大功率柴油機(jī)機(jī)架的鑄造工藝技術(shù)

顧慶同，陶衛(wèi)生，毛林鑫

（1. 中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124，2. 中船海洋動力部件有限公司，上海 200129）

0 引言

機(jī)架是大功率核電應(yīng)急柴油機(jī)的關(guān)鍵零件，5 500 mm×2 520 mm×1 870 mm（長×寬×高），澆注質(zhì)量38 t；材質(zhì)牌號EN-GJS-400-15，球墨鑄鐵，附鑄試塊性能：Rm≥390 MPa；Rp0.2≥250 MPa；E%≥14%，硬度130 HB～185 HB。金相組織：石墨尺寸4 HB～7 HB，球化率≥90%，鐵素體≥90%。大功率核電應(yīng)急柴油機(jī)機(jī)架是材質(zhì)要求高、結(jié)構(gòu)鑄造性差的大型復(fù)雜鑄件。該機(jī)架鑄造難度大，鑄造質(zhì)量問題多，如夾砂、夾渣、縮松和材質(zhì)性能差等，鑄件報(bào)廢率高，目前國內(nèi)外只有少數(shù)鑄造廠家掌握了該機(jī)架的鑄造技術(shù)。

1 機(jī)架鑄造難點(diǎn)分析

大功率核電應(yīng)急柴油機(jī)機(jī)架的鑄造難點(diǎn)如下。

1.1 機(jī)架夾雜缺陷

機(jī)架鑄造質(zhì)量大，外形巨大，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆注充型過程中極易產(chǎn)生鐵水紊流，氧化渣、積灰、散沙等夾雜物裹進(jìn)鐵水內(nèi)，聚集停留在鑄件臺階、角落和筋板等內(nèi)腔位置，造成鑄件夾雜缺陷，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。

1.2 機(jī)架縮松、縮孔缺陷

機(jī)架內(nèi)腔的缸蓋螺孔、軸承螺孔等受力部位都是孤立熱節(jié)點(diǎn)，凝固過程補(bǔ)縮條件很差，凝固后期極易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷[1]。這些受力位置若有缺陷，將影響機(jī)架受力功能，造成機(jī)架報(bào)廢。

1.3 機(jī)架理化性能不符要求

大功率核電應(yīng)急柴油機(jī)機(jī)架澆注質(zhì)量大，澆注質(zhì)量38 t。該機(jī)架澆注涉及多個(gè)熔化爐，澆包、座包，相比一般中小件澆注，從球化孕育結(jié)束到完成澆注要延長10 min～15 min，機(jī)架的鐵水球化孕育衰退時(shí)間長，材質(zhì)理化性能將很難達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。

2 機(jī)架鑄造工藝方案

根據(jù)機(jī)架的鑄造難點(diǎn)分析，制定了機(jī)架鑄造工藝方案。

2.1 解決機(jī)架夾雜類缺陷工藝方案

提高澆道系統(tǒng)的擋渣能力，設(shè)置鐵水過濾器；座包定量澆注，減少夾雜物進(jìn)入型腔；合理設(shè)置澆注溫度，促進(jìn)鐵水內(nèi)夾雜上浮去除等。

2.2 解決機(jī)架縮松、縮孔缺陷工藝方案

保證整個(gè)機(jī)架鐵水補(bǔ)縮量，設(shè)置頂冒口和暗冒口；機(jī)架孤立熱節(jié)點(diǎn)，設(shè)置冷鐵，加快冷卻；提高鑄型剛度，利用鐵水自補(bǔ)縮能力。

2.3 解決機(jī)架材質(zhì)理化性能工藝方案

爐料選擇及爐料配比，保證鐵水成核能力；嚴(yán)格控制有害元素，防止影響鐵水球化孕育效果；合理選用球化劑、孕育劑，保證鐵水球化孕育效果，防止鐵水孕育衰退。

3 軟件模擬優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)

運(yùn)用軟件模擬優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，預(yù)測充型的平穩(wěn)性、材質(zhì)性能和鑄件縮松傾向等內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)機(jī)架工藝的不足，對工藝不斷完善，提高實(shí)際生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量。

4 機(jī)架鑄造工藝措施

根據(jù)機(jī)架鑄造工藝方案，結(jié)合公司鑄造生產(chǎn)各類機(jī)架工藝經(jīng)驗(yàn)，制定解決機(jī)架鑄造缺陷的工藝措施。

4.1 解決鑄件夾雜缺陷

1）澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)架采用底注澆道系統(tǒng)，使鐵水充型平穩(wěn)，減少鐵水紊流。澆注系統(tǒng)截面比例采用半封閉式，使?jié)驳老到y(tǒng)的鐵水充型平穩(wěn)，同時(shí)又有一定的擋渣能力[2]。直澆道Φ90-4道，橫澆道Φ100-4道，橫澆道Φ40-24道。直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道為1∶1.23∶1.18。

2）鐵水過濾設(shè)計(jì)

在每個(gè)內(nèi)澆道位置設(shè)置一個(gè)過濾器，過濾器內(nèi)放置過濾網(wǎng)，保證鐵水進(jìn)入型腔前得到充分過濾凈化[2]。

3）座包定量澆注

蓋箱設(shè)置座包，座包用帶拔塞頭堵住進(jìn)水口。所有鐵水球化孕育后先倒入座包，在座包中鎮(zhèn)靜1 min～2 min，使鐵水中氧化渣等雜物充分上浮，去除雜物，再拔塞澆注。

4）澆注溫度控制

機(jī)架型腔復(fù)雜，內(nèi)腔冷鐵又多，鐵水充型降溫快，夾雜物更加容易停留在鑄件內(nèi)部，形成夾雜物缺陷，所以機(jī)架采用高溫澆注，座包拔塞時(shí)鐵水測溫要求為：(1 350±15) ℃。

4.2 解決縮松、縮孔缺陷

1）冒口設(shè)計(jì)補(bǔ)縮

底板位置設(shè)置頂冒口：底板位置壁厚200 mm，冒口徑取φ160 mm、高度80 mm，冒口體取φ260 mm、高度450 mm，頂冒口每檔2只，共14只。頂冒口合計(jì)質(zhì)量2 600 kg，占鑄件質(zhì)量10.8%。軸承檔設(shè)置暗冒口：軸承檔位置壁厚150 mm，冒口徑取φ90 mm、高度60 mm，冒口體取φ180 mm、高度220 mm。每檔2只，共14只。冒口布置見圖1。

2）熱節(jié)處設(shè)置冷鐵

針對缸蓋螺孔、主軸承螺孔等位置孤立熱節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷[3]。工藝上采用冷鐵激冷，加快熱節(jié)點(diǎn)鐵水凝固，保證材質(zhì)致密性。冷鐵厚度為鑄件熱節(jié)厚度的0.6～0.8，整個(gè)鑄件熱節(jié)表面都覆蓋冷鐵。各位置冷鐵布置見圖2。

圖2 冷鐵布置圖

3）鑄型緊固設(shè)計(jì)

4.3 解決材質(zhì)理化性能問題

1）爐料選擇及爐料配比

機(jī)架鑄造采用高純生鐵為主，S、P和Ti等雜質(zhì)元素含量低，鐵水成核能力強(qiáng)，球化孕育效果好，鑄件理化性能才能保證[3]。爐料配比：高純生鐵65%+廢鋼35%+增碳劑。

2）鐵水成分控制

鐵水成分采用較高的C、Si含量，保證鐵水石墨化能力；控制Mn含量，防止鐵水珠光體化能力過大；同時(shí)，嚴(yán)格控制S、P元素，防止影響球化孕育效果。原鐵水成分控制：C為3.6%～3.8%；Si為1.4%～1.6%；Mn為0.2%～0.3%；P≤0.05%；S為0.009%～0.015%。

3）球化劑選擇及球化方式

為保證球化效果，采用球化能力強(qiáng)的MgRe球化劑，球化劑用量：1.2%；球化劑預(yù)埋在澆包包底一側(cè)，其上面覆蓋球鐵蓋板。高溫鐵水快速倒入澆包沒有球化劑的一側(cè)進(jìn)行球化處理，鐵水覆蓋包底后逐步開始球化反應(yīng)。

4）孕育劑選擇及孕育方式

為提高孕育效果，采用出鐵球化隨流孕育和座包隨流孕育[1]；出鐵球化孕育，采用低稀土孕育劑，用量0.55%；座包隨流孕育，采用硫氧孕育劑，用量0.15%。

5 工藝仿真模擬優(yōu)化

采用鑄造仿真軟件模擬驗(yàn)證，根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化機(jī)架工藝參數(shù)。

5.1 充型的平穩(wěn)性模擬

機(jī)架采用底注半封閉式的澆道系統(tǒng)，同時(shí)內(nèi)澆道設(shè)置過濾網(wǎng)。鑄造仿真軟件顯示，鐵水充型平穩(wěn)，見圖3。

圖3 鐵水充型模擬仿真圖

5.2 鑄件縮松傾向模擬

機(jī)架熱節(jié)主要集中在缸蓋螺孔、主軸承孔和鑄造頂部甲板等部位設(shè)置冷鐵、冒口等工藝措施，鑄造仿真軟件顯示，上述位置沒有縮松傾向，見圖4。

圖4 鑄件仿真顯示圖

6 鑄造生產(chǎn)驗(yàn)證

5.3 材質(zhì)性能模擬

根據(jù)模擬分析，機(jī)械強(qiáng)度、延伸、硬度和金相等指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求，且分布均勻。如機(jī)架材質(zhì)要求延伸率≥14%，模擬分析延伸率約19%～20%，符合要求，見圖5。

圖5 鑄件性能模擬圖

大功率核電應(yīng)急柴油機(jī)機(jī)架目前完成生產(chǎn)驗(yàn)證3件，機(jī)架毛坯、加工后各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)范要求。

6.1 材質(zhì)理化性能及金相組織驗(yàn)證

3臺機(jī)架的附鑄試塊，各項(xiàng)理化性能及金相組織檢驗(yàn)指標(biāo)都符合技術(shù)規(guī)范要求，機(jī)架材質(zhì)性能良好、穩(wěn)定。

機(jī)架力學(xué)性能檢測結(jié)果全部合格，見表1。機(jī)架化學(xué)成分、金相組織檢測結(jié)果全部合格，見表2。

表1 機(jī)械性能

表2 化學(xué)成分及金相組織

表2 化學(xué)成分及金相組織（續(xù)）

6.2 外觀及內(nèi)在質(zhì)量驗(yàn)證

機(jī)架毛坯及加工后檢查，缸套孔、軸承檔等關(guān)鍵位置要求超聲波檢查和射線檢查合格。加工后缸蓋螺孔等位置也未發(fā)現(xiàn)疏松、縮松、縮孔、夾砂和氣孔等缺陷。加工后機(jī)架見圖6。

圖6 機(jī)架成品圖片

7 結(jié)論

通過大型復(fù)雜機(jī)架生產(chǎn)驗(yàn)證，形成以下幾點(diǎn)工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：

1）為減少大型復(fù)雜機(jī)架的夾雜類缺陷，必須充分發(fā)揮澆道系統(tǒng)的擋渣能力，采用底注澆注系統(tǒng)，設(shè)置過濾器等，同時(shí)澆注溫度要高。

2）為防止復(fù)雜大型機(jī)架的產(chǎn)生縮松等缺陷，必須加強(qiáng)冒口和冷鐵設(shè)置，兩者互相配合，保證厚大關(guān)鍵位置凝固補(bǔ)縮條件。

3）為保證大型機(jī)架的材質(zhì)性能，必須采用高純生鐵等優(yōu)質(zhì)爐料，提高原鐵水質(zhì)量，同時(shí)采用高效的球化孕育劑和球化孕育方式，防止球化不良，孕育衰退等問題。