船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计

我爱汽轮机仿真 2023年7月20日浏览：1138

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计

戴月良

（上海电气上重铸锻有限公司，上海 200245）

摘要：船用汽轮机后汽缸下半铸件结构复杂，质量要求高，有较高的生产难度。采用ProCAST 铸造模拟软件计算铸件模数，根据模数计算设置冒口；模拟浇注过程，确保充型过程快速平稳；对铸件凝固过程模拟优化，实现顺序凝固，保证了铸件致密度。

关键词：汽轮机汽缸；工艺优化；铸造模拟

现代舰船信息化程度越来越高，需装备大量的信息设备和电子设备，不断加大了对电力的需求，需要为舰船配备更大功率的发电机组以应对激增的电力需求。汽轮机作为舰船要的动力源，具有功率密度大、可靠性高的特点，是船舶大容量供电系统的核心装备。船用汽轮机汽缸结构复杂、紧凑，质量要求高，具有很高的生产难度。笔者对后汽缸下半铸件进行详细的工艺性分析，采用ProCAST 铸造模拟软件辅助设计和优化铸造工艺，最终成功地生产出满足技术要求的后汽缸下半铸件。

1 后汽缸下半结构与技术要求

后汽缸下半铸件结构如图1 所示。汽缸主要由排汽蜗壳、水平中分面法兰、排汽口法兰、轴承座和支撑座构成。铸件净重2 060 kg，毛重2 680 kg，材质为ZG20CrMo。铸件轮廓尺寸为2 160 mm×1 527 mm×790 mm，最大壁厚为123 mm，最小壁厚为 20 mm，汽缸排汽蜗壳主壁厚为30 mm。汽缸尺寸公差为-3~+2 mm，法兰厚度公差为0~+2 mm。汽缸无损探伤（NDT）要求：100% 超声波探伤（UT），焊缝坡口区域、水平和垂直法兰加工面1 级，其余加工面和铸造面2 级。100% 磁粉探伤（MT），加工面1 级，其余2 级。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图1

2 铸造工艺方案设计

2.1 铸件结构与铸造工艺性分析

后汽缸下半铸件主体由30 mm 厚的排汽蜗壳构成，是具有复杂线型的不规则薄壁壳体。浇注过程中钢液流动距离长、温降大，易产生浇不足、冷隔等缺陷。铸件冷却过程收缩不均，易变形，易产生尺寸偏差等铸造缺陷。铸件水平中分面、排汽口法兰是UT1级要求区，其中的水平中分面法兰较容易放置冒口，质量容易得到保证。排汽口法兰位于铸件底部，与排汽蜗壳不规则相接，外部还有厚凸台，内部有十字加强筋板。因排汽口法兰不易放置冒口补缩，是铸件的一大补缩难点。轴承座内部有狭小的腔室，与汽缸相连处造成热节，补缩困难，易产生收缩、裂纹等铸造缺陷。汽缸两侧的支撑座底板厚70 mm，由3 块加强筋与汽缸体相连，难以放置冒口补缩，也是补缩难点之一。

人工难以判断复杂铸件的凝固先后顺序，需借助铸造模拟软件计算铸件冷却过程。图2 是铸件自然凝固（仅模拟铸件本体，未设置冒口、补贴、冷铁、浇注系统等铸造工艺）过程模拟，可以确定铸件凝固的先后顺序和最后凝固部位，为放置冒口、补贴和冷铁提供了依据。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图2

2.2 分型方案确定

通常的铸钢汽缸为方便补缩水平中分面法兰，是以水平中分面为分型面，整个铸件位于下箱。从铸件自然凝固过程模拟可以看出，铸件最后凝固的部位大部分位于水平中分面法兰附近，水平中分面朝上可以方便地设置冒口，补缩铸件这部分区域。同时，由于整个铸件都位于下箱，造型操作、配箱尺寸控制都比较方便。因此该汽缸采用水平中分面法兰朝上是合理的分型方案。

2.3 浇注系统的设置

汽缸类铸件在工作中承受很大的压力，对铸件的致密度要求高。为能平稳充型，减少浇注过程带来的夹杂，应尽可能采用底注浇注系统，同时控制内浇道出口的流速小于0.5 m/s^[1]。后汽缸下半铸件的排汽口法兰位于铸件底部，需放置边冒口补缩。为了避免内浇道与铸件交界处的热节产生缩松缺陷，通常把内浇道设置在边冒口底部，这样设置既避免了内浇道产生的缩松，又可以提高边冒口的温度，更有利于冒口补缩。钢液上升速度是否合适是获得优质铸钢件的重要因素之一^[2]。根据后汽缸蜗壳主壁厚30 mm 查工艺手册可知，合理的液面上升速度为不小于30~36 mm/s^[2]。铸件浇注过程模拟如图3 所示，可以看出，整个浇注过程液面平稳，没有冷隔、浇不足等缺陷。浇注过程耗时28 s，铸件液面平均上升速度42.5 mm/s。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图3

2.4 补缩系统的设计

由于整个汽缸铸件有高探伤要求，铸件整体必须有充分的补缩，保证内部的致密度，特别是水平中分面法兰和排汽口法兰要求UT1 级部位的致密度。铸件有较多的交叉点，这些交叉点形成了局部热节，受限于铸件结构，这些热节是无法用冒口补缩的。因汽缸蜗壳壁较薄，这些热节可以用圆钢作为冷铁进行激冷，达到消除交叉点局部热节的作用。由于模数法计算的冒口比较精确，通常铸钢件采用模数法计算冒口尺寸。但对具有复杂结构的铸件，人工计算存在较大的困难，通常难以准确计算。采用铸造模拟软件可以方便快速地计算出铸件的模数分布云图，在模数云图上可获知任意部位的模数，可以极大方便地计算出冒口尺寸。后汽缸下半铸件的模数分布如图4 所示。根据模拟计算得到的铸件模数可初步确定冒口的规格和放置部位。后续通过铸造模拟软件进行多次模拟优化，最终确定的冒口、补贴和冷铁方案，可确保整个铸件补缩工艺实现顺序凝固，使铸件满足探伤要求。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图4

优化后的冒口、冷铁和补贴布置如图5 所示。图6是最终确定的补缩工艺的凝固过程模拟。从凝固过程模拟可以看出，铸件整体实现了顺序凝固，最后凝固的部位都集中在冒口内，铸件内不存在孤立液相区。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图5

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图6

2.5 后汽缸下半铸件的尺寸控制

铸钢线收缩率较大，对于后汽缸下半铸件这类结构复杂、壁厚差异大的铸钢件，厚薄不同部分的冷却速度不同，导致收缩量不同，使得铸件各个方向收缩率不一样^[1]。该汽缸对尺寸有很高的要求，尺寸公差-3~+2 mm，法兰厚度公差0~+2 mm。因此工艺上必须选取合适的缩尺和采取适当的防变形措施。根据类似薄壁汽缸铸件的生产经验，铸件整体采用1.5% 的缩尺，在汽缸较厚的法兰，凸台等部位额外加厚5~7 mm，防止因局部收缩过大缺尺寸。为防止汽缸水平中分面开口部位尺寸变形，在水平中分面开口处增加了三条加强筋。

3 汽缸工艺生产验证

按上述工艺生产了数件后汽缸下半铸件，铸件表面光洁，轮廓清晰（图7）。经划线加工、打磨和探伤等工序后确认，铸件尺寸变形符合预期，仅有局部尺寸略微超差，经修补后符合图纸要求。铸件UT 未发现超标缺陷，铸件经精整后完全符合图纸要求。

船用汽轮机后汽缸下半铸件的铸造工艺设计的图7