透平壓縮機用蝸殼的鑄造工藝設計

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

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。

1 蝸殼鑄件技術要求

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

2 產(chǎn)品工藝設計

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]。

2.1 澆注系統(tǒng)設計

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。

2.2 冒口設計

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

2.3 制芯工藝

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。

2.4 合箱操作

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

3 試驗結果

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

4 結束語

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。