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大型透平壓縮機是一種多級式渦輪壓縮機。在透平壓縮機中,高速旋轉的葉輪給予氣體的離心作用,以及在擴壓通道中給予氣體的擴壓作用,使氣體壓力得到提高。隨著化學工業(yè)、石油冶煉、醫(yī)療技術等領域的不斷發(fā)展,各種車間及廠房的建立,透平壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體、分離氣體等的關鍵機器,在這些領域占有極其重要的地位[1]。蝸殼是壓縮機的最重要的組成部分之一,其作用就是使氣體增壓,是整個壓縮機的核心部件之一,因而其質量的好壞、能力的大小,將影響整個壓縮機的質量和效率。圖1 為透平壓縮機機組圖。
蝸殼需要承受高壓、高速、高溫的氣流,所以對蝸殼鑄件的氣密性要求很高。根據(jù)在壓縮機中的位置不同,蝸殼尺寸由大到小,壓縮能力由低到高。本項目所研制的蝸殼鑄件,作為末級壓縮,壓縮比大,對流道和壓力要求更高,圖2 為蝸殼鑄件結構示意圖。
圖1 透平壓縮機機組圖
本次研究產(chǎn)品單重4 260 kg,主體壁厚40 mm~70 mm,輪廓尺寸3 100 mm×1 900 mm×600 mm;尺寸精度ISO8062-3 DCTG12,鑄件材質為EN-GJS-400-18-LT,鑄件100%PT 檢測,鑄態(tài)條件下的氣體通道為3 級,其他區(qū)域為4 級。100%UT 檢測要求,鑄態(tài)條件下關鍵區(qū)域1 級,非關鍵區(qū)域III級;外觀檢測標準為EN 1370 3S1.
圖2 蝸殼鑄件結構示意圖
使用手工樹脂砂生產(chǎn)蝸殼鑄件,工藝方案設計主要包括澆注方向的選擇、澆注系統(tǒng)的布置、冒口位置的確定和中間蝸牛砂芯的固定。針對蝸殼鑄件澆注方向,考慮到蝸牛芯的固定和順暢出氣,將開口面向下放置,并提前與下箱固定在一起,整體合箱[2]。
蝸殼內腔流道面,對鑄件表面要求高,通過對澆注系統(tǒng)的有效設計,可以大幅改善表面夾渣和沖砂等問題。綜合各類型澆注系統(tǒng)的特點,采取底注式先封閉后開放的澆注系統(tǒng),截面比為1:2∶0.8∶2.5,在直澆道底部增加緩沖窩,以緩解鐵水對緩沖窩的沖擊力,降低紊流;將橫澆道設置在分型面上,方便模型制作,橫澆道下部設計過濾網(wǎng)座,位于分型面下部,阻擋高速鐵水攜帶熔渣進入型腔,提高鐵水的純凈度;橫澆道位于鑄件中上部分型面處,在鐵水充型過程中能夠使橫澆道快速充滿,第一股冷鐵水不進入型腔,進一步凈化了進入內澆道的金屬液,降低了鑄件夾渣的風險,其具體結構如圖3 所示。
圖3 底注半開放式澆注系統(tǒng)示意圖
內澆道均勻分布、多點進流,從鑄件較為厚大位置進流,從而實現(xiàn)溫度場均勻和平穩(wěn)快速充型;澆注系統(tǒng)設置有8 片碳化硅泡沫和直孔組合式過濾網(wǎng),對鐵水起到很好的過濾加整流效果。利用鑄造CAE 輔助技術進行工藝驗證,如圖4 所示,充型平穩(wěn),型腔內實現(xiàn)逐層充滿,充型完成后溫度場分布合理,判定澆注系統(tǒng)合格,可以使用。
圖4 充型過程模擬圖
蝸殼類鑄件屬于薄壁殼體類,為防止縮松缺陷,在補縮工藝上需要考慮冷鐵及冒口的合理放置。通過計算及利用鑄造CAE 輔助技術進行工藝驗證,采用發(fā)熱冒口補縮、冷鐵分區(qū)的形式基本可以實現(xiàn)順序凝固,可以確保鑄件無縮松、縮孔缺陷,保證鑄件質量,冒口、冷鐵設計如圖5 所示。
圖5 冒口、冷鐵結構示意圖
按照圖5 所示的鑄造工藝進行充型、凝固模擬,其模擬結果如圖6 所示。從模擬結果可以看出,所研發(fā)蝸殼鑄件的關鍵部位,如吸氣口法蘭、進氣口等,均無縮松缺陷[3]。
圖6 凝固過程模擬結果
該產(chǎn)品主體為渦旋結構,內部砂芯主體由1 塊流道砂芯組成,如圖7 所示。流道芯采用木模芯盒手工填砂一次整體成型,芯盒結構采用開多處填砂孔的形式,便于保障芯盒尺寸穩(wěn)定性和強度,同時兼顧填砂操作性,填砂孔可開設在蝸殼流道側面,每300 mm~400 mm 范圍內需要設置一處填砂孔。
為了能夠保證鑄件流道面及外觀面整體質量,需要保證砂芯在吊運、澆注過程中不能開裂晃動,采用專用高強度芯鐵和多點吊運結合的形式;為了簡化現(xiàn)場操作,設計制作階梯型鑄鐵球鐵芯鐵,預埋在砂芯內部,起到骨架作用,保障了砂芯整體的剛度和強度,如圖8 所示。
圖7 流道芯結構示意圖
圖8 專用芯鐵及示意
蝸殼內腔結構特殊,在流道的末端內腔小,容易發(fā)生粘砂或鐵包砂缺陷,給清理工序帶來很大困難。通過加強型砂緊實度達到90 以上,刷涂3 遍涂料,保證涂層厚度在0.3 mm~0.5 mm,可以緩解粘砂程度。為徹底解決,在制芯時加入質量分數(shù)10%鋼丸及1.5%Fe3O4粉末,可大大緩解鑄件的粘砂問題。
在流道砂芯制芯完成后,砂芯重量達3.5 t,整個流道砂芯要預先與上箱固定在一起整體合箱。固定方式具體見圖9,將上箱翻轉放在固定支架上,使用螺桿將砂箱芯鐵與上箱箱帶固定成為一個整體,螺桿使用φ28 mm 的4 道,3 道在中間,1 道設置在出氣流的大口位置。之后翻轉上箱,進行整體合箱操作。
圖9 蝸殼標芯簡圖
采用以上工藝方案進行試生產(chǎn)試制產(chǎn)品如圖10 所示。對鑄件外觀進行目視和100%PT 檢驗,發(fā)現(xiàn)局部存在2 mm~3 mm 夾渣缺陷,按照鑄件壁厚公差進行修磨后達到EN 1370 3S1 要求。缺陷主要產(chǎn)生在鑄造上箱面,分析原因為,球墨鑄鐵鐵水中的球化劑含有Mg,在型腔內氧化形成的夾渣上浮在鑄造上箱面,可通過降低Mg 含量、凈化鐵水、平穩(wěn)澆注等措施進一步改善夾渣程度。修磨后的鑄件尺寸精度達到GB 6414 標準中CT12 級。
圖10 蝸殼鑄件尺寸及試制件實物圖
對于鑄件縮松,按照鑄態(tài)條件下的EN 12680-3進行檢測,符合產(chǎn)品技術質量要求:關鍵區(qū)域I 級,非關鍵區(qū)域III 級;檢測鑄件實體與試塊金相,其金相組織檢測結果如圖11 所示,石墨形態(tài)和基體組織均符合標準:石墨類型為V+VI 型,石墨尺寸3μm~5μm,基體組織中鐵素體超過95%.
圖11 產(chǎn)品金相組織
透平壓縮機用蝸殼結構復雜,對流道面及壓力要求高。采用手工樹脂砂成形工藝,選擇開口面向上的澆注方向;采取底注式先封閉后開放的澆注系統(tǒng),內澆道均勻分布、多點進流,從鑄件較為厚大位置進流;冒口設置在鑄件外側、發(fā)熱冒口補縮、冷鐵分區(qū)的補縮形式;采用專用高強度芯鐵和多點吊運結合的形式,保證砂芯強度。以上措施可以生產(chǎn)出符合產(chǎn)品技術要求的產(chǎn)品。