柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)研究

任行洲，王鵬濤，趙悅光，谷剛，田逢甲

（1.中廣核工程有限公司，深圳 518 124；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713 105）

柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)研究

任行洲1，王鵬濤1，趙悅光2，谷剛2，田逢甲2

（1.中廣核工程有限公司，深圳 518 124；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713 105）

為了能夠?qū)穗姶笮筒裼蜋C(jī)機(jī)體的澆注系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)概括和總結(jié)，同時為后續(xù)柴油機(jī)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供一定的基礎(chǔ)，本文主要介紹了幾種核電大型柴油機(jī)機(jī)體的鑄造澆注系統(tǒng)，并對今后柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了探討。

柴油機(jī)機(jī)體；澆注系統(tǒng)；鑄造工藝

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 2

0 引言

柴油機(jī)是核電應(yīng)急柴油機(jī)組的重要組成部分之一，柴油機(jī)的性能直接影響著柴油機(jī)組的可靠性，而作為柴油機(jī)主體部件的機(jī)體，它的性能更是保證柴油機(jī)正常工作的前提，對鑄件品質(zhì)要求很高。在柴油機(jī)機(jī)體的鑄造過程中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對鑄件的品質(zhì)有很大的影響，合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是高品質(zhì)柴油機(jī)機(jī)體鑄件的保障。

1 柴油機(jī)機(jī)體鑄造澆注系統(tǒng)

核電柴油機(jī)機(jī)體鑄造澆鑄方案大體可分為兩大類，立式澆鑄和臥式澆鑄。立式澆鑄就是缸孔面朝下，底腳板面朝上的澆注方式；臥式澆鑄就是以一側(cè)觀察窗口面朝下，另一側(cè)朝上的澆注方式，臥式澆注系統(tǒng)一般適用于中小型柴油機(jī)機(jī)體。對于核電柴油機(jī)機(jī)體的鑄造，一般都采用底注式澆注系統(tǒng)或階梯式澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般強(qiáng)調(diào)兩個原則，一是盡可能采用底注式，底注式澆注系統(tǒng)，鑄件充型平穩(wěn)，澆注平穩(wěn)充型是保證鑄件品質(zhì)的基本條件；二是在此基礎(chǔ)上限制內(nèi)澆道的充型速度盡量小于0.5 m/s。

1.1 柴油機(jī)機(jī)體的立式澆注系統(tǒng)

柴油機(jī)機(jī)體的立式澆注系統(tǒng)主要是指柴油機(jī)機(jī)體缸孔面朝下、底腳板朝上，這種澆注系統(tǒng)主要是考慮到要保證重要面的材質(zhì)和性能，而缸孔正是柴油機(jī)機(jī)體的重要孔系，因此設(shè)計(jì)為這種澆注系統(tǒng)。

1）單層澆道底注式澆注系統(tǒng)

一般對于中小型柴油機(jī)機(jī)體，由于澆注質(zhì)量比較小，充型時間短，因此可以采用單層底注澆注系統(tǒng)。單層底注式澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)為半封閉式，如圖1所示，各組元截面積之比一般為：

優(yōu)點(diǎn)：底注式充型較為平穩(wěn)且利于排氣，半封閉式澆注系統(tǒng)不但具有一定的擋渣作用，還可以使鐵液平穩(wěn)進(jìn)入型腔，可以保證柴油機(jī)鑄件缸孔爆發(fā)面及缸孔區(qū)域的品質(zhì)。

缺點(diǎn)：底注式鐵液往上逐漸變涼不利于鐵液對底腳板的補(bǔ)縮，鐵液壓頭過大，對砂型橫澆道、內(nèi)澆道，容易產(chǎn)生沖砂，因此此種澆注系統(tǒng)容易產(chǎn)生夾渣、夾砂、及底腳板縮孔縮松的出現(xiàn)。

2）階梯式澆注系統(tǒng)

對于某些大型柴油機(jī)機(jī)體可以采用階梯式澆注，防止由于下層鐵液由于長時間充型，表面溫度較低引起的鑄造缺陷。采用階梯式澆注系統(tǒng)，階梯式澆注的難點(diǎn)在于如何保證分層注入鐵液，一旦不能實(shí)現(xiàn)分層注入鐵液，鐵液將會發(fā)生紊流現(xiàn)象，從而易產(chǎn)生氣孔、氧化夾雜等鑄造缺陷。為了能夠保證這一點(diǎn)，澆注的時候可以在軸瓦面接上電燈至砂箱外面作為指示燈，當(dāng)下層鐵液充型至軸瓦面時打開上層澆注系統(tǒng)，一方面為型腔補(bǔ)入熱鐵液，另一方面可以縮短充型時間。

圖1 單層澆道底注式澆鑄系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)分為兩層階梯式澆注，上下澆注系統(tǒng)均為半封閉式，如圖2所示為直列柴油機(jī)機(jī)體的澆注系統(tǒng)三維圖，圖3為V型柴油機(jī)機(jī)型的澆注系統(tǒng)三維圖，上下各組元截面積之比一般為：∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶（1.7～2.5）∶（1.3～1.6）。鐵液從底部注入到軸瓦面的時候再打開上層澆注系統(tǒng)直至澆注完畢。

圖2 直列柴油機(jī)機(jī)體階梯式澆注系統(tǒng)

圖3 V型柴油機(jī)機(jī)體階梯式澆注系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：采用雙層澆道的方式，上層澆道進(jìn)入型腔及冒口的鐵液溫度較高，一方面有利于對軸瓦、底腳板等關(guān)鍵部位補(bǔ)縮；另一方面避免下層鐵液充型到頂部因?yàn)殍F液溫度低而導(dǎo)致的鑄造缺陷。

缺點(diǎn)：鐵液壓頭大，對砂型澆道容易產(chǎn)生沖砂，半封閉式澆道，內(nèi)澆道截面為阻流截面，內(nèi)澆道口容易產(chǎn)生噴射，對球鐵而言容易產(chǎn)生氧化夾渣。

3）底注開放式澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)采用類似風(fēng)電球鐵鑄件開放式澆注系統(tǒng)，各組元截面積之比一般為：

優(yōu)點(diǎn)：簡化了澆注系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)強(qiáng)度和成本，澆注平穩(wěn)，減少了鐵液紊流沖砂等現(xiàn)象，對球鐵機(jī)體而言，減少了二次渣的出現(xiàn)。

缺點(diǎn)：對澆注操作過程提出了更高的要求。

1.2 柴油機(jī)機(jī)體的臥式澆注系統(tǒng)

臥式澆注系統(tǒng)一般較立式澆鑄壓頭小，澆鑄系統(tǒng)位于機(jī)身一側(cè)，內(nèi)澆口一般從缸孔爆發(fā)面?zhèn)然蚯S觀察窗口面引入，如圖4所示為典型的臥式澆鑄系統(tǒng)方案，內(nèi)澆道由缸孔面引入的澆注系統(tǒng)三維圖，圖5為內(nèi)澆道由觀察窗口引入的臥式澆注系統(tǒng)三維圖。臥式澆注系統(tǒng)適用于中小型直列式柴油機(jī)機(jī)體，因?yàn)閴侯^較低，一般采用單層底注式澆注系統(tǒng)。

澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，各組元截面積之比一般為：

優(yōu)點(diǎn)：簡化了澆注系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)強(qiáng)度和成本，澆注平穩(wěn)，減少了鐵液紊流沖砂等現(xiàn)象；坭芯分割簡單，便于配箱操作，提高了工作效率，大幅度地降低了生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng)度。

缺點(diǎn)：配箱要求嚴(yán)格，對型腔清潔度要求高，同時，由于大側(cè)面朝上，頂部需要擺放冒口和出氣，對澆注操作過程要求高。

圖4 內(nèi)澆道由缸孔面引入的臥式澆注系統(tǒng)

圖5 內(nèi)澆道由觀察窗口引入的臥式澆注系統(tǒng)

2 柴油機(jī)機(jī)體鑄造澆注系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展

柴油機(jī)機(jī)體的澆注系統(tǒng)經(jīng)過多年的實(shí)踐和驗(yàn)證，已經(jīng)越來越趨于穩(wěn)定和成熟，目前被公認(rèn)并廣泛應(yīng)用的大致都是底注式澆注系統(tǒng)，但在局部細(xì)節(jié)處理上還存在一定的發(fā)展空間，為了解決球體件的沖砂夾渣等缺陷，目前，在一些大型鑄件上，對內(nèi)澆道的設(shè)置有了一定的改進(jìn)和優(yōu)化，同時，在避渣系統(tǒng)上，設(shè)置了過濾網(wǎng)系統(tǒng)，用來提高進(jìn)入型腔的鐵液純凈度，降低夾渣缺陷，提高鑄件品質(zhì)。

2.1 皮縫式內(nèi)澆道的應(yīng)用

開放式皮縫澆注系統(tǒng)，鐵液充型平穩(wěn)，進(jìn)一步減少了鐵液紊流，有利于球鐵件的自補(bǔ)縮，最終減少了機(jī)身縮孔縮松，夾砂夾渣等現(xiàn)象。圖6為某型柴油機(jī)機(jī)體的皮縫式澆注模擬。

圖6 某型柴油機(jī)機(jī)體皮縫式澆注模擬

2.2 過濾系統(tǒng)在柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)中的應(yīng)用

在鑄造生產(chǎn)中，由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)致的鑄件廢品率居高不下，不僅嚴(yán)重降低鑄件的機(jī)械性能，也對其加工性能及外觀產(chǎn)生有害影響。凈化液態(tài)金屬，減少或消除其中的各種非金屬夾雜物，無疑是獲得高品質(zhì)鑄件的非常重要的技術(shù)措施。采用過濾技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)凈化液態(tài)金屬的目的。

過濾技術(shù)應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)已有幾十年的歷史，最初僅僅是用鐵絲網(wǎng)、帶孔的鋼板、多孔泥芯等簡單的過濾器插入澆注系統(tǒng)中來濾除大塊夾雜物。目前，陸續(xù)出現(xiàn)了硅酸鋁纖維質(zhì)、鉬絲質(zhì)、氮化硼纖維質(zhì)等兩維結(jié)構(gòu)型內(nèi)過濾網(wǎng)，并在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，取得了一定效果。但在柴油機(jī)機(jī)體中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步推廣，目前在一些小型柴油機(jī)機(jī)體中，過濾裝置已經(jīng)得到一定的應(yīng)用，并且有良好的效果，鑒于澆注系統(tǒng)的發(fā)展和成功的實(shí)踐應(yīng)用，因此，在以后的柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)中，過濾裝置將會得到廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語

(1)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)得正確與否對鑄件的品質(zhì)影響很大；

(2)核電大型柴油機(jī)機(jī)體的澆注系統(tǒng)大都采用底注式和階梯式，內(nèi)澆道的充型速度盡量小于0.5 m/s，V型機(jī)大都采用底注式立式澆注，直列機(jī)根據(jù)機(jī)型大小，有底注式臥式澆注和底注式立式澆注，在某些大型柴油機(jī)機(jī)體也采用階梯式澆注；

(3)通過柴油機(jī)機(jī)體澆注系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展，皮縫式內(nèi)澆道在以后的工藝設(shè)計(jì)中將會得到更多的應(yīng)用，能夠使得型腔內(nèi)的鐵液有更好的避渣能力，并且充型更加平穩(wěn)；

(4)隨著過濾材料性能的提高，過濾技術(shù)將會更廣泛的被應(yīng)用在柴油機(jī)機(jī)體的鑄造過程中，保證鐵液的純凈度，提高鑄件品質(zhì)。

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Research on Diesel Engine Crankcase Casting System

REN XingZhou1，WANG PengTao1，ZHAO YueGuang2，GU Gang2，TIAN FengJia2
(1.China nuclear Power Engineering Co.,Ltd., Shenzhen 518124, China;2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.,Ltd.,Xingping 713105, Shaanxi,China)

In order to pouring system for nuclear power large diesel engine crankcase system summary, and provide some basis for the design of gating system and subsequent improvement of diesel machine, this paper mainly introduces the development direction of machine casting system of several large nuclear power diesel engine crankcase casting pouring system and future diesel.

Engine crankcase； Pouring system； Casting process

TG244+.2；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 05-03

2017-04-10

稿件編號:170 4-174 1

任行州(197 4—），工程師，主要從事鑄件品質(zhì)管理方面的工作.