鑄鋼件的澆注溫度高，澆注過程中型腔表面受到鋼液的熱輻射后被加熱，容易發生體積膨脹，表層與內層分離，型砂潰散等問題。特別是大型鑄鋼件，澆注鋼液量大，更是需要實現快速澆注，以最大限度的減少鋼液對型腔表面的熱輻射等有害作用[5]。

該高壓外缸鑄件采用漏包底注開放式澆注系統，依據“二分法”原則設計內澆道和橫澆道數量，使得鋼液盡可能均勻進流。同時，還應用公司從國外引進的GS-100澆注系統設計軟件計算澆注參數。計算結果如下，澆注質量60 t，采用60#鋼包，兩個ф120 mm的滑動水口，2個ф120 mm和8個ф140 mm的內澆口。澆注速度0.55 m/s，澆注時間114 s。利用計算機模擬軟件，對鋼液充型過程進行模擬，顯示金屬液平穩快速上升，無紊流、飛濺和卷氣現象，證明澆注系統設計合理。

3　結論

該高壓外缸鑄件鑄造工藝經過生產驗證，造型過程操作方便，鑄件壁厚控制合理，蝸殼內粘砂較少。鑄件缺陷量較公司以往生產的相近結構鑄件減少了50%，鑄件化學成分、機械性能均達到顧客規范要求，且產品批量驗證合格，證明該鑄造工藝的造型方案、冒口設計、防粘砂措施以及澆注系統設計是合理有效的，產品鑄造工藝研發獲得了成功。

［1］ 趙常興.汽輪機組技術手冊［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］ 陳國楨.鑄件缺陷和對策手冊［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［3］ 李新亞.鑄造手冊（第5卷）鑄造工藝［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［4］ 李弘英，趙成志.鑄造工藝設計［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［5］ 趙永讓.大型鑄鋼件澆注系統的設計原則［J］.鑄造技術，2008（10）.

［6］ 陳得潤,馬進.百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼管件焊接技術的研究及應用［J］.中國鑄造裝備與技術,2014（3）.

The Casting Process Development of Turbine High Pressure Outer Cylinder Based on Overall Design

LI YongXin, GUO XiaoQiang, LU Yun
（Kocel Steel Foundry CO.,LTD., Yinchuan 750021，Ningxia,China)

This paper describes the casting process development of turbine high pressure outer cylinder which based on overall design,according to complex structural characteristics and strict quality requirements of the casting， identifed casting molten steel vertical distances feeding，easy to sand fusion and slag in worm frame of cavity， the large hot spot of casing lug，and other casting diffculties， the process has taken targeted measures， and use computer simulation technology to analysis and optimize. Production-proven, the casting showed good quality, it means the casting process was successful.

High pressure outer cylinder; Worm frame; Casing lug; Sand fusion; Computer simulation

TG244+.2；

A；

1006-9658（2015）06-0014-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.004

2015-05-25

稿件編號:1505-956

李永新（1972—）男，工程師，主要從事大型鑄鋼件鑄造技術研究工作.