运用均衡凝固理论解决燃气轮机壳体铸件的缩孔和缩松缺陷1

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1、大型船用挂舵臂铸件的生产技术熊六一（江苏无锡214261）摘要：。关键字：[abstract]。[Keywords]1、概述：中国工程院院士、国家燃气轮机电站建设与技术引进项目招标团联合办公室顾问蒋洪德解释说，燃气轮机就是将天上的航空发动机移植为地面发电站，属于高温、高速、精密的重大装备和尖端技术，对新材料、信息控制等行业的辐射力和带动性很强，环保效益明显。燃气轮机面对的市场更为诱人。预计到2020年，中国天然气发电装机将达6000万千瓦，总投资高达270亿美元。这些占全国电力装机总容量6%左右的天然气发电厂，绝大

2、多数都为新建项目[2]。燃气轮机壳体为半圆形铸件，壁厚在80~200mm之间，铸件重量在3-12吨，材质为QT400-18。由于铸件在工作的过程中，需要承受压力和高温，铸件要进行全面的X-ray检验，铸件不允许有内在的缩孔和超级别的缩松缺陷，铸件的接合面法兰和装定子叶片的T型槽内不允许加工出任何缩松、缩孔、气孔和夹杂缺陷，生产难度非常大，我国的大部分铸件全部靠进口，笔者所在的公司，通过近几年的研发，已经成功地为GE（美国通用电气）、日立等公司提供高质量的燃气轮机铸件。2、原生产工艺及存在问题（见图1）：采用呋喃树脂

3、自硬砂造型，型砂抗拉强度为0.8Mpa，采用15吨工频电炉熔炼，化学成分（ω）：C=3.5~3.7%、Si=2.2%~2.7%、Mn=0.3%~04%、P≤0.06%、S≤0.05%，浇注温度为1350~1380℃，铸造工艺见图1，采用底注工艺，用Φ35的瓷管4~8道内浇口，采用Φ150Χ300mm的油瓶冒口（冒口颈为Φ80mm）,配合冷铁若干，由于浇口附近缩松、冒口根缩松和铸件内部缩松缺陷超过级别废品率约为15%左右。图13、对原工艺的分析：3.1为了浇注时充型比较平稳，内浇口从大端头相对薄壁处引入，在浇口远端厚

4、壁部位配合使用冷铁，加快凝固的速度，法兰上面使用冒口补缩。在生产的过程中，出现了批量的不合格品，缺陷主要集中在冒口根部、浇口附近、和浇口远端的厚壁处。由于采用底注工艺，所有的铁也都要通过铸件的底部，在浇口集中且大量的铁液流过，浇口附近的热量相对其它部位过热，在铸件凝固的过程中，发生石墨化膨胀，多余的铁水从内浇口挤出，在浇口附近最后凝固，这时其他部位已经凝固，没有铁液来补缩，最后在此部位产生缩松和缩孔缺陷。3.2铸件凝固最理想的凝固温度场，上面温度高下面温度低，在凝固收缩的过程中，上面的铁水通过重力作用来补缩，充分发

5、挥冒口补缩的作用。但是由于采用底注工艺，温度场的分布不利于铸件整体凝固过程中的补缩，刚好和相反，在浇注过程后期，液流前沿的温度最低，但处在最上面，在凝固的过程中最先凝固，由于重力的作用，下面的铁水无法向上补缩，虽然在工艺设计是考虑了冒口的补缩，但是补缩的效率非常有限，不能足以消除铸件的缺陷，形成了铸件内部的缩孔和缩松缺陷。3.3通过落砂后的冒口来观察，冒口顶部有明显的二次膨胀的痕迹，冒口在铸件收缩的过程中提供了补缩的铁水，但是在铸件均衡点到达时，冒口的补缩通道依然畅通，铸件石墨化膨胀将大量的铁液挤入冒口，随后冒口通

6、道堵塞，造成铸件的冒口根部缩松和缩孔。1、按照均衡凝固理论重新设计工艺（见图2）：4.1浇注系统的设计，采用完全开放式的阶梯浇铸系统，浇口比例A直∶ΣA横∶ΣA内=1∶1.5∶2.5，在浇注前期，主要液流通过两道瓷管进入，这样可以防止定注时的铁液飞溅造成的铸造缺陷，随着铸件的充型，由于铁液的压力，进流的比例逐渐过渡到箱口的扁内浇口，到浇注后期，由于采用完全开放的浇注系统，瓷管内浇口基本上不再进流，铁液主要通过箱口的内浇道进入。4.2配合冷铁，改变铸件的温度场分布，在浇口的远端使用冷铁，随着冷铁的激冷，铸件的凝固过程

7、会加快，在冷铁的附近容易形成一层金属壳，在铸件进行石墨化膨胀的过程中，可以提高自补缩的效果，在浇口附近增加冷铁，消除由于铁水的充型造成的过热，防止出现缩松和缩孔缺陷。在铸件的上面增加浇注系统、冒口，下面增加冷铁，形成上惹下冷的温度场分布，有利于铸件凝固过程中的收缩补缩。4.3按照均衡凝固工艺原则，冒口不要直接放到热节上，冒口不必晚于铸件凝固的原理，冒口在铸件均衡点来临时，及时关闭补缩通道，通过铸件的石墨化膨胀实现自补缩，在改进的过程中，经过总结以前生产的经验，选用了压边冒口，这样可以减少冒口对铸件的热影响，在铸件液

8、态收缩时及时提供补缩铁水，在铸件凝固石墨化膨胀时，冒口的补缩通道已经堵死，增强了铸件的自补缩能力，提高铸件的品质。2、生产验证：改进后，批量的生产验证，没有再出现浇口附近缩松、冒口根部缩松的铸件，按照此工艺上产的3种类型的缸体到目前为止，没有出现缩孔和缩松类缺陷的废品。通过实践证明，均衡凝固理论在解决厚大断面球墨铸铁件的缩孔和缩松缺陷方面具有非常重要的指导意