核電發電機組某型柴油機機身鑄造工藝優化設計

陳振江，陳曉龍，李 驥，趙悅光，彭 倩，田逢甲

（陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713105）

機身是組成柴油機的關重件，直接決定柴油機的使用壽命。機身外形尺寸大，形狀復雜，質量要求高，關鍵部位不允許出現影響裝配及機身使用性能的缺陷，且每臺機身加工后必須進行超聲波探傷，密封性試驗等，因此，通過優化鑄造工藝設計，解決機身鑄造缺陷勢在必行。

1 機體結構簡介

該型柴油機機身共有12個缸，分A、B兩列，成V形排列，夾角為45°，缸孔距為740mm，A、B列缸孔中心錯缸距125mm；缸孔外側為凸輪軸腔，最小壁厚25mm；底腳板寬度：290mm，厚度為200mm；鑄件輪廓尺寸為5517mm×2496mm×1845mm，壁厚相差懸殊，內外結構復雜，液重約40000kg，毛坯重量約35000kg。機身簡圖見圖1。

2 主要技術要求

2.1 材質

QT400-15A（GB/T1348-2009）或 EN-GJS-400-15U(EN1563-2011)。

圖1 機體簡圖

2.2 一般尺寸公差

ISO8062 CT11級，壁厚公差：CT12級。

2.3 機械性能

抗拉強度Rm≥390MPa，屈服強度Rp0.2≥250MPa，延伸率A≥14%，布氏硬度130～185HBW。

2.4 基體組織結構

鐵素體≥90%，石墨形態：Ⅴ+Ⅵ≥90%，尺寸：4～6 級。

2.5 化學成分（%）

P≤0.1；S≤0.02；Ti≤0.02。

2.6 無損檢測

在以下區域進行超聲波檢查：

（1）缸蓋螺栓孔區域；

（2）主軸承螺栓孔區域；

（3）缸蓋螺栓孔連接區域和主軸承螺栓連接區域；

（4）底腳板。

2.7 射線檢查

在第2.6中規定的一些特殊區域致密度問題得到很好控制之前，射線檢查是必須的。在鑄造商已連續成功生產2臺關鍵部位無缺陷的機架；具有豐富的大型柴油機機架生產經驗的條件下，射線檢查頻次可以減少（每年應保證一次）。

3 機身存在的鑄造缺陷

該型柴油機機身已投產數件，鑄件毛坯面表面質量一般，機加工后缸孔下沿、凸輪軸窗口下沿及曲軸觀察窗口下沿等部位出現不同程度的夾雜缺陷，兩端面圓孔周邊出現點狀縮松，底腳板背面易出現冷隔缺陷。機身生產過程中出現多種鑄造缺陷，影響鑄件質量，嚴重制約機身生產進度。

4 鑄造工藝優化設計

對該型柴油機機身鑄造生產過程及鑄造工藝，進行了系統的分析，剖析機身出現的多種鑄造缺陷，確定導致機身鑄造缺陷原因為機身澆注過程鐵水充型不平穩，產生紊流形成氧化夾雜和局部冷隔缺陷，機身局部冷鐵設置不到位造成縮松缺陷。該型機身鑄造工藝主要從澆注系統和冷鐵布局兩方面進行設計優化。

4.1 澆注系統設計

圖2 原工藝澆注系統

原有鑄造工藝內澆口從凸輪軸兩側及底腳板兩側面引入鐵水為半封閉階梯式澆注系統，如圖2所示，半封閉階梯式澆注系統澆注過程中鐵水充型不穩定，產生紊流。根據有關資料及實際生產經驗，采用開放式澆注系統，直澆道為阻流截面[1]，橫澆道截面積最大，這種設計滿足了大容量輸送鐵水的同時，即可保證鐵水充型平穩，又能保證熔渣在橫澆道內充分上浮，避免進入型腔。其各單元截面積比例按

（1）直澆道截面積按公式：

式中G——液重，取40000 kg；

μ——流速系數，取0.46；

t——澆注時間；

Hp——平均靜壓頭。

澆注時間：

式中S1——系數，取1.2；

δ——鑄件主要部分壁厚，取40mm。

金屬液面上升速度復核：

式中C——鑄件高度；

t——澆注時間。

符合鐵水最小上升速度的要求，V上升為10～20mm/s。

直澆道數量為4個，則單個截面積：F直=

實際選用4個?70直澆道，單個截面積為38.47cm2，由于直澆道高度較高，中間段設計有“S”型緩沖結構，防止因鐵水落差太大而導致在直澆道底部產生沖砂或飛濺現象。

（2）內澆道截面積

根據澆注系統各部分比例關系得：

實際采用44個?40的內澆口，單個?40內澆口的截面積是12.56cm2?！艶內=44×12.56=553（cm2）。

內澆口出口平均流速校核：

根據實踐經驗，鐵水內澆口出口流速應控制在≤100cm/s。

為了進一步增加澆注系統撇渣能力，內澆口在橫澆道高度方向的中間位置搭接，優點是既可防止澆注開始時的流頭臟鐵水進入型腔，又能防止后續鐵水中的熔渣進入型腔，如圖3所示。

圖3 搭接式澆道示意圖

（3）橫澆道截面積

根據澆注系統各部分比例關系得：∑F橫=154×2.5=385（cm2）。

4.2 冷鐵設計

機身兩端面弧形邊沿和圓孔部位加工后存在縮松（位置見圖6），為消除兩端面縮松，在這些部位設計外冷鐵，材料為鑄鐵，冷鐵厚度按照熱節厚度的0.5～0.8倍設計，冷鐵擺放位置示意圖見圖7。

5 生產驗證

機身工藝優化改進后相繼投產數十臺，經過加工探傷驗證機身各項性能指標均符合技術文件。機身外觀質量良好，精加工后機身缸孔邊沿、凸輪軸窗口、曲軸觀察窗口及機身兩端面均未出現缺陷，經加工后探傷和射線驗證機身質量良好，不存在缺陷，如圖8所示。該型機身基于我司承擔的“華龍一號”項目的研制，為此項目提供高質量機身，確保了該項目的順利實施。

6 結論

（1）機身按此工藝優化設計后，澆注過程平穩無紊流，冷鐵布局合理，有效消除機身缺陷，機身各項性能均符合技術條件。

圖4 改進后澆注系統

圖5 優化設計后澆注系統各組元示意圖

圖6 縮松部位

圖7 增加冷鐵位置

圖8 機身加工后表面質量

（2）該型機身設計此開放式底注澆注系統，能充分運用澆注系統的避雜能力，利用球墨鑄鐵凝固原理和自補縮能力，能夠有效提高柴油機機體內部質量，工藝優化后生產的機身中未發現鑄造缺陷，大大提高了鑄件表面質量和成品率。

（3）該型柴油機機身的鑄造工藝優化設計為后續類似結構鑄件的工藝設計提供有力依據。