大型船用柴油機(jī)機(jī)體夾渣分析

楊恒遠(yuǎn) 張聚輝 畢海香 王 佳 盧彬彬

(濰柴重機(jī)股份有限公司，山東261108)

大型船用柴油機(jī)機(jī)體夾渣分析

楊恒遠(yuǎn) 張聚輝 畢海香 王 佳 盧彬彬

(濰柴重機(jī)股份有限公司，山東261108)

針對(duì)大型船用柴油機(jī)機(jī)體存在的夾渣缺陷，從熔煉和工藝設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行原因分析，并利用MAGMA模擬軟件，制定了改進(jìn)措施。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，夾渣缺陷顯著減少。

夾渣；熔煉；工藝設(shè)計(jì)

船用柴油機(jī)大部分時(shí)間是在滿負(fù)荷情況下工作，有時(shí)在變負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。船舶經(jīng)常在顛簸中航行，船用柴油機(jī)應(yīng)能可靠工作，因此對(duì)船用柴油機(jī)的要求相對(duì)來說比較高，尤其是對(duì)船用柴油機(jī)最主要組成部分的機(jī)體的要求尤為嚴(yán)格，而且在鑄件的觀察窗、缸孔、凸輪軸孔等關(guān)鍵部位必須進(jìn)行超聲檢測(cè)。

該柴油機(jī)機(jī)體材質(zhì)為QT400-15，最大毛坯重量為20 t，屬于厚大斷面球鐵鑄件。鑄造生產(chǎn)中，鑄件因夾渣而報(bào)廢的，占廢品中的比例較大。這些夾渣有熔煉過程中產(chǎn)生的一次渣，也有澆注過程中產(chǎn)生的二次渣，一旦進(jìn)入型腔往往會(huì)造成夾渣缺陷，存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，具體缺陷見圖1。

1 原生產(chǎn)工藝

該機(jī)體的熔煉采用中頻感應(yīng)電爐來完成鐵水的熔化，造型、制芯使用鐵木結(jié)合的工藝裝備，采用堿性酚醛自硬砂工藝生產(chǎn)。砂箱共分為三層，上箱、中層套箱、下箱，其中中層套箱又由3扇砂箱組成[1]。采用單邊底注立澆工藝生產(chǎn)。砂箱示意圖如圖2所示。

圖2 砂箱示意圖

2 原因分析

夾渣是指鑄件內(nèi)部或表面有外來的非金屬夾雜物。這種非金屬夾雜物統(tǒng)稱為“渣滓”，故稱這種缺陷為夾渣。按渣滓形成時(shí)間先后，有一次渣和二次渣之區(qū)別。一次渣形成于先，它是指合金冶煉或熔煉時(shí)的冶金熔渣(氧化渣、還原渣、酸性渣、堿性渣等)或溶劑所形成的渣；或金屬液同爐襯、包襯相互作用產(chǎn)生的渣；或金屬液爐前處理，例如孕育處理或變質(zhì)處理后生成的渣。二次渣形成于后，它是指在澆包內(nèi)擋住或去除一次渣后，進(jìn)行澆注直至充型過程中，由于金屬液的二次氧化或其他各種原因而形成的渣。這兩種夾渣易出現(xiàn)在鑄件的上表面、砂芯的下表面或鑄件的死角處[2]。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中夾渣出現(xiàn)的位置，同時(shí)利用MAGMA模擬軟件，主要從熔煉和工藝設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析，認(rèn)為形成夾渣缺陷的原因主要包括以下幾點(diǎn)：

2.1 熔煉方面

(1)熔煉過程鐵液中的渣未能去除干凈，澆包及澆口箱內(nèi)的渣隨鐵液進(jìn)入鑄件型腔。

(2)澆注溫度偏低，鐵液中的渣不易上浮。

(3)原輔材料的純凈度不夠，尤其是回爐料，造成熔煉過程鐵液中的渣較多。

2.2 工藝設(shè)計(jì)方面

(1)鐵液流速快，澆注系統(tǒng)內(nèi)的鐵液飛濺、裹氣、氧化嚴(yán)重。

(2)內(nèi)澆口位置不合理，內(nèi)澆道直接沖刷砂芯芯頭，加劇了鐵液的飛濺，鐵液更容易形成紊流，夾渣形成的可能性較大。

(3)溫度場(chǎng)的變化如圖3所示。從圖3可以看出，采用單側(cè)澆注系統(tǒng)不合理，內(nèi)澆道對(duì)側(cè)的溫度低得多。溫度太低，鐵水內(nèi)夾雜物不易上浮，同時(shí)內(nèi)澆道位置不在鑄件的最底部，內(nèi)澆道對(duì)側(cè)比內(nèi)澆道低的部位鐵水形成死區(qū)，早期進(jìn)入型腔內(nèi)的鐵水中的渣不能上浮，聚集在此處形成夾渣缺陷。

(4)工藝保證系數(shù)低，當(dāng)出現(xiàn)夾渣缺陷時(shí)可通過打磨去除，但是卻因?yàn)榇蚰コ叽邕^大，無法保證鑄件的密封，給后道工序增加麻煩。

3 工藝改進(jìn)

根據(jù)夾渣出現(xiàn)的位置，結(jié)合上述分析，進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 溫度場(chǎng)的變化

3.1 熔煉方面

(1)高溫靜置，保證電爐內(nèi)鐵液中的渣充分上浮并進(jìn)行扒渣處理。

(2)澆包內(nèi)扒渣，并設(shè)計(jì)澆包擋渣裝置，避免渣滓進(jìn)入澆口箱。

(3)提高澆注溫度，在保證鑄件不出現(xiàn)縮松缺陷的前提下盡量提高澆注溫度。

(4)應(yīng)用滾筒式拋丸清理機(jī)，去除金屬爐料表面的鐵銹。

3.2 工藝設(shè)計(jì)方面

(1)改進(jìn)拔塞澆注工藝，由原先的3個(gè)塞頭同時(shí)拔起修改為先拔2個(gè)塞頭，澆注后期再拔第3個(gè)塞頭，達(dá)到控制鐵液流速的目的。

(2)移動(dòng)內(nèi)澆口位置，由原先的直沖砂芯芯頭改為偏離砂芯芯頭。

(3)修改澆注系統(tǒng)，由單側(cè)澆注系統(tǒng)改為雙側(cè)澆注系統(tǒng)，即由封閉式澆注系統(tǒng)改為半開放式澆注系統(tǒng)，改進(jìn)后鐵水流速降低，上升平穩(wěn)，飛濺、卷氣傾向減小，而且雙側(cè)引進(jìn)鐵水，消除了內(nèi)澆道底部死區(qū)。改進(jìn)澆注系統(tǒng)后的溫度場(chǎng)如圖4所示。從圖4可以看出，機(jī)體兩側(cè)同一水平截面上溫度基本相同，改善了原來不均衡的溫度場(chǎng)。

圖4 改進(jìn)澆注系統(tǒng)后的溫度場(chǎng)

(4)增大工藝保證系數(shù)，在容易出現(xiàn)夾渣的部位適當(dāng)增加補(bǔ)貼，保證夾渣缺陷去除后不影響鑄件的使用，見圖5。

圖5 增加補(bǔ)貼

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

改進(jìn)工藝后，共生產(chǎn)驗(yàn)證機(jī)體19臺(tái)，夾渣缺陷明顯減少，機(jī)體合格率100%，機(jī)體質(zhì)量得到顯著改善。

5 結(jié)論

夾渣缺陷并不僅僅是熔煉方面的原因，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不夠合理也會(huì)導(dǎo)致夾渣缺陷的加劇，因此夾渣缺陷需要從熔煉和工藝設(shè)計(jì)兩方面入手，才能起到事半功倍的效果。

[1] 王潘興，于建忠，畢海香，等. 大功率柴油機(jī)球鐵機(jī)體鑄造工藝探討[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2015(2)：22-26.

[2] 陳國(guó)楨，肖珂則，姜不居. 鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

編輯 杜青泉

Solution Measures to Slag Inclusion Defects of Large Marine Diesel Engine Cylinder Block

Yang Hengyuan, Zhang Juhui, Bi Haixiang, Wang Jia, Lu Binbin

Aiming at the slag inclusion defects of large marine diesel engine block, this paper analyzes the causes from two aspects of smelting and process design, and by using MAGMA simulation software to work out an improvement measures. Through production verification, the slag inclusion defects were significantly reduced.

slag inclusion, smelting, process design

2017—03—29

楊恒遠(yuǎn)(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事鑄鐵件鑄造工藝開發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)管理。

TG250.6

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