燃气轮机压气缸的铸造工艺方法

安玲玲，孟庆文

（共享装备有限公司，宁夏银川 750021）

燃气轮机压气缸的铸造工艺方法

安玲玲，孟庆文

（共享装备有限公司，宁夏银川 750021）

主要介绍一种燃气轮机压气缸的铸造工艺方法，由高效的挡渣浇注系统，通畅的补缩通道，方便的操作工艺等组成,即通过合理的工艺设计，应用凝固模拟验证，实现该产品的稳定生产。

工艺设计；浇注系统；凝固模拟

压气缸作为燃气轮机发电设备中最重要的组成结构之一，属于高温承压类铸件，使用环境特殊，产品质量要求高。本文主要介绍一种压气缸产品的铸造工艺方法，该方法基于铸造充型模拟软件，由高效的挡渣浇注系统，通畅的补缩通道，方便的操作工艺等组成。旨在提高产品质量，满足顾客需求。

1　产品信息

1.1产品的基本信息

铸件的轮廓尺寸为2 778×1 394×1 446（mm），总质量为6 645 kg，材质为ASTM A395 60-40-18，具体信息见表1，产品结构见图1。

表1　产品基本信息

1.2产品的质量要求

产品的主要质量要求包括机械性能、微观金相要求，及内部缺陷要求，具体见表2。

2　工艺方案

2.1工艺设计

图1　压气缸铸件示意图

表2　产品质量要求

根据产品的结构特点，做如下工艺设计。

（1）浇注方向及分型方法

压气缸铸件一般有3种浇注方式，包括水平结合法兰向上，水平结合法兰向下，水平结合法兰垂直放置。根据笔者所在公司的工装限制，以及工厂实际可操作性，选择图2浇注方向及分型方案，即水平结合法兰向上。

图2　浇注方向及分型方案

此种浇注方案有如下优点：

补缩通道顺畅，方便形成温度梯度，实现顺序凝固，最后由冒口进行补缩；

合箱操作简化，所有砂芯都在下箱，合箱后容易检验尺寸及砂型的型腔。

当然，这种浇注方式的选择也有一定的弊端。例如，需要专门设计一个浇道芯，以便将横浇道设置在铸件下方，内浇道进流位置在外缸的圆弧面上，造型操作有一定不便。

综合产品质量要求，选择图2方式进行设计，是各种方案中较合理的一种方式。

（2）分芯方式

压气缸为回转体结构，内缸部位由一个砂芯形成，气道及抽气道一般也是由一个砂芯形成。但是本产品的气道位置结构复杂，存在下芯干涉的问题，无法由一个砂芯形成，因此工艺设计时将气道及抽气口位置分成3个砂芯，同时设计一个假芯，增加下芯的空间。如前所述，由于分型面在水平结合法兰，因此需要设计一个浇道芯，将横浇道尽量放置在铸件下方。综合以上分芯设计，本方案中共有13个砂芯，具体见图3，图4。

如图3、4所示，气道芯的下芯顺序为②→①→③→④，很好地解决了下芯干涉的问题。此种分芯方式的优点：充分考虑铸件的特殊结构，将此部位的砂芯拆分成三个，并增加一个下芯假芯，既充分考虑气道结构的定位尺寸和精度，又方便实际操作。同时，浇道芯的设计可以将横浇道放置于铸件下方，有利于横浇道的充满。

（3）浇注系统设计

此产品的重要加工面多，一般压气缸主要加工面为水平、垂直的结合法兰，以及内缸。此产品的加工量还包括外缸的两处腰带和多处脐子，因此RT、UT区域比一般压气缸多30%左右，产品的质量要求高。设计浇注系统时应当充分考虑挡渣效果和内浇道流速要求，做如下设计。

图3　本方案合箱简图

图4　气道芯局部显示

浇注系统采用开放式，同时在横浇道中放置过滤网，出于过滤网过滤量的考虑，将过滤网按照实际使用面积进行核算。开放式的浇注系统，其内道流速一般都小于1 m/s。本工艺方案中，内浇道流速为0.62 m/s。但开放式浇注系统有一个弊端，即直浇道一直无法充满，金属液容易与空气中的氧气反应，产生氧化物类渣子。为此，本工艺在横浇道两侧设计了特殊的阻流截面，改变了传统开放式浇注将直浇道设计为阻流截面这一惯例，直浇道中的金属液可以迅速充满，防止其产生夹渣缺陷。具体参数见表3。

本浇注系统可归纳为以下四点：

浇注系统中放置过滤网，提高挡渣效果；

表3　浇注系统参数表

采用开放式浇注系统，横浇道尽量放置在铸件下方，考虑到砂铁比这一经济指标，实际工艺设计时未将横浇道放置于铸件下方。

为使直浇道能够迅速充满，以弥补开放式浇注系统浇道不能充满的弊端，在横浇道上设置两处阻流截面，两处阻流截面的面积和是直浇道的0.9倍。

内浇道设计充分考虑与铸件接触位置的模数要求，小于铸件模数；同时为了实现多点进流，铸件液面均衡上升的要求，共设计了12道内浇道。

（4）铸件补缩通道设计

本产品整体壁厚较大，主体壁厚为83.6 cm，铸造上表面即水平法兰面的模数大于7 cm。铸件属于对称回转体，补缩方式选择两侧对称补缩，设计了4个发热补缩冒口，如图6所示。同时使用冷铁将冒口的不同补缩区域进行分割，另外通过计算每个补缩区域垂直方向的模数，放置合适的冷铁，完成补缩区域通道的建立。通过CAE模拟，产品的缩松倾向得到有效控制，符合铸件的检验要求。

3　结语

本工艺方案总结如下：

（1）分型方案选择水平法兰为铸造上表面，有利于铸件补缩及实际操作；

（2）分芯方案的选择应有利于合箱操作，该产品气道位置的特殊结构在工艺上进行合理的设计，即设计了特殊的下芯假芯，并对气道位置进行分割，解决合箱操作的困难。

图6　模拟结果

（3）浇注系统采用开放式，浇注系统中放置过滤网，横浇道上设计阻流截面，并将横浇道放置在铸件下方，可以有效地提高浇注系统的挡渣效率，并保证内浇道的流速小于1 m/s。

（4）合理的设置补缩通道，可以有效地解决铸件的缩松倾向。

（5）依据本工艺设计方案，产品首件生产合格，通过了顾客的验证，并获得顾客的批量订单，目前已经实现量产，且质量稳定满足顾客需求。

[1] 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册：铸造工艺（第五卷）[M].北京:机械工业出版社，2003:111-114.

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[3] QIT-Fer et Titane Inc. Ductile Iron：The Essentials of Gating and Risering System Design [R]. Rio Tinto Iron & Titanium Inc.1987（1）：20-27.

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gas turbine casting process method

AN LingLing， MENG QingWen
（Kocel Manufacture Co.， Ltd.，YIN Chuan 750021，Ningxia， China ）

In this paper， a gas turbine casting process method， namely the reasonable process design， based on solidifcation simulation validation， implementation of stable quality of the casting production.

Process design；Pouring system；Solidifcation simulation

TG242;

A；

1006-9658（2015）04-0021-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.006

2015-03-01

稿件编号:1503-830

安玲玲（1986—），女，助理工程师，主要从事铸造工艺设计工作.