核電發(fā)電機(jī)組某型柴油機(jī)機(jī)身鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳振江，陳曉龍，李 驥，趙悅光，彭 倩，田逢甲

（陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105）

機(jī)身是組成柴油機(jī)的關(guān)重件，直接決定柴油機(jī)的使用壽命。機(jī)身外形尺寸大，形狀復(fù)雜，質(zhì)量要求高，關(guān)鍵部位不允許出現(xiàn)影響裝配及機(jī)身使用性能的缺陷，且每臺(tái)機(jī)身加工后必須進(jìn)行超聲波探傷，密封性試驗(yàn)等，因此，通過(guò)優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，解決機(jī)身鑄造缺陷勢(shì)在必行。

1 機(jī)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該型柴油機(jī)機(jī)身共有12個(gè)缸，分A、B兩列，成V形排列，夾角為45°，缸孔距為740mm，A、B列缸孔中心錯(cuò)缸距125mm；缸孔外側(cè)為凸輪軸腔，最小壁厚25mm；底腳板寬度：290mm，厚度為200mm；鑄件輪廓尺寸為5517mm×2496mm×1845mm，壁厚相差懸殊，內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液重約40000kg，毛坯重量約35000kg。機(jī)身簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2 主要技術(shù)要求

2.1 材質(zhì)

QT400-15A（GB/T1348-2009）或 EN-GJS-400-15U(EN1563-2011)。

圖1 機(jī)體簡(jiǎn)圖

2.2 一般尺寸公差

ISO8062 CT11級(jí)，壁厚公差：CT12級(jí)。

2.3 機(jī)械性能

抗拉強(qiáng)度Rm≥390MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥250MPa，延伸率A≥14%，布氏硬度130～185HBW。

2.4 基體組織結(jié)構(gòu)

鐵素體≥90%，石墨形態(tài)：Ⅴ+Ⅵ≥90%，尺寸：4～6 級(jí)。

2.5 化學(xué)成分（%）

P≤0.1；S≤0.02；Ti≤0.02。

2.6 無(wú)損檢測(cè)

在以下區(qū)域進(jìn)行超聲波檢查：

（1）缸蓋螺栓孔區(qū)域；

（2）主軸承螺栓孔區(qū)域；

（3）缸蓋螺栓孔連接區(qū)域和主軸承螺栓連接區(qū)域；

（4）底腳板。

2.7 射線檢查

在第2.6中規(guī)定的一些特殊區(qū)域致密度問(wèn)題得到很好控制之前，射線檢查是必須的。在鑄造商已連續(xù)成功生產(chǎn)2臺(tái)關(guān)鍵部位無(wú)缺陷的機(jī)架；具有豐富的大型柴油機(jī)機(jī)架生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的條件下，射線檢查頻次可以減少（每年應(yīng)保證一次）。

3 機(jī)身存在的鑄造缺陷

該型柴油機(jī)機(jī)身已投產(chǎn)數(shù)件，鑄件毛坯面表面質(zhì)量一般，機(jī)加工后缸孔下沿、凸輪軸窗口下沿及曲軸觀察窗口下沿等部位出現(xiàn)不同程度的夾雜缺陷，兩端面圓孔周邊出現(xiàn)點(diǎn)狀縮松，底腳板背面易出現(xiàn)冷隔缺陷。機(jī)身生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)多種鑄造缺陷，影響鑄件質(zhì)量，嚴(yán)重制約機(jī)身生產(chǎn)進(jìn)度。

4 鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)該型柴油機(jī)機(jī)身鑄造生產(chǎn)過(guò)程及鑄造工藝，進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，剖析機(jī)身出現(xiàn)的多種鑄造缺陷，確定導(dǎo)致機(jī)身鑄造缺陷原因?yàn)闄C(jī)身澆注過(guò)程鐵水充型不平穩(wěn)，產(chǎn)生紊流形成氧化夾雜和局部冷隔缺陷，機(jī)身局部冷鐵設(shè)置不到位造成縮松缺陷。該型機(jī)身鑄造工藝主要從澆注系統(tǒng)和冷鐵布局兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 原工藝澆注系統(tǒng)

原有鑄造工藝內(nèi)澆口從凸輪軸兩側(cè)及底腳板兩側(cè)面引入鐵水為半封閉階梯式澆注系統(tǒng)，如圖2所示，半封閉階梯式澆注系統(tǒng)澆注過(guò)程中鐵水充型不穩(wěn)定，產(chǎn)生紊流。根據(jù)有關(guān)資料及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，直澆道為阻流截面[1]，橫澆道截面積最大，這種設(shè)計(jì)滿足了大容量輸送鐵水的同時(shí)，即可保證鐵水充型平穩(wěn)，又能保證熔渣在橫澆道內(nèi)充分上浮，避免進(jìn)入型腔。其各單元截面積比例按

（1）直澆道截面積按公式：

式中G——液重，取40000 kg；

μ——流速系數(shù)，取0.46；

t——澆注時(shí)間；

Hp——平均靜壓頭。

澆注時(shí)間：

式中S1——系數(shù)，取1.2；

δ——鑄件主要部分壁厚，取40mm。

金屬液面上升速度復(fù)核：

式中C——鑄件高度；

t——澆注時(shí)間。

符合鐵水最小上升速度的要求，V上升為10～20mm/s。

直澆道數(shù)量為4個(gè)，則單個(gè)截面積：F直=

實(shí)際選用4個(gè)?70直澆道，單個(gè)截面積為38.47cm2，由于直澆道高度較高，中間段設(shè)計(jì)有“S”型緩沖結(jié)構(gòu)，防止因鐵水落差太大而導(dǎo)致在直澆道底部產(chǎn)生沖砂或飛濺現(xiàn)象。

（2）內(nèi)澆道截面積

根據(jù)澆注系統(tǒng)各部分比例關(guān)系得：

實(shí)際采用44個(gè)?40的內(nèi)澆口，單個(gè)?40內(nèi)澆口的截面積是12.56cm2?！艶內(nèi)=44×12.56=553（cm2）。

內(nèi)澆口出口平均流速校核：

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鐵水內(nèi)澆口出口流速應(yīng)控制在≤100cm/s。

為了進(jìn)一步增加澆注系統(tǒng)撇渣能力，內(nèi)澆口在橫澆道高度方向的中間位置搭接，優(yōu)點(diǎn)是既可防止?jié)沧㈤_(kāi)始時(shí)的流頭臟鐵水進(jìn)入型腔，又能防止后續(xù)鐵水中的熔渣進(jìn)入型腔，如圖3所示。

圖3 搭接式澆道示意圖

（3）橫澆道截面積

根據(jù)澆注系統(tǒng)各部分比例關(guān)系得：∑F橫=154×2.5=385（cm2）。

4.2 冷鐵設(shè)計(jì)

機(jī)身兩端面弧形邊沿和圓孔部位加工后存在縮松（位置見(jiàn)圖6），為消除兩端面縮松，在這些部位設(shè)計(jì)外冷鐵，材料為鑄鐵，冷鐵厚度按照熱節(jié)厚度的0.5～0.8倍設(shè)計(jì)，冷鐵擺放位置示意圖見(jiàn)圖7。

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

機(jī)身工藝優(yōu)化改進(jìn)后相繼投產(chǎn)數(shù)十臺(tái)，經(jīng)過(guò)加工探傷驗(yàn)證機(jī)身各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)文件。機(jī)身外觀質(zhì)量良好，精加工后機(jī)身缸孔邊沿、凸輪軸窗口、曲軸觀察窗口及機(jī)身兩端面均未出現(xiàn)缺陷，經(jīng)加工后探傷和射線驗(yàn)證機(jī)身質(zhì)量良好，不存在缺陷，如圖8所示。該型機(jī)身基于我司承擔(dān)的“華龍一號(hào)”項(xiàng)目的研制，為此項(xiàng)目提供高質(zhì)量機(jī)身，確保了該項(xiàng)目的順利實(shí)施。

6 結(jié)論

（1）機(jī)身按此工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)后，澆注過(guò)程平穩(wěn)無(wú)紊流，冷鐵布局合理，有效消除機(jī)身缺陷，機(jī)身各項(xiàng)性能均符合技術(shù)條件。

圖4 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后澆注系統(tǒng)各組元示意圖

圖6 縮松部位

圖7 增加冷鐵位置

圖8 機(jī)身加工后表面質(zhì)量

（2）該型機(jī)身設(shè)計(jì)此開(kāi)放式底注澆注系統(tǒng)，能充分運(yùn)用澆注系統(tǒng)的避雜能力，利用球墨鑄鐵凝固原理和自補(bǔ)縮能力，能夠有效提高柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)部質(zhì)量，工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的機(jī)身中未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，大大提高了鑄件表面質(zhì)量和成品率。

（3）該型柴油機(jī)機(jī)身的鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)鑄件的工藝設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。