水轮机泵轮上冠及下环铸造工艺研究

【摘要】本文重点介绍通过选择有效的工艺方案和合理的工艺参数，成功生产出尺寸精度高、内部质量好的不锈钢上冠、下环产品。

一、概述

某水轮机泵轮是我公司与日本荏原公司合作生产的重点项目，内部及表面质量要求较高，泵体组装后在日本要经过挂装涂料后1050℃高温烧结。其中上冠、下环是采用日本技术设计，下环截面厚度较薄，最薄的下环板过流面处只有12mm，是我公司有史以来生产的最薄的不锈钢铸件，已接近不锈钢铸件最小壁厚的临界值，上冠的过流面和下环的内外环型线均由数控机床加工，尺寸精度高。如果按以往的传统工艺，铸件加工余量较大，必将增加数控机床的加工工时，无形中提高产品的成本，且毛坯尺寸精度低，尺寸重复性较差，因此在后序划线及数控机床加工时每件都需要重复定位及调整进刀量，为后序加工带来许多困难，不适于批量生产，无法满足其批量大、工期短的要求。

二、工艺措施研究

1.型砂工艺

在综合考虑表面质量、尺寸精度、生产成本及工期等因素后，决定面砂采用呋喃树脂铬矿砂，背砂采用石灰石砂或水玻璃石英砂，而上冠的芯砂则采用锆英砂。

采用树脂砂生产的铸件具有毛坯尺寸精度高，铸件表面粗糙度低，铸造缺陷少，以及砂型易存放等优点。同时，由于锆英砂的耐火度很高(2000℃以上)，用其做芯砂可避免粘砂缺陷的产生，方便清砂，保证铸造生产周期。

树脂铬矿砂主要应用于小型碳钢件，若应用在中大型不锈钢铸件生产操作中还存在以下困难：

(1)呋喃树脂铬矿砂属于酸性砂，而水玻璃石灰石砂属于碱性砂，因此，这两类型砂在完全硬化后会出现脱壳即不融合现象。

(2)呋喃树脂铬矿砂的硬化时间较短，只有30min。

(3)湿强度很差，在实际生产操作中很难保证砂型面砂层的厚度和紧实度。

(4)呋喃树脂的刺激性气味较大。

因此，工人在造型生产中，很难在较短的硬化时间既保证面砂层的厚度，又将面砂捣实，所以必须在工艺上加以改进。

在下环的生产中我们考虑多方面因素，提出解决方案：制作一框式对芯盒，与铸件木模实样一起形成一个面砂层空腔，并在对芯盒内开一个凹槽和6个窗口，这样既能保证而砂层的厚度，又能避免面背砂的脱壳现象，工人在操作中也能在较短的硬化时间内将面砂捣实。待面砂完全硬化后，撇掉列芯盒，摆放浇口，并填充背砂。

2.浇冒口工艺

由于上冠、下环的过流面需数控加工，对铸件尺寸精度要求特别高，因此在确定浇注位置时，必须在保证过流面型线不被破坏的前提下进行。因此我们确定了浇冒口的位置。

(1)上冠铸件设置1#冒口一个(见图1)，采用圆形保温冒口，放置在中间对中心热节区进行补缩。另外，由于中间冒口与其所补缩的热节距离较远，不利于冒口的补缩，必须设置冒口增肉，使冒口对热节的补缩通道畅通，以此来保证铸件的内部质量；设置2#冒口4个，采用普通椭圆暗冒口，放置在法兰上面对法兰处热节进行补缩，每个暗冒口上面留一个出气孔。

浇注系统采用底注式，这样可使钢液平稳地充填铸型，有利于排气和钢液中夹渣及杂质的上浮。

(2)下环冒口放在下环的小端面(见图2)，这样可以避免过流面型线不被破坏。采用普通环形明冒口，以满足冒口的垂直补缩距离和水平延续度，避免铸件内部出现缺陷；采用阶梯式浇注系统，下层主浇口开设在铸件底部，采取底返式浇注，钢液平稳上升至冒口顶部，这样可以使钢液中的杂质或气体更易于上升至冒口或排出铸件外部，确保铸件内部及表面的质量。上层补浇浇口开设在冒口处，人为地在铸件内部形成温度梯度，以提高冒口的补缩效率和铸件顺序凝固的趋势。

3.造型工艺

采用木模实样及对芯盒的造型方法，这样可以大大提高砂型的紧实度，增加砂型的强度，保证铸件的尺寸精度，避免了采用刮板造型砂型紧实度低而造成的涨箱和采用组芯造型而造成的组芯偏差导致的铸件尺寸偏差大的问题。由于树脂砂发气量较大，在浇注时会产生大量气体，因此在面砂层和背砂之问放置排气管道，强制排气。芯砂排气管道引至砂芯中间，中间放置焦炭和干砂块，保证其透气性和退让性。

砂型硬化后在表面刷两遍醇基锆英粉涂料，扣箱时要保证尺寸精度，单面偏差不许超过1mm，箱底水平，防止铸件变形。

三、实施效果及工艺改进

在试制过程中上冠2＃冒口根部存在缩松缺陷，我们分析后认为，造成这一结果的主要原因是暗冒口在对铸件进行补缩时，由于没有大气压力的作用，仅靠钢液自重来补缩，大大减小了冒口的补缩能力。因此，我们决定在暗冒口的顶部加一个通气芯，这样可以保证冒口在补缩铸件过程中，上部的缩孔空间与空气连通，除靠自重压力外，还增加了大气压力，从而提高了冒口的补缩效率。工艺改进后，在我们生产的所有大泵上冠铸件中，2＃冒口根部无缩孔、缩松缺陷。

从实施效果来看，此工艺易于操作，劳动强度小，砂型表面质量及精度与以往相比有很大程度的提高。铸件全部UT-2级探伤合格。铸件转到加工工序后，我们与数控机床的工艺人员合作，对铸件进行检测，其工艺加工量与实际加工量基本相符，尺寸重复性好，铸件定位和划线具有一定的规律，减少了以往重复定位和划线带来的工时浪费，满足了批量生产的需要。同时由于加工量小、表而粗糙度低，符合数控机床进刀量小及对铸件表面质量要求较高的特点，因此节约了加工工时，降低了产品的生产成本。