船用汽輪機后汽缸下半鑄件的 鑄造工藝設計

戴月良

（上海電氣 上重鑄鍛有限公司，上海 200245）

摘  要：船用汽輪機后汽缸下半鑄件結構復雜，質量要求高，有較高的生產難度。采用ProCAST 鑄造模擬軟件計算鑄件模數，根據模數計算設置冒口；模擬澆注過程，確保充型過程快速平穩；對鑄件凝固過程模擬優化，實現順序凝固，保證了鑄件致密度。

關鍵詞：汽輪機汽缸；工藝優化；鑄造模擬

現代艦船信息化程度越來越高，需裝備大量的信 息設備和電子設備，不斷加大了對電力的需求，需要為艦船配備更大功率的發電機組以應對激增的電力需求。汽輪機作為艦船要的動力源，具有功率密度大、可靠性高的特點，是船舶大容量供電系統的核心裝備。船用汽輪機汽缸結構復雜、緊湊，質量要求高，具有很高的生產難度。筆者對后汽缸下半鑄件進行詳細的工藝性分析，采用ProCAST 鑄造模擬軟件輔助設計和優化鑄造工藝，最終成功地生產出滿足技術要求的后汽缸下半鑄件。

1 后汽缸下半結構與技術要求

后汽缸下半鑄件結構如圖1 所示。汽缸主要由排汽 蝸殼、水平中分面法蘭、排汽口法蘭、軸承座和支撐座構成。鑄件凈重2 060 kg，毛重2 680 kg，材質為ZG20CrMo。鑄件輪廓尺寸為2 160 mm×1 527 mm×790 mm，最大壁厚為123 mm，最小壁厚為 20 mm， 汽缸排汽蝸殼主壁厚為30 mm。汽缸尺寸公差為-3~+2 mm，法蘭厚度公差為0~+2 mm。汽缸無損探傷（NDT）要求：100% 超聲波探傷（UT），焊縫坡口區域、水平和垂直法蘭加工面1 級，其余加工面和鑄造面2 級。100% 磁粉探傷（MT），加工面1 級，其余2 級。

2 鑄造工藝方案設計

2.1 鑄件結構與鑄造工藝性分析

后汽缸下半鑄件主體由30 mm 厚的排汽蝸殼構成，是具有復雜線型的不規則薄壁殼體。澆注過程中鋼液流動距離長、溫降大，易產生澆不足、冷隔等缺陷。鑄件冷卻過程收縮不均，易變形，易產生尺寸偏差等鑄造缺陷。鑄件水平中分面、排汽口法蘭是UT1級要求區，其中的水平中分面法蘭較容易放置冒口，質量容易得到保證。排汽口法蘭位于鑄件底部，與排汽蝸殼不規則相接，外部還有厚凸臺，內部有十字加強筋板。因排汽口法蘭不易放置冒口補縮，是鑄件的一大補縮難點。軸承座內部有狹小的腔室，與汽缸相連處造成熱節，補縮困難，易產生收縮、裂紋等鑄造缺陷。汽缸兩側的支撐座底板厚70 mm，由3 塊加強筋與汽缸體相連，難以放置冒口補縮，也是補縮難點之一。

人工難以判斷復雜鑄件的凝固先后順序，需借助鑄造模擬軟件計算鑄件冷卻過程。圖2 是鑄件自然凝固（僅模擬鑄件本體，未設置冒口、補貼、冷鐵、澆注系統等鑄造工藝）過程模擬，可以確定鑄件凝固的先后順序和最后凝固部位，為放置冒口、補貼和冷鐵提供了依據。

2.2 分型方案確定

通常的鑄鋼汽缸為方便補縮水平中分面法蘭，是以水平中分面為分型面，整個鑄件位于下箱。從鑄件自然凝固過程模擬可以看出，鑄件最后凝固的部位大部分位于水平中分面法蘭附近，水平中分面朝上可以方便地設置冒口，補縮鑄件這部分區域。同時，由于整個鑄件都位于下箱，造型操作、配箱尺寸控制都比較方便。因此該汽缸采用水平中分面法蘭朝上是合理的分型方案。

2.3 澆注系統的設置

汽缸類鑄件在工作中承受很大的壓力，對鑄件的致密度要求高。為能平穩充型，減少澆注過程帶來的夾雜，應盡可能采用底注澆注系統，同時控制內澆道出口的流速小于0.5 m/s^[1]。后汽缸下半鑄件的排汽口法蘭位于鑄件底部，需放置邊冒口補縮。為了避免內澆道與鑄件交界處的熱節產生縮松缺陷，通常把內澆道設置在邊冒口底部，這樣設置既避免了內澆道產生的縮松，又可以提高邊冒口的溫度，更有利于冒口補縮。鋼液上升速度是否合適是獲得優質鑄鋼件的重要因素之一^[2]。根據后汽缸蝸殼主壁厚30 mm 查工藝手冊可知，合理的液面上升速度為不小于30~36 mm/s^[2]。鑄件澆注過程模擬如圖3 所示，可以看出，整個澆注過程液面平穩，沒有冷隔、澆不足等缺陷。澆注過程耗時28 s，鑄件液面平均上升速度42.5 mm/s。

2.4 補縮系統的設計

由于整個汽缸鑄件有高探傷要求，鑄件整體必須有充分的補縮，保證內部的致密度，特別是水平中分面法蘭和排汽口法蘭要求UT1 級部位的致密度。鑄件有較多的交叉點，這些交叉點形成了局部熱節，受限于鑄件結構，這些熱節是無法用冒口補縮的。因汽缸蝸殼壁較薄，這些熱節可以用圓鋼作為冷鐵進行激冷，達到消除交叉點局部熱節的作用。由于模數法計算的冒口比較精確，通常鑄鋼件采用模數法計算冒口尺寸。但對具有復雜結構的鑄件，人工計算存在較大的困難，通常難以準確計算。采用鑄造模擬軟件可以方便快速地計算出鑄件的模數分布云圖，在模數云圖上可獲知任意部位的模數，可以極大方便地計算出冒口尺寸。后汽缸下半鑄件的模數分布如圖4 所示。根據模擬計算得到的鑄件模數可初步確定冒口的規格和放置部位。后續通過鑄造模擬軟件進行多次模擬優化，最終確定的冒口、補貼和冷鐵方案，可確保整個鑄件補縮工藝實現順序凝固，使鑄件滿足探傷要求。

優化后的冒口、冷鐵和補貼布置如圖5 所示。圖6是最終確定的補縮工藝的凝固過程模擬。從凝固過程模擬可以看出，鑄件整體實現了順序凝固，最后凝固的部位都集中在冒口內，鑄件內不存在孤立液相區。

2.5 后汽缸下半鑄件的尺寸控制

鑄鋼線收縮率較大，對于后汽缸下半鑄件這類結構復雜、壁厚差異大的鑄鋼件，厚薄不同部分的冷卻速度不同，導致收縮量不同，使得鑄件各個方向收縮率不一樣^[1]。該汽缸對尺寸有很高的要求，尺寸公差-3~+2 mm，法蘭厚度公差0~+2 mm。因此工藝上必須選取合適的縮尺和采取適當的防變形措施。根據類似薄壁汽缸鑄件的生產經驗，鑄件整體采用1.5% 的縮尺，在汽缸較厚的法蘭，凸臺等部位額外加厚5~7 mm，防止因局部收縮過大缺尺寸。為防止汽缸水平中分面開口部位尺寸變形，在水平中分面開口處增加了三條加強筋。

3 汽缸工藝生產驗證

按上述工藝生產了數件后汽缸下半鑄件，鑄件表面光潔，輪廓清晰（圖7）。經劃線加工、打磨和探傷等工序后確認，鑄件尺寸變形符合預期，僅有局部尺寸略微超差，經修補后符合圖紙要求。鑄件UT 未發現超標缺陷，鑄件經精整后完全符合圖紙要求。

4 結論

（1）在后汽缸下半鑄件鑄造工藝設計過程中，采用ProCAST 鑄造模擬軟件計算鑄件模數，計算結果準確并簡化了冒口計算過程。

（2）對充型過程進行流場模擬，做到了平穩充型。

（3）對凝固過程進行了詳細的模擬優化，做到了鑄件整體順序凝固，消除了縮松縮孔缺陷。

（4）采取合理的尺寸控制措施，保證了鑄件尺寸符合要求。

參考文獻

[1]　( 英) 約翰·坎貝爾. 鑄造原理: 第二版[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

[2]　鑄造手冊: 第5 卷[M] ∥中國機械工程學會鑄造分會, 鑄造工藝. 北京:機械工業出版社, 2003.

文章來源：中鑄協鑄鋼委