汽轮机用端盖铸造工艺设计及浇注系统优化

李晓芳，安朝阳，陈书山，代保华，郭忠贵，张志高，杨青平

（山西中设华晋铸造有限公司，山西绛县 043605）

汽轮机端盖用在冷凝气里密封水蒸气，对零件的气密性和抗压性有较高的要求，需进行打压机泄露检测，使用过程中对于产品内部质量要求非常严格。

为了保证铸件的质量，首先用MAGMA 模拟软件对铸件的凝固过程进行了仿真计算，对可能出现的缺陷进行了提前预测，尽可能减少铸件气孔、夹渣、缩松等铸造缺陷，并根据实际情况进行工艺优化，设计出合理的铸造工艺，满足产品质量要求。

1 铸件结构分析

1.1 铸件结构及技术要求

端盖铸件如图1 所示，零件的最大尺寸为外径2 152 mm，高583 mm，净重1 600 kg.产品属于薄壁铸件，壁厚为40 mm～110 mm 之间。材质ZG230-450，碳当量要求≤0.4.该材质具有铸造性能较好，熔点相对较高，实际流动性差，易氧化等特点。

图1 H310 端盖铸件

根据铸件结构及材料特点分析如下：产品热节较分散，冷却速度快，壁厚交接处易形成缩孔类缺陷，且大口处易变形，在进行粗加工后热处理过程中易造成精加工缺量的现象。

技术要求：产品为粗加工状态交货，要求所有表面全部加工，加工公差按GB/T1804-m 级标准验收。产品要求MT，UT，RT，VT，PT 检测，图2 所示区域不允许有缺陷外，其余部位，气孔A2，砂渣B2，缩松 C2 可接受，具体 MT 按 ASTME709 SM2/LM2/AM2，线性磁痕单个不超过4 mm，累加不超过6 mm，UT 按A609 大于φ2 mm 的缺陷不允许存在，RT 按ASTME186/280/446 的II 级，VT 和PT按ASTMA802，100×100 的范围内2×2×1.5 的缺陷不允许超过3 处的NDT 标准进行验收。

图2 NDT 检测不允许有缺陷的范围

1.2 合金特点

根据客户的成分要求，该材料属于碳钢类产品，材料中对于Ni 和Cr 含量没有规定，不过为了保证材料在碳当量≤0.4 的条件下，要求的低温（0 ℃）冲击值≥27 J，后续在材料中对于Cr 和Ni 含量进行了调整，由于Ni 元素可以细化晶粒，增进钢的硬化性能，能降低热处理时的淬火温度，减小在热处理时的变形，所以将Ni 质量分数控制在≤0.4%的范围内；由于铬可以提高钢的强度和硬度，但铬含量较高时冲击韧度会下降，所以将铬质量分数控制在≤0.13%的范围内。

1.3 产生的缺陷及原因分析

本产品采用砂型铸造工艺进行生产，过去类似产品的生产数量少，工艺都是大口朝上进行设计，并且在实际生产后，产品表面夹渣及气孔类缺陷较多，由于该产品结构属于薄壁铸件，在薄厚交接处易产生缩松。

根据产品的合金特点，钢液的流动性差，钢液充型过程中与砂型接触，发生反应，易产生氧化，吸气，并且温度下降的较快，产生的气体及夹渣物不易析出而粘连在表面，形成大量的表面夹渣或气孔，且缺陷在0～10 mm 的范围内不易完全加工去除。

2 端盖工艺设计

根据产品的结构特点并借鉴实际类似产品生产后的结果，对此端盖在模拟阶段进行两种工艺设计，小口朝上方案和大口朝上的方案，如图3 所示。首先采用UG 软件绘制铸件三维实体，并根据热节画出浇冒系统工艺，分别将铸件，浇道，冷铁，冒口，砂箱，补贴分别导出STL，并进入到MAGMA 软件进行理论的工艺模拟。

图3 铸造工艺设计

2.1 本体凝固模拟结果分析

模拟前的处理，采用划分网格，部分参数设置为：网格数目2 000 000 个，水口为φ60 mm，浇温为1 560 ℃，浇速为20 s，运行参数采用系统默认值。从铸件本体MAGMA 凝固结果可以看出两种方案都存在3 层断开的独立热节，如图4 所示。

图4 铸件本体模拟结果

为保证铸件的整体致密性，要考虑对直径端面方向的补缩，和对端盖中间部分的补缩，顶部和底部之间采用补贴的方式进行连接，根据最底层的热节画出放置在铸件内腔处的随形补贴，形成从上到下的梯度，满足铸件的补缩，便于铸件顺序凝固。

2.2 夹渣、集气结果凝固模拟分析

小口朝上的工艺方案，冒口顶部采用1 个520mm×350 mm×450 mm 的椭圆形发热保温明冒口，2 个φ400 mm×450 mm 的圆柱发热保温明冒口，对铸件进行补缩。

大口朝上的工艺方案，冒口底部采用3 个φ225 mm×300 mm 圆柱发热保温暗冒口和顶部2个520 mm×350 mm×450 mm 的椭圆形发热保温明冒口，2 个φ350 mm×450 mm 圆柱发热保温明冒口，对铸件进行补缩。

模拟结果如图5、图6.模拟结果显示，小头朝上的方案与大头朝上的方案相比，充型到16 s 左右时，表面都会形成不同程度的夹渣，结合产品质量要求，采用小口朝上的方式，可以把夹渣类缺陷收集到冒口内，冒口集渣集气作用比较明显，所以工艺方案按小口朝上进行生产。

图5 小口朝上充型过程模拟

图6 大口朝上充型过程模拟

2.3 气孔模拟结果分析

浇注系统设计既要满足薄壁件的充型，又要适合金属液平稳流动，浇注系统整体需设计成开放式，位置位于下箱法兰的侧冒口处，防止铸件和浇道之间产生裂纹等缺陷，浇注系统比例设计为F内∶F横∶F直=3∶3∶1；模拟结果显示，工艺小头朝上的方案卷气明显，如图8 所示，卷气来自于浇注系统没有充满，浇注系统太开放，导致产品在浇注过程中，金属液总要与空气接触，因此，卷气与氧化总是在所难免。当卷气及氧化渣存在时，优化浇注系统，保证浇注系统尽快充满，有助于降低卷气造成的气孔缺陷。

图7 浇注系统的卷气

2.4 采用小口朝上的工艺方案并优化浇注系统

2.4.1 优化直浇道

将垂直的直浇道修改为“2”字型直浇道，即在直浇道上设置拐弯，直浇道在从上到下的1/3 处设置成2 字型的拐弯式，内浇口设计3 个，如图8 所示，以降低浇注的冲击，并促使直浇道尽快充满。

图8 2 字型的拐弯式直浇道

修改直浇道后进行模拟，发现直浇道优化有效，但中间内浇道在33 s 时都还处于不充满状态，说明该3 个内浇道的设计不合理。金属液并不按理想的等速等流量流动，是主要原因。

2.4.2 再次优化直浇道

在直浇道处设置2 个90°拐弯，设计2 个内浇口，如图9 所示。模拟显示约5 s 浇注系统即完全充满。

图9 直浇道优化为2 个90°拐弯

由模拟结果可以看出，内浇口设置2 个，浇注系统比例为F内∶F横∶F直=2∶2∶1；内浇口面积保证内浇口金属液流速不大于0.5 m/s.从充型的模拟结果中可以看到，液面在上升的过程中并未发生钢夜飞溅和旋涡的现象，这使得钢夜的氧化程度大大降低，说明浇注系统设计基本合理。

2.4.3 模拟卷气结果分析

图10 充型35 s 时的卷气模拟结果

图11 充型50 s 时卷气模拟结果

浇注系统改进后模拟卷气结果，由模拟结果可以看出，浇注系统优化后，浇注系统尽快充满。从35 s（图10）和50 s（图11）的充型结果看，卷气明显降低，更改后的浇注系统有助于降低铸件气孔缺陷。

3 结论

现工艺方案通过MAGMA 软件进行凝固及充型的模拟。结果显示，采用小口朝上的方案，产品在夹渣及气孔类的缺陷得到了明显改善，说明该工艺设计理论上是可行的，可以符合客户的质量要求。目前，该产品通过实际生产及后续的NDT 无损检测，结果基本符合图纸要求。现方案也适用于其他关键性产品。

针对类似铸件，在工艺设计时需对关键部位的夹渣、气孔类缺陷进行前期策划，合理设计冒口规格及放置位置可以有效收集铸件表面的夹渣、气孔类缺陷，对于浇注系统尽量减少在浇道充型过程中产生的卷气，可以大大缩短产品的试制周期，节约成本，提高生产效益。