百万千瓦汽轮机轴承座的研发

纳建虹，宋 亮，陈 鹏

（共享装备股份有限公司，宁夏银川 750021）

汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸汽的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点。轴承座作为其机组的重要零部件，用来承受转子的全部重力并且确定转子在汽缸中的正确位置，并支撑这个机组的重量。要在长期的运行过程中保持稳定，需要足够的结构强度和质量稳定性。大尺寸高质量的轴承座铸件研究与稳定生产，对国内汽轮机发展有着积极意义。

1 轴承座铸件技术要求

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械。来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。轴承座是汽轮机一个重要的组成部分，支撑整个机组的重量，与多个结构加工连接配合，兼具气体通道、液体润滑与密封等功能，具体的技术参数如下[1]。

图1 汽轮机机组图

所述汽轮机轴承座铸件的轮廓大、铸件重量和浇注重量重，最大轮廓尺寸达到6770mm×1225mm×1295mm，重量20.9t，浇注重量达到25.1t，主体壁厚80mm，最小壁厚20mm，最大壁厚610mm，材质为QT400-18AR。设计有2 根结构为“Z”字形异形油管，8 个在铸件高度方向通长的细长孔，同时，具有机翼形空腔的气体通道，综合铸造难度大。轴承座结构如图2 所示。

图2 轴承座结构示意图

铸件外观无皮透、气孔、砂眼、夹渣等缺陷，达到3S1/3S2 标准。所有铸件全尺寸划线检测，镶铸管、壁厚、方台位置等关键部位的尺寸均符合ISO 8062 CT12 级尺寸公差要求和顾客规范要求。NDT检测，关键区域UTII 级，100%MTII 级[2]，成分检测指标、性能、金相指标见表1、表2、表3。

表1 铸件化学成分指标 ωB/%

表2 U70 附铸试块机械性能指标

表3 U70 附铸试块金相组织要求

2 轴承座铸件难点设计

本产品的技术难点主要是：壁厚差异大，最大壁厚超厚，关键区域UTⅡ级，需要解决石墨漂浮和缩松缺陷；铸件油管两端在铸造砂型中、中间悬空，在浇注时由于受到来自铁水的浮力和高温，极易发生向上的弯曲；铸件细长孔由悬臂长孔芯带出，防止细长腔结构砂芯变形，防开裂。

2.1 铸造方案设计

对于轴承座铸件，选择如下的浇注方向，树脂砂木模手工成型的方式，铸造缩尺按照长度方向0.9%，高度与宽度方向1.0%，铸件较长，将会发生弯曲变形，长度方向设计+10mm 的挠度[3]。壁厚差异大与超厚壁铸件的补缩控制，设计底注式浇注系统，多点进流均匀温度场减少冷隔、缩松等缺陷。厚壁球磨铸铁件，为了发挥石墨化膨胀的作用，型砂强度和紧实度要高，树脂砂抗压强度≥4.5MPa，流砂时震动紧实，使用钢制焊接砂箱保证整个铸型的刚度和强度[4]。

图3 铸件阶梯剖视图

2.2 垂直细长孔铸造

轴承座浇注高度方向有8 处细长通孔结构，工艺采用悬臂长孔芯来带出此结构。为了保证悬臂长孔芯垂直，实现细长孔的铸造，采取了如下措施：长孔芯使用铬矿砂制作，同时增加氧化铁粉，增加整体重量，同时增加激冷作用，避免内腔粘砂严重，清理困难；制作专用卡板，砂型预留卡板放置凹槽，通过外皮限位控制长孔尺寸。

2.3 机翼形空腔铸造

轴承座两侧细长腔体结构由砂芯带出，浇注时承受金属液的浮力非常大，一般为砂芯重量的4～5 倍，容易发生漂芯，且内腔砂芯被铁水完全包住，砂芯受热严重，铸件容易出现尺寸不合和粘砂缺陷，大平板式砂芯非常容易发生弯曲甚至断裂。针对以上问题，对砂芯所受浮力进行计算，然后采取了如下措施：在型芯装配时对砂芯进行标芯处理；气道砂芯使用铬矿砂，同时增加氧化铁粉，增加整体重量，同时增加激冷作用，避免内腔粘砂严重，清理困难；制作专用随形芯骨，保证砂芯强度足够。

图4 垂直细长孔定位图

图5 机翼形空腔砂芯结构图

2.3 油管结构设计

铸铁件镶铸件难度较大，铸件对镶铸油管除了基本的外观、尺寸要求，还需要做压力及渗漏的检测，不能出现粘砂、夹砂、气孔、裂纹、融合不良等缺陷，在工艺上我们主要由以下方法控制：按顾客要求材质，做镀锡处理；镶铸油管内壁流涂涂料并烘干；镶铸油管中间填铬铁矿砂，两侧使用树脂砂封堵；设计专用固定工装，保证镶铸油管尺寸精度。

图6 油管结构示意图

2.4 浇冒系统设计

轴承座下部属于厚大断面,铸造时的热容量大,凝固缓慢,极易造成球化衰退与孕育衰退,从而导致铸件的组织和基体发生变化,主要表现为石墨球粗大、石墨球数量减少、石墨漂浮、石墨球畸变等,设计使用液态补缩冒口（ø160mm 冒口体）。通过液态补缩冒口对铸件液态收缩进行补缩，冒口体大大减小，降低冒口重量，减小冒口对铸件的热影响，提高工艺出品率的同时加快了铸件凝固速度，从工艺的角度保证了铸造材料的均匀性，提高质量，降低成本。

浇注系统设计为底注开放式浇注系统，横浇道位于铸件下方，利于铁水种的渣子上浮在横浇道上方，浇注系统起到挡渣作用。设计放置10 块10PPI 的莫来石直孔过滤网，具有整流与挡渣的作用，保证进去型腔的铁水更平稳干净。浇注时间设计原则为快浇，在120s 内浇注完毕，内浇口流速低于0.8m/s，充型过程平稳，无飞溅减少卷气，铸件轮廓尺寸较大，内浇口进流点分散分布，有效条件铸件温度场，利于熔炼温度控制和铸件的补缩。

图7 浇冒系统设计示意图

2.5 熔炼浇注参数设计

铁水的配料为50%的生铁、40%的废钢和10%的机铁。浇包反应时加入一定量的Si-Mg 合金和重稀土0.1%。球化剂上覆盖0.3%的硅钡。出铁3/4 时随铁水流添加0.15%的硅钡孕育剂。浇注时随铁水添加0.15%的硅钡瞬时孕育剂进行二次孕育。铁水过热温度1500～1510℃，出铁温度控制在1440～1450℃，浇注温度1320～1330℃,应使孕育完成到浇注的时间控制在10 分钟内，浇注过程中做好水口挡渣工作。

3 生产验证

按照以上制定的铸造工艺经过MAGMA 模拟仿真合格，投入试生产，铸件的尺寸、试块性能、油管位置、材料组织、实体密实度均满足标准要求，铸件长度方向较设计理论值长3～5mm，在铸造公差范围内；铸件无超级缩松，厚大位置及冒口下方无石墨漂浮及缩松缺陷，8 个细长孔有局部孔无严重粘砂缺陷，孔中心偏差3～4mm，在加工余量范围内，可通过加工调整合格，铸件顶面大平面有局部夹渣缺陷，通过打磨4～5mm 后消除，首件成功交付顾客。按照此工艺，此类产品连续生产8 件，均合格。如图8 所示为生产的汽轮机轴承座铸件。

图8 轴承座铸件