大功率柴油机机架的铸造工艺技术

顾庆同，陶卫生，毛林鑫

（1. 中广核工程有限公司，广东深圳 518124，2. 中船海洋动力部件有限公司，上海 200129）

0 引言

机架是大功率核电应急柴油机的关键零件，5 500 mm×2 520 mm×1 870 mm（长×宽×高），浇注质量38 t；材质牌号EN-GJS-400-15，球墨铸铁，附铸试块性能：Rm≥390 MPa；Rp0.2≥250 MPa；E%≥14%，硬度130 HB～185 HB。金相组织：石墨尺寸4 HB～7 HB，球化率≥90%，铁素体≥90%。大功率核电应急柴油机机架是材质要求高、结构铸造性差的大型复杂铸件。该机架铸造难度大，铸造质量问题多，如夹砂、夹渣、缩松和材质性能差等，铸件报废率高，目前国内外只有少数铸造厂家掌握了该机架的铸造技术。

1 机架铸造难点分析

大功率核电应急柴油机机架的铸造难点如下。

1.1 机架夹杂缺陷

机架铸造质量大，外形巨大，内腔结构复杂，浇注充型过程中极易产生铁水紊流，氧化渣、积灰、散沙等夹杂物裹进铁水内，聚集停留在铸件台阶、角落和筋板等内腔位置，造成铸件夹杂缺陷，严重影响铸件质量。

1.2 机架缩松、缩孔缺陷

机架内腔的缸盖螺孔、轴承螺孔等受力部位都是孤立热节点，凝固过程补缩条件很差，凝固后期极易产生缩松、缩孔缺陷[1]。这些受力位置若有缺陷，将影响机架受力功能，造成机架报废。

1.3 机架理化性能不符要求

大功率核电应急柴油机机架浇注质量大，浇注质量38 t。该机架浇注涉及多个熔化炉，浇包、座包，相比一般中小件浇注，从球化孕育结束到完成浇注要延长10 min～15 min，机架的铁水球化孕育衰退时间长，材质理化性能将很难达到技术规范要求。

2 机架铸造工艺方案

根据机架的铸造难点分析，制定了机架铸造工艺方案。

2.1 解决机架夹杂类缺陷工艺方案

提高浇道系统的挡渣能力，设置铁水过滤器；座包定量浇注，减少夹杂物进入型腔；合理设置浇注温度，促进铁水内夹杂上浮去除等。

2.2 解决机架缩松、缩孔缺陷工艺方案

保证整个机架铁水补缩量，设置顶冒口和暗冒口；机架孤立热节点，设置冷铁，加快冷却；提高铸型刚度，利用铁水自补缩能力。

2.3 解决机架材质理化性能工艺方案

炉料选择及炉料配比，保证铁水成核能力；严格控制有害元素，防止影响铁水球化孕育效果；合理选用球化剂、孕育剂，保证铁水球化孕育效果，防止铁水孕育衰退。

3 软件模拟优化工艺设计

运用软件模拟优化工艺设计参数，预测充型的平稳性、材质性能和铸件缩松倾向等内容，发现机架工艺的不足，对工艺不断完善，提高实际生产的铸件质量。

4 机架铸造工艺措施

根据机架铸造工艺方案，结合公司铸造生产各类机架工艺经验，制定解决机架铸造缺陷的工艺措施。

4.1 解决铸件夹杂缺陷

1）浇道系统设计

机架采用底注浇道系统，使铁水充型平稳，减少铁水紊流。浇注系统截面比例采用半封闭式，使浇道系统的铁水充型平稳，同时又有一定的挡渣能力[2]。直浇道Φ90-4道，横浇道Φ100-4道，横浇道Φ40-24道。直浇道∶横浇道∶内浇道为1∶1.23∶1.18。

2）铁水过滤设计

在每个内浇道位置设置一个过滤器，过滤器内放置过滤网，保证铁水进入型腔前得到充分过滤净化[2]。

3）座包定量浇注

盖箱设置座包，座包用带拔塞头堵住进水口。所有铁水球化孕育后先倒入座包，在座包中镇静1 min～2 min，使铁水中氧化渣等杂物充分上浮，去除杂物，再拔塞浇注。

4）浇注温度控制

机架型腔复杂，内腔冷铁又多，铁水充型降温快，夹杂物更加容易停留在铸件内部，形成夹杂物缺陷，所以机架采用高温浇注，座包拔塞时铁水测温要求为：(1 350±15) ℃。

4.2 解决缩松、缩孔缺陷

1）冒口设计补缩

底板位置设置顶冒口：底板位置壁厚200 mm，冒口径取φ160 mm、高度80 mm，冒口体取φ260 mm、高度450 mm，顶冒口每档2只，共14只。顶冒口合计质量2 600 kg，占铸件质量10.8%。轴承档设置暗冒口：轴承档位置壁厚150 mm，冒口径取φ90 mm、高度60 mm，冒口体取φ180 mm、高度220 mm。每档2只，共14只。冒口布置见图1。

2）热节处设置冷铁

针对缸盖螺孔、主轴承螺孔等位置孤立热节点容易产生缩松、缩孔缺陷[3]。工艺上采用冷铁激冷，加快热节点铁水凝固，保证材质致密性。冷铁厚度为铸件热节厚度的0.6～0.8，整个铸件热节表面都覆盖冷铁。各位置冷铁布置见图2。

图2 冷铁布置图

3）铸型紧固设计

4.3 解决材质理化性能问题

1）炉料选择及炉料配比

机架铸造采用高纯生铁为主，S、P和Ti等杂质元素含量低，铁水成核能力强，球化孕育效果好，铸件理化性能才能保证[3]。炉料配比：高纯生铁65%+废钢35%+增碳剂。

2）铁水成分控制

铁水成分采用较高的C、Si含量，保证铁水石墨化能力；控制Mn含量，防止铁水珠光体化能力过大；同时，严格控制S、P元素，防止影响球化孕育效果。原铁水成分控制：C为3.6%～3.8%；Si为1.4%～1.6%；Mn为0.2%～0.3%；P≤0.05%；S为0.009%～0.015%。

3）球化剂选择及球化方式

为保证球化效果，采用球化能力强的MgRe球化剂，球化剂用量：1.2%；球化剂预埋在浇包包底一侧，其上面覆盖球铁盖板。高温铁水快速倒入浇包没有球化剂的一侧进行球化处理，铁水覆盖包底后逐步开始球化反应。

4）孕育剂选择及孕育方式

为提高孕育效果，采用出铁球化随流孕育和座包随流孕育[1]；出铁球化孕育，采用低稀土孕育剂，用量0.55%；座包随流孕育，采用硫氧孕育剂，用量0.15%。

5 工艺仿真模拟优化

采用铸造仿真软件模拟验证，根据模拟结果，优化机架工艺参数。

5.1 充型的平稳性模拟

机架采用底注半封闭式的浇道系统，同时内浇道设置过滤网。铸造仿真软件显示，铁水充型平稳，见图3。

图3 铁水充型模拟仿真图

5.2 铸件缩松倾向模拟

机架热节主要集中在缸盖螺孔、主轴承孔和铸造顶部甲板等部位设置冷铁、冒口等工艺措施，铸造仿真软件显示，上述位置没有缩松倾向，见图4。

图4 铸件仿真显示图

6 铸造生产验证

5.3 材质性能模拟

根据模拟分析，机械强度、延伸、硬度和金相等指标满足技术规范要求，且分布均匀。如机架材质要求延伸率≥14%，模拟分析延伸率约19%～20%，符合要求，见图5。

图5 铸件性能模拟图

大功率核电应急柴油机机架目前完成生产验证3件，机架毛坯、加工后各项检验指标符合技术规范要求。

6.1 材质理化性能及金相组织验证

3台机架的附铸试块，各项理化性能及金相组织检验指标都符合技术规范要求，机架材质性能良好、稳定。

机架力学性能检测结果全部合格，见表1。机架化学成分、金相组织检测结果全部合格，见表2。

表1 机械性能

表2 化学成分及金相组织

表2 化学成分及金相组织（续）

6.2 外观及内在质量验证

机架毛坯及加工后检查，缸套孔、轴承档等关键位置要求超声波检查和射线检查合格。加工后缸盖螺孔等位置也未发现疏松、缩松、缩孔、夹砂和气孔等缺陷。加工后机架见图6。

图6 机架成品图片

7 结论

通过大型复杂机架生产验证，形成以下几点工艺设计经验：

1）为减少大型复杂机架的夹杂类缺陷，必须充分发挥浇道系统的挡渣能力，采用底注浇注系统，设置过滤器等，同时浇注温度要高。

2）为防止复杂大型机架的产生缩松等缺陷，必须加强冒口和冷铁设置，两者互相配合，保证厚大关键位置凝固补缩条件。

3）为保证大型机架的材质性能，必须采用高纯生铁等优质炉料，提高原铁水质量，同时采用高效的球化孕育剂和球化孕育方式，防止球化不良，孕育衰退等问题。