百萬千瓦汽輪機軸承座的研發

納建虹，宋 亮，陳 鵬

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

汽輪機是一種以蒸汽為動力，并將蒸汽的熱能轉化為機械功的旋轉機械，是現代火力發電廠中應用最廣泛的原動機。汽輪機具有單機功率大、效率高、壽命長等優點。軸承座作為其機組的重要零部件，用來承受轉子的全部重力并且確定轉子在汽缸中的正確位置，并支撐這個機組的重量。要在長期的運行過程中保持穩定，需要足夠的結構強度和質量穩定性。大尺寸高質量的軸承座鑄件研究與穩定生產，對國內汽輪機發展有著積極意義。

1 軸承座鑄件技術要求

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，依次經過一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。軸承座是汽輪機一個重要的組成部分，支撐整個機組的重量，與多個結構加工連接配合，兼具氣體通道、液體潤滑與密封等功能，具體的技術參數如下[1]。

圖1 汽輪機機組圖

所述汽輪機軸承座鑄件的輪廓大、鑄件重量和澆注重量重，最大輪廓尺寸達到6770mm×1225mm×1295mm，重量20.9t，澆注重量達到25.1t，主體壁厚80mm，最小壁厚20mm，最大壁厚610mm，材質為QT400-18AR。設計有2 根結構為“Z”字形異形油管，8 個在鑄件高度方向通長的細長孔，同時，具有機翼形空腔的氣體通道，綜合鑄造難度大。軸承座結構如圖2 所示。

圖2 軸承座結構示意圖

鑄件外觀無皮透、氣孔、砂眼、夾渣等缺陷，達到3S1/3S2 標準。所有鑄件全尺寸劃線檢測，鑲鑄管、壁厚、方臺位置等關鍵部位的尺寸均符合ISO 8062 CT12 級尺寸公差要求和顧客規范要求。NDT檢測，關鍵區域UTII 級，100%MTII 級[2]，成分檢測指標、性能、金相指標見表1、表2、表3。

表1 鑄件化學成分指標 ωB/%

表2 U70 附鑄試塊機械性能指標

表3 U70 附鑄試塊金相組織要求

2 軸承座鑄件難點設計

本產品的技術難點主要是：壁厚差異大，最大壁厚超厚，關鍵區域UTⅡ級，需要解決石墨漂浮和縮松缺陷；鑄件油管兩端在鑄造砂型中、中間懸空，在澆注時由于受到來自鐵水的浮力和高溫，極易發生向上的彎曲；鑄件細長孔由懸臂長孔芯帶出，防止細長腔結構砂芯變形，防開裂。

2.1 鑄造方案設計

對于軸承座鑄件，選擇如下的澆注方向，樹脂砂木模手工成型的方式，鑄造縮尺按照長度方向0.9%，高度與寬度方向1.0%，鑄件較長，將會發生彎曲變形，長度方向設計+10mm 的撓度[3]。壁厚差異大與超厚壁鑄件的補縮控制，設計底注式澆注系統，多點進流均勻溫度場減少冷隔、縮松等缺陷。厚壁球磨鑄鐵件，為了發揮石墨化膨脹的作用，型砂強度和緊實度要高，樹脂砂抗壓強度≥4.5MPa，流砂時震動緊實，使用鋼制焊接砂箱保證整個鑄型的剛度和強度[4]。

圖3 鑄件階梯剖視圖

2.2 垂直細長孔鑄造

軸承座澆注高度方向有8 處細長通孔結構，工藝采用懸臂長孔芯來帶出此結構。為了保證懸臂長孔芯垂直，實現細長孔的鑄造，采取了如下措施：長孔芯使用鉻礦砂制作，同時增加氧化鐵粉，增加整體重量，同時增加激冷作用，避免內腔粘砂嚴重，清理困難；制作專用卡板，砂型預留卡板放置凹槽，通過外皮限位控制長孔尺寸。

2.3 機翼形空腔鑄造

軸承座兩側細長腔體結構由砂芯帶出，澆注時承受金屬液的浮力非常大，一般為砂芯重量的4～5 倍，容易發生漂芯，且內腔砂芯被鐵水完全包住，砂芯受熱嚴重，鑄件容易出現尺寸不合和粘砂缺陷，大平板式砂芯非常容易發生彎曲甚至斷裂。針對以上問題，對砂芯所受浮力進行計算，然后采取了如下措施：在型芯裝配時對砂芯進行標芯處理；氣道砂芯使用鉻礦砂，同時增加氧化鐵粉，增加整體重量，同時增加激冷作用，避免內腔粘砂嚴重，清理困難；制作專用隨形芯骨，保證砂芯強度足夠。

圖4 垂直細長孔定位圖

圖5 機翼形空腔砂芯結構圖

2.3 油管結構設計

鑄鐵件鑲鑄件難度較大，鑄件對鑲鑄油管除了基本的外觀、尺寸要求，還需要做壓力及滲漏的檢測，不能出現粘砂、夾砂、氣孔、裂紋、融合不良等缺陷，在工藝上我們主要由以下方法控制：按顧客要求材質，做鍍錫處理；鑲鑄油管內壁流涂涂料并烘干；鑲鑄油管中間填鉻鐵礦砂，兩側使用樹脂砂封堵；設計專用固定工裝，保證鑲鑄油管尺寸精度。

圖6 油管結構示意圖

2.4 澆冒系統設計

軸承座下部屬于厚大斷面,鑄造時的熱容量大,凝固緩慢,極易造成球化衰退與孕育衰退,從而導致鑄件的組織和基體發生變化,主要表現為石墨球粗大、石墨球數量減少、石墨漂浮、石墨球畸變等,設計使用液態補縮冒口（?160mm 冒口體）。通過液態補縮冒口對鑄件液態收縮進行補縮，冒口體大大減小，降低冒口重量，減小冒口對鑄件的熱影響，提高工藝出品率的同時加快了鑄件凝固速度，從工藝的角度保證了鑄造材料的均勻性，提高質量，降低成本。

澆注系統設計為底注開放式澆注系統，橫澆道位于鑄件下方，利于鐵水種的渣子上浮在橫澆道上方，澆注系統起到擋渣作用。設計放置10 塊10PPI 的莫來石直孔過濾網，具有整流與擋渣的作用，保證進去型腔的鐵水更平穩干凈。澆注時間設計原則為快澆，在120s 內澆注完畢，內澆口流速低于0.8m/s，充型過程平穩，無飛濺減少卷氣，鑄件輪廓尺寸較大，內澆口進流點分散分布，有效條件鑄件溫度場，利于熔煉溫度控制和鑄件的補縮。

圖7 澆冒系統設計示意圖

2.5 熔煉澆注參數設計

鐵水的配料為50%的生鐵、40%的廢鋼和10%的機鐵。澆包反應時加入一定量的Si-Mg 合金和重稀土0.1%。球化劑上覆蓋0.3%的硅鋇。出鐵3/4 時隨鐵水流添加0.15%的硅鋇孕育劑。澆注時隨鐵水添加0.15%的硅鋇瞬時孕育劑進行二次孕育。鐵水過熱溫度1500～1510℃，出鐵溫度控制在1440～1450℃，澆注溫度1320～1330℃,應使孕育完成到澆注的時間控制在10 分鐘內，澆注過程中做好水口擋渣工作。

3 生產驗證

按照以上制定的鑄造工藝經過MAGMA 模擬仿真合格，投入試生產，鑄件的尺寸、試塊性能、油管位置、材料組織、實體密實度均滿足標準要求，鑄件長度方向較設計理論值長3～5mm，在鑄造公差范圍內；鑄件無超級縮松，厚大位置及冒口下方無石墨漂浮及縮松缺陷，8 個細長孔有局部孔無嚴重粘砂缺陷，孔中心偏差3～4mm，在加工余量范圍內，可通過加工調整合格，鑄件頂面大平面有局部夾渣缺陷，通過打磨4～5mm 后消除，首件成功交付顧客。按照此工藝，此類產品連續生產8 件，均合格。如圖8 所示為生產的汽輪機軸承座鑄件。

圖8 軸承座鑄件