水輪機上冠下環鑄件同步造型方法研究

馬 瑞，徐鵬波

(共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

0 前言

混流式水輪機是當今應用最普遍的水輪機機型，具有尺寸小、維護方便、效率高等特點[1]。轉輪制造方式將轉輪的上冠、下環、葉片作為一個整體進行鑄造、加工成型。這種鑄造成本包括樹脂砂使用量、金屬材料（金屬方管、冷鐵、加強筋）、砂箱場地以及大量的原輔材料，原材料消耗極多；且鑄造整體出品率（鑄件凈重/鑄件澆注重量）在30%～50%，冶煉出的鋼水得到有效利用，人力資源調配和生產周期周轉壓力將增大。因此，研制新型水輪機造型方法已迫在眉睫。本文研究水輪機上冠下環鑄件同步造型方法，旨在尋求一種能夠縮短生產周期、降低生產成本、操作簡便、能有效提高鋼液出品率的鑄造工藝方法。

1 現有方案介紹及分析

1.1 現有鑄件生產技術要求及存在問題

如圖1 所示的上冠鑄件，上冠單獨進行鑄造生產時，其鑄件輪廓尺寸約?3000mm×1250mm，需配備相應匹配高度的砂箱，準備各口徑澆注瓷管十余米，金屬方管1t 以上，以及若干樹脂砂。下環鑄件單獨造型時，鑄件如圖2 所示，輪廓尺寸約?3400mm×650mm，所有輔助材料比上冠更高，且兩種鑄造工藝均需單獨制作芯盒。

圖1 上冠鑄件圖

圖2 下環鑄件圖

現有的鑄造工藝方案存在以下問題：

（1）同一水輪機組件交期相同，并行鑄造占用生產資源過多，串行生產又拖慢生產周期，降低企業生競爭力。

（2）單獨生產所需輔材及原材料消耗量大，成本超支嚴重。

（3）單件造型鋼液出品率過低，而煉鋼成本往往在鑄造成本占主導地位。

2 新型工藝方案實施

2.1 方案設計思想

旨在研究一種水電產品上冠、下環鑄件的同步造型方法，目的在于降低同類鑄件鑄造成本，縮短造型周期，提高鑄件出品率，即鋼液利用率，進一步提高同類鑄件利潤率。

2.2 鑄件補縮工藝設計

2.2.1 新型造型澆注方法

同一水輪機類鑄件上冠和下環屬于一套設備的配套鑄件，一般輪廓均為回轉體類鑄件，上冠輪廓尺寸略小于下環。新型澆注工藝如圖3 所示，將上冠置于下環內部，兩件鑄件同步澆注，使用同一冒口分別補縮上冠和下環鑄件，規格數量由鑄件模數計算確定。鑄件澆注時，鋼液由共用直澆道分別進入上冠和下環鑄件型腔，達到兩件鑄件同步澆注的目的[2]。

圖3 上冠下環鑄造鑄件圖

2.2.2 砂芯設計

依據鑄件內部工藝信息分別設計1 號芯盒（如圖4 所示），內部按澆注工藝設計的放置補貼、吊把、活料等工藝信息，流砂制作1 號砂芯（如圖5 所示），共制作8 件，每次流砂時芯盒結構主體不變，根據鑄造工藝要求更換工藝信息[3]。

圖4 1 號芯盒

圖5 1 號砂芯

依據鑄件內部工藝信息分別設計2 號芯盒（如圖6 所示），內部按澆注工藝設計放置試塊、澆口定位臺、冷鐵等工藝信息，流砂制作2 號砂芯（如圖7 所示），共制作4 件，每次流砂芯盒結構主體不變，根據鑄造工藝要求更換工藝信息。

圖6 2 號芯盒

圖7 2 號砂芯

依據鑄件內部工藝信息分別設計3 號芯盒（如圖8 所示），內部按澆注工藝設計放置工藝信息，流砂制作3 號砂芯（如圖9 所示），共制作1件。

圖8 3 號芯盒

圖9 3 號砂芯

依據鑄件內部工藝信息分別設計4 號芯盒（如圖10 所示），內部按澆注工藝設計的上冠冒口、上冠下環共用冒口、冷鐵等工藝信息，流砂制作4 號砂芯（如圖11 所示），共制作1 件。

圖10 4 號芯盒

圖11 4 號砂芯

2.3 方案現場實施

以上述上冠下環鑄件為例，如圖12 所示，放置下箱砂箱，在下箱砂箱按設計位置尺寸，放置下箱砂箱和下箱活料，鋪設直澆道，流砂，下箱造型。

圖12 下箱造型圖

翻箱180°（如圖13 所示），取出下箱活料，放置上箱砂箱，按照下箱活料形成的定位凹槽放置1 號砂芯，用于澆注時成型下環鑄件外表面，放置3 號砂芯，用于澆注時成型上冠鑄件內表面。

圖13 上箱造型圖

如圖14 所示，按照下箱活料形成的定位凹槽放置2 號砂芯，用澆注時于成型下環鑄件內表面和上冠鑄件外表面，注意澆口位置對接。

圖14 上箱造型圖

如圖15 所示，依據設計尺寸放置4 號砂芯，按照設計冒口高度在冒口部位鋪設保溫磚，鋪設上箱直澆道，流砂，上箱造型完畢。

圖15 上箱造型圖

3 結論

水輪機上冠、下環同步造型方法相比傳統單獨造型方法，具有以下優勢：

（1）節約成本：單獨造型過程合并為同時造型，一次性原輔材料如瓷管、金屬材料、樹脂砂等節約近50%，且模具只需制作4 個芯盒及部分活料即可，無需制作實體模具。

（2）縮短生產周期：上冠鑄件和下環鑄件同步造型可壓縮生產周期50%。

（3) 提高鋼液出品率，頂部共用冒口同時補縮兩個鑄件鋼液，鋼液利用率大于單件造型。