透平压缩机用蜗壳的铸造工艺设计

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

大型透平压缩机是一种多级式涡轮压缩机。在透平压缩机中，高速旋转的叶轮给予气体的离心作用，以及在扩压通道中给予气体的扩压作用，使气体压力得到提高。随着化学工业、石油冶炼、医疗技术等领域的不断发展，各种车间及厂房的建立，透平压缩机就成为压缩和输送化工生产中各种气体、分离气体等的关键机器，在这些领域占有极其重要的地位[1]。蜗壳是压缩机的最重要的组成部分之一，其作用就是使气体增压，是整个压缩机的核心部件之一，因而其质量的好坏、能力的大小，将影响整个压缩机的质量和效率。图1 为透平压缩机机组图。

1 蜗壳铸件技术要求

蜗壳需要承受高压、高速、高温的气流，所以对蜗壳铸件的气密性要求很高。根据在压缩机中的位置不同，蜗壳尺寸由大到小，压缩能力由低到高。本项目所研制的蜗壳铸件，作为末级压缩，压缩比大，对流道和压力要求更高，图2 为蜗壳铸件结构示意图。

图1 透平压缩机机组图

本次研究产品单重4 260 kg，主体壁厚40 mm～70 mm，轮廓尺寸3 100 mm×1 900 mm×600 mm；尺寸精度ISO8062-3 DCTG12，铸件材质为EN-GJS-400-18-LT，铸件100%PT 检测，铸态条件下的气体通道为3 级，其他区域为4 级。100%UT 检测要求，铸态条件下关键区域1 级，非关键区域III级；外观检测标准为EN 1370 3S1.

图2 蜗壳铸件结构示意图

2 产品工艺设计

使用手工树脂砂生产蜗壳铸件，工艺方案设计主要包括浇注方向的选择、浇注系统的布置、冒口位置的确定和中间蜗牛砂芯的固定。针对蜗壳铸件浇注方向，考虑到蜗牛芯的固定和顺畅出气，将开口面向下放置，并提前与下箱固定在一起，整体合箱[2]。

2.1 浇注系统设计

蜗壳内腔流道面，对铸件表面要求高，通过对浇注系统的有效设计，可以大幅改善表面夹渣和冲砂等问题。综合各类型浇注系统的特点，采取底注式先封闭后开放的浇注系统，截面比为1：2∶0.8∶2.5，在直浇道底部增加缓冲窝，以缓解铁水对缓冲窝的冲击力，降低紊流；将横浇道设置在分型面上，方便模型制作，横浇道下部设计过滤网座，位于分型面下部，阻挡高速铁水携带熔渣进入型腔，提高铁水的纯净度；横浇道位于铸件中上部分型面处，在铁水充型过程中能够使横浇道快速充满，第一股冷铁水不进入型腔，进一步净化了进入内浇道的金属液，降低了铸件夹渣的风险，其具体结构如图3 所示。

图3 底注半开放式浇注系统示意图

内浇道均匀分布、多点进流，从铸件较为厚大位置进流，从而实现温度场均匀和平稳快速充型；浇注系统设置有8 片碳化硅泡沫和直孔组合式过滤网，对铁水起到很好的过滤加整流效果。利用铸造CAE 辅助技术进行工艺验证，如图4 所示，充型平稳，型腔内实现逐层充满，充型完成后温度场分布合理，判定浇注系统合格，可以使用。

2.2 冒口设计

图4 充型过程模拟图

蜗壳类铸件属于薄壁壳体类，为防止缩松缺陷，在补缩工艺上需要考虑冷铁及冒口的合理放置。通过计算及利用铸造CAE 辅助技术进行工艺验证，采用发热冒口补缩、冷铁分区的形式基本可以实现顺序凝固，可以确保铸件无缩松、缩孔缺陷，保证铸件质量，冒口、冷铁设计如图5 所示。

图5 冒口、冷铁结构示意图

按照图5 所示的铸造工艺进行充型、凝固模拟，其模拟结果如图6 所示。从模拟结果可以看出，所研发蜗壳铸件的关键部位，如吸气口法兰、进气口等，均无缩松缺陷[3]。

图6 凝固过程模拟结果

2.3 制芯工艺

该产品主体为涡旋结构，内部砂芯主体由1 块流道砂芯组成，如图7 所示。流道芯采用木模芯盒手工填砂一次整体成型，芯盒结构采用开多处填砂孔的形式，便于保障芯盒尺寸稳定性和强度，同时兼顾填砂操作性，填砂孔可开设在蜗壳流道侧面，每300 mm～400 mm 范围内需要设置一处填砂孔。

为了能够保证铸件流道面及外观面整体质量，需要保证砂芯在吊运、浇注过程中不能开裂晃动，采用专用高强度芯铁和多点吊运结合的形式；为了简化现场操作，设计制作阶梯型铸铁球铁芯铁，预埋在砂芯内部，起到骨架作用，保障了砂芯整体的刚度和强度，如图8 所示。

图7 流道芯结构示意图

图8 专用芯铁及示意

蜗壳内腔结构特殊，在流道的末端内腔小，容易发生粘砂或铁包砂缺陷，给清理工序带来很大困难。通过加强型砂紧实度达到90 以上，刷涂3 遍涂料，保证涂层厚度在0.3 mm～0.5 mm，可以缓解粘砂程度。为彻底解决，在制芯时加入质量分数10%钢丸及1.5%Fe3O4粉末，可大大缓解铸件的粘砂问题。

2.4 合箱操作

在流道砂芯制芯完成后，砂芯重量达3.5 t，整个流道砂芯要预先与上箱固定在一起整体合箱。固定方式具体见图9，将上箱翻转放在固定支架上，使用螺杆将砂箱芯铁与上箱箱带固定成为一个整体，螺杆使用φ28 mm 的4 道，3 道在中间，1 道设置在出气流的大口位置。之后翻转上箱，进行整体合箱操作。

图9 蜗壳标芯简图

3 试验结果

采用以上工艺方案进行试生产试制产品如图10 所示。对铸件外观进行目视和100%PT 检验，发现局部存在2 mm～3 mm 夹渣缺陷，按照铸件壁厚公差进行修磨后达到EN 1370 3S1 要求。缺陷主要产生在铸造上箱面，分析原因为，球墨铸铁铁水中的球化剂含有Mg，在型腔内氧化形成的夹渣上浮在铸造上箱面，可通过降低Mg 含量、净化铁水、平稳浇注等措施进一步改善夹渣程度。修磨后的铸件尺寸精度达到GB 6414 标准中CT12 级。

图10 蜗壳铸件尺寸及试制件实物图

对于铸件缩松，按照铸态条件下的EN 12680-3进行检测，符合产品技术质量要求：关键区域I 级，非关键区域III 级；检测铸件实体与试块金相，其金相组织检测结果如图11 所示，石墨形态和基体组织均符合标准：石墨类型为V+VI 型，石墨尺寸3μm～5μm，基体组织中铁素体超过95%.

图11 产品金相组织

4 结束语

透平压缩机用蜗壳结构复杂，对流道面及压力要求高。采用手工树脂砂成形工艺，选择开口面向上的浇注方向；采取底注式先封闭后开放的浇注系统，内浇道均匀分布、多点进流，从铸件较为厚大位置进流；冒口设置在铸件外侧、发热冒口补缩、冷铁分区的补缩形式；采用专用高强度芯铁和多点吊运结合的形式，保证砂芯强度。以上措施可以生产出符合产品技术要求的产品。