高壓電氣1100kV產(chǎn)品鋁合金連接導(dǎo)體的鑄造工藝優(yōu)化

李勝君，程俊明，孫曉麗，王家文，張興君，趙娜娜

（新泰（遼寧）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009）

1100kV特高壓交流輸電技術(shù)是國際上電壓等級(jí)最高、容量最大、距離最遠(yuǎn)的輸電技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國西部、北部巨型能源基地超遠(yuǎn)距離、超大規(guī)模電力外送和周邊國家互聯(lián)互通的核心技術(shù)，也可為國際電網(wǎng)互聯(lián)提供重要技術(shù)途徑，特高壓交流輸電技術(shù)是能源電力領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。作為國家重點(diǎn)研發(fā)工程項(xiàng)目，對(duì)推動(dòng)我國能源的有效開發(fā)和利用，滿足地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要具有重要意義。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及工藝性能分析

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

2468連接導(dǎo)體是我公司為國內(nèi)某高壓電氣制造商配套生產(chǎn)的特高壓1100kV產(chǎn)品上的重要零件（見圖1），連接導(dǎo)體外輪廓尺寸為?440mm×418mm，均勻壁厚10mm，最大厚度60mm，機(jī)加后凈重38kg，鑄件整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壁厚差較大，存在多處厚大區(qū)域。

1.2 技術(shù)參數(shù)

材質(zhì)：歐洲牌號(hào)AlSi7Mg，化學(xué)成分及綜合力學(xué)性能見表1、2，鑄件100%X光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)，無鑄造缺陷。

1.3 工藝性能分析

2468連接導(dǎo)體最重要的部位是厚大區(qū)域外端面的密封鍍銀面，不允許有縮松、夾雜等鑄造缺陷，該鑄件的工藝難點(diǎn)是壁厚差較大，厚大區(qū)域較多且分散，溫度場(chǎng)分布不均勻，整體均勻壁厚較薄熱量散失較快，不利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，易產(chǎn)生縮松及縮孔等鑄造缺陷。

圖1 零件簡(jiǎn)圖

表1 化學(xué)成分

表2 力學(xué)性能

筆者通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的深入分析結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及鑄件凝固理論，先后采取砂型低壓鑄造、金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造及金屬型低壓鑄造三種工藝方案，不斷深入優(yōu)化鑄造工藝，以獲得組織致密、機(jī)械性能優(yōu)良的無鑄造缺陷鑄件。

2 工藝方案

2.1 方案一:砂型低壓鑄造

該工藝方案是將鑄件最大截面處作為鑄件的分型面，分為上、中、下三箱，靠近厚大區(qū)域處開設(shè)縫隙澆道進(jìn)行補(bǔ)縮，同時(shí)采用四相進(jìn)水的充型方式，以減少鑄件充型時(shí)間，避免鑄件縫隙區(qū)域因充型時(shí)間過長(zhǎng)引起過熱，產(chǎn)生縮松、縮孔鑄造缺陷；厚大區(qū)域外端密封鍍銀面采用外冷鐵進(jìn)行激冷，增加厚大區(qū)域組織致密度（圖2）。

采用鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)[1]對(duì)砂型工藝方案進(jìn)行模擬(圖3)。

通過模擬結(jié)果反映出鑄件在凝固過程中鑄件厚大區(qū)域存在縮松及縮孔鑄造缺陷。

圖2 砂型工藝

經(jīng)分析是由于補(bǔ)縮通道較窄熱量散失較快，補(bǔ)縮通道不暢通，導(dǎo)致厚大區(qū)域在凝固過程中無法得到有效的鋁液補(bǔ)縮，在凝固收縮過程中產(chǎn)生縮松、縮孔。后續(xù)雖經(jīng)過增加縫隙澆道與厚大區(qū)域之間的壁厚，以增強(qiáng)厚大區(qū)域收縮凝固過程中邊冒口的補(bǔ)縮效果，但縮松、縮孔的問題仍然無法徹底解決（圖4）。

綜上，砂型低壓鑄造工藝采用三開箱，實(shí)際操作過程中比較繁瑣，材料用量較大，生產(chǎn)效率較低；澆注系統(tǒng)粘砂嚴(yán)重，回爐料品位較差，金屬熔體利用率低；同時(shí)由于厚大區(qū)域在凝固收縮過程中存在縮松、縮孔的問題，質(zhì)量不穩(wěn)定很難實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

圖4 縮松示意圖

2.2 方案二：金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造

該工藝方案是將鑄件最大截面處作為鑄件的分型面，分為左右模具及底模具，對(duì)應(yīng)兩側(cè)厚大區(qū)域及頂部厚大區(qū)域，分別設(shè)置了邊冒口（邊冒口對(duì)應(yīng)厚大區(qū)域開設(shè)內(nèi)澆道）及頂冒口，目的是為了縮短補(bǔ)縮距離，便于邊冒口及頂冒口在厚大區(qū)域凝固收縮過程直接進(jìn)行有效補(bǔ)縮；同時(shí)厚大區(qū)域內(nèi)腔端面設(shè)置隨型冷鐵進(jìn)行激冷，以減少厚大區(qū)域熱節(jié)范圍，增強(qiáng)鋁液補(bǔ)縮效果及厚大區(qū)域組織致密度；邊冒口及頂冒口作為重力傾轉(zhuǎn)澆注通道（見圖 5）。

圖5 金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝

采用鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝方案進(jìn)行模擬（見圖6）。

通過模擬結(jié)果反映出鑄件在凝固過程中鑄件厚大區(qū)域存在過熱傾向。

經(jīng)分析由于在鑄件密封鍍銀面處直接設(shè)置頂冒口及邊冒口（邊冒口對(duì)應(yīng)厚大區(qū)域開設(shè)內(nèi)澆道），鋁液過流量較大，在鑄件充型及凝固后期存在過熱的傾向，增加了機(jī)加工后密封面區(qū)域存在組織不致密的風(fēng)險(xiǎn)；隨著生產(chǎn)頻率的提高，模具溫度也隨著增加，模具對(duì)應(yīng)內(nèi)澆道及頂冒口根部區(qū)域熱量不易散失，易造成模具局部蓄熱，導(dǎo)致鑄件晚凝固，產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷；同時(shí)由于頂冒口及邊冒口作為澆注通道，距離鑄件有一定高度落差（見圖7），傾轉(zhuǎn)充型過程中鋁液流動(dòng)狀態(tài)不易控制，易產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致鋁液二次造渣，產(chǎn)生氧化夾雜物，噴砂處理后在鑄件表面形成渣孔（見圖8）。

綜上所述，金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)際操作過程中比較簡(jiǎn)單，材料用量較少，缺點(diǎn)是厚大區(qū)域在凝固過程中存在過熱的傾向，增加了機(jī)加工后鍍銀面區(qū)域存在組織不致密的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于受生產(chǎn)效率的影響，模具溫度不易控制，生產(chǎn)節(jié)奏過快，厚大區(qū)域容易產(chǎn)生縮松、縮孔的問題。后續(xù)雖然通過調(diào)整模具傾轉(zhuǎn)角度降低鋁液高度落差，二次造渣的問題有所改善，但很難徹底解決，對(duì)于試驗(yàn)和小批量生產(chǎn)情況下，基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，由于質(zhì)量不穩(wěn)定無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2.3 方案三：金屬型低壓鑄造

該工藝方案將鑄件最大截面處作為鑄件的分型面，三處厚大區(qū)域置于立側(cè),目的是為了減少鑄件凝固截面積,增加鑄件溫度梯度,利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。

圖6 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

圖7 冒口距鑄件底端面高度落差

鑄件在模具中的凝固跟冷卻過程是非常復(fù)雜的，這是因?yàn)樗且粋€(gè)三維傳熱過程，即受模具溫度及時(shí)間的影響較大，隨著模具溫度的升高，鑄件的凝固時(shí)間延長(zhǎng)，增加了產(chǎn)生縮松及縮孔的傾向，所以在上模具對(duì)應(yīng)厚大區(qū)域外端面增設(shè)水冷盒進(jìn)行強(qiáng)效激冷，并通過調(diào)整冷卻水的過流量能夠控制厚大區(qū)域模具溫度，結(jié)合厚大區(qū)域內(nèi)腔端面隨型冷鐵就更加有效的減少鑄件厚大區(qū)域熱節(jié)范圍，在增強(qiáng)鋁液補(bǔ)縮效果及厚大區(qū)域組織致密度同時(shí)，也有效的改善鑄件凝固過程中整體溫度場(chǎng)的分布，使其更加均勻。

考慮前兩種工藝方案縫隙澆道、內(nèi)澆道及冒口，分別設(shè)置在鑄件厚大區(qū)域臨近位置以及直接設(shè)置在厚大區(qū)域，不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)厚大區(qū)域的補(bǔ)縮，存在產(chǎn)生縮松及縮孔的傾向，該工藝方案在鑄件內(nèi)腔厚大區(qū)域與直澆道之間增設(shè)工藝補(bǔ)貼 (經(jīng)與用戶設(shè)計(jì)部門溝通并經(jīng)客戶同意工藝補(bǔ)貼不去除)，避開鑄件密封鍍銀面直接從內(nèi)腔厚大區(qū)域側(cè)部進(jìn)行補(bǔ)縮（見圖9）。

采用鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)金屬型低壓鑄造工藝方案進(jìn)行模擬（見圖10）。

經(jīng)過對(duì)該工藝方案模擬，厚大區(qū)域縮松、縮孔問題已經(jīng)解決，達(dá)到了工藝預(yù)期。

工藝設(shè)計(jì)時(shí)將厚大區(qū)域置于立側(cè)，增加了鑄件的溫度梯度，有利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固；采用隨型冷鐵和水冷盒雙激冷，減少了熱節(jié)范圍的同時(shí)，有效的改善了鑄件整體溫度場(chǎng)的分布；采用工藝補(bǔ)貼可以直接對(duì)鑄件厚大域進(jìn)行補(bǔ)縮，利于調(diào)節(jié)鑄件凝固組織的形成與控制[2]，解決了厚大區(qū)域縮松、縮孔的問題；金屬型低壓鑄造一模兩件的工藝方案設(shè)計(jì)，其工藝出品率及金屬熔體利用率分別能達(dá)到95%及93%以上；該金屬型低壓鑄造工藝方案在生產(chǎn)過程中不僅減輕了造型過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也減少了后道工序?qū)﹁T件清理、打磨的工作作業(yè)量。

2.4 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

圖8 鑄件表面氧化夾雜物及噴砂后形成的渣孔

圖9 金屬型低壓鑄造工藝

圖10 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

圖11 機(jī)加工后的鑄件

生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)過X光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)及機(jī)加工，鑄件內(nèi)外表面無任何鑄造缺陷，截止目前為止已經(jīng)生產(chǎn)1000余件，質(zhì)量穩(wěn)定，由于是采用金屬型一模兩件生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大幅度提高。加工后的鑄件見圖11。

3 結(jié)論

根據(jù)鑄件的厚大區(qū)域、壁厚及其溫度場(chǎng)分布關(guān)系對(duì)鑄件工藝進(jìn)行優(yōu)化，確保合金液平穩(wěn)充型、順序凝固能夠有效的減少熱節(jié)范圍，改善鑄件凝固過程中溫度場(chǎng)分布，大幅度提高了鑄件的組織致密度及機(jī)械性能。