孫健平

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 75002l）

大型水輪機(jī)葉片鑄造澆注過程脹箱機(jī)理及防脹箱措施的研究

孫健平

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 75002l）

本文介紹了大型水輪機(jī)葉片在鑄造生產(chǎn)過程中澆注脹箱的原理以及防脹箱措施的研究，總結(jié)出了一套大型水輪機(jī)葉片生產(chǎn)過程中防脹箱的有效方法，避免在生產(chǎn)過程中由于脹箱引發(fā)的跑火事故，預(yù)防因脹箱引發(fā)的鑄件變形和尺寸問題，從而提高了鑄件的質(zhì)量和成品率。

大型水輪機(jī)葉片；脹箱；壓箱

防止鑄型脹箱是大型水輪機(jī)葉片在澆注前重點(diǎn)控制工作之一。脹箱易導(dǎo)致鑄件多肉、變形等缺陷，嚴(yán)重脹箱會導(dǎo)致澆注過程澆不滿及下渣，有的甚至?xí)斐膳芑?，引發(fā)重大的質(zhì)量事故。本文以一種新型的組芯方式，制造大型水輪機(jī)葉片，將葉片的造型方案按照砂芯制作，最后兩兩組合在一起，形成外觀、尺寸合格的鑄型，以待澆注。其生產(chǎn)過程中最大的質(zhì)量隱患是在澆注過程中由于鋼液對鑄型表面的張力引發(fā)的質(zhì)量問題，有效控制葉片在澆注過程的張力成為葉片生產(chǎn)過程中的重點(diǎn)工作，此種張力稱之為脹箱力。

l 脹箱機(jī)理

脹箱在鑄造中是指金屬液在充型過程中受到重力影響，壓迫鑄型（芯）產(chǎn)生的作用力。由于大型鑄鋼件多采用砂型鑄造方式，所用型砂與鋼液的密度比約為l：4。當(dāng)鋼液在充型的過程中越是靠下部的型芯空腔受到的壓力就會越大，會向型腔四周施加作用力，從而產(chǎn)生脹箱力。發(fā)生脹箱后，鑄件在分型面處抬箱，形成較大的飛邊，使得鑄件的壁厚增加，隨著澆注壓頭的提升其脹箱力也會隨之增加，嚴(yán)重的則使金屬液從分型面跑出，造成跑火。

1.1 引起脹箱的因素

引起脹箱的因素較多，如：鑄件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)（壁厚）、澆注溫度、澆注重量、型砂緊實(shí)度、充型速度以及澆注過程發(fā)生嗆火等，因此需要具體情況具體分析。

l）澆注時(shí)鋼液重量受自然重力影響使得型腔內(nèi)壓力驟然增加，螺桿及箱卡掙脫，造成跑火。

2）水輪機(jī)葉片立式澆注，澆注壓頭高度取決于鑄件自身，壓頭越高，所形成的壓力也隨之增加，砂芯底部及其上三分之一的部位所受的脹箱力最大，也最容易因脹箱而發(fā)生跑火。

3）在鑄型澆注過程由于型腔氣體造成的嗆火，也會增加鑄型所受的脹箱力。

4）立體式組芯過程中，配套的螺桿數(shù)量及螺桿的規(guī)格設(shè)計(jì)存在缺陷。

5）組芯完成后下芯流砂過程中，型砂強(qiáng)度及型砂可使用時(shí)間不合，造成型砂強(qiáng)度降低，無法控制鋼液所產(chǎn)生的橫向的擠壓力，造成嚴(yán)重的跑火質(zhì)量事故。

1.2 脹箱過程分析

脹箱是在金屬液充型過程中受自然重力作用，向型腔四周施加的作用力，隨著金屬液的增加，型腔內(nèi)受力隨之增加，當(dāng)作用力增加到接近工藝設(shè)計(jì)值時(shí)（產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)值滿足澆注脹箱作用力要求），澆注完成。當(dāng)脹箱的作用力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，在澆注過程中出現(xiàn)多澆的現(xiàn)象，導(dǎo)致打箱后出現(xiàn)披縫。當(dāng)脹箱的作用力大于設(shè)計(jì)值時(shí)，在澆注后期砂箱外會產(chǎn)生大量燃燒的氣體，嚴(yán)重時(shí)會造成鋼液直接從型腔最薄弱的部位跑出，造成重大的質(zhì)量事故和成本損失。

2 防脹箱措施

2.1 造型準(zhǔn)備過程防脹箱措施

目前，大型水輪機(jī)葉片采用的是立體式組芯方式進(jìn)行造型，如某水輪機(jī)葉片，如圖l所示，鑄件及砂箱高度為7.5 m，澆注重量超過40 t，葉片最大壁厚400 mm，最小壁厚l00 mm，造型過程中尺寸控制及防脹箱、防跑火是最重要的控制環(huán)節(jié)。

圖l 葉片示意圖

l）增加芯骨的強(qiáng)度，改進(jìn)原有的方鋼芯骨，使用可回收利用的鋼板工裝芯骨；

2）砂芯設(shè)計(jì)過程增加使用把合螺桿部位的數(shù)量，增加組芯后的砂芯整體強(qiáng)度。一般使用的都是M60的螺桿對砂芯進(jìn)行把合，每排3根，共兩排；

3）造型過程在下箱砂坪上增加防跑火槽，下芯后流砂過程使用樹脂砂進(jìn)行填實(shí)壓緊，形成一個(gè)整體；

4）在芯盒內(nèi)設(shè)置防跑火槽，如圖2所示。組芯后形成空腔，在上箱造型過程中使用樹脂砂填充并緊實(shí)到位。

圖2 下箱設(shè)置防跑火槽

2.2 組芯過程控制

組芯作為水輪機(jī)葉片生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，控制項(xiàng)包括型線的尺寸、砂芯間披縫以及組芯過程的螺桿把合強(qiáng)度。

l）芯盒和芯骨制作需要按照工藝設(shè)計(jì)要求確保強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，把合方鋼定位對稱布置各3個(gè)，使用M60的螺桿進(jìn)行把合；

2）組芯后將穿螺桿的方鋼用樹脂砂填充，防止螺桿在方鋼空隙內(nèi)活動致使螺桿松動、卡不緊；

3）組芯過程控制兩個(gè)砂芯的披縫，披縫＜3 mm，組芯的墊片及螺母成面接觸。

2.3 下芯過程及上箱造型過程防脹箱措施

水輪機(jī)葉片砂芯在吊運(yùn)過程中使用可調(diào)平吊索具進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到水平后起吊，按照工藝要求的尺寸放在準(zhǔn)備好的砂坪上，按照定位及尺寸要求控制好型線。在此過程中要注意以下幾點(diǎn)要求：

l）下箱砂坪水平度測量，組芯后起吊，在砂坪上刮50 mm厚樹脂砂，將砂芯按照尺寸要求放置在未硬化的砂坪上，增加下箱強(qiáng)度，使得后期流砂后型砂形成整體，預(yù)防跑火發(fā)生；

2）下芯后，再次緊固螺桿，確保在砂箱內(nèi)的砂芯螺桿強(qiáng)度達(dá)到其最高要求，防止因螺桿松動導(dǎo)致脹箱跑火；

3）砂芯下到位后放置砂箱，在砂芯背面使用方鋼進(jìn)行支頂，一側(cè)最少3個(gè)點(diǎn)，一層砂芯至少支頂兩層，合格后進(jìn)行流砂作業(yè)，如圖3所示；

圖3 芯子支頂

4）上箱造型過程中使用樹脂砂將防跑火槽進(jìn)行填充并緊實(shí)到位；

5）造型過程如果存在30 min內(nèi)不流砂的情況，需要在砂芯周圍制作分型面，分型面成梯形外高內(nèi)底，注意分型面要壓實(shí)抹平，確保強(qiáng)度，再次流砂時(shí)，分型面使用面砂流制，確保分型面的強(qiáng)度；

6）對于吃砂量較小部位需要使用緊實(shí)棒進(jìn)行緊實(shí)，增加型砂整體的強(qiáng)度，防止脹箱；

7）上箱造型完成后在砂箱周圍流制l 000 mm高的砂墻，如圖4所示。增加下箱整體強(qiáng)度，防止?jié)沧⑦^程砂箱底層因脹箱發(fā)生跑火事故。

圖4 下箱砂墻

造型過程中注意型腔出氣的控制，正確的排氣將減少嗆火，提高鑄件表面質(zhì)量。由于是多層砂芯疊加組合，必須要在澆注前進(jìn)行壓箱作業(yè)；在后期的烘箱以及壓箱過程中一定要按照要求執(zhí)行，完全控制好葉片的整體質(zhì)量。

3 結(jié)論

在水輪機(jī)葉片生產(chǎn)過程中最大的質(zhì)量隱患就是脹箱，所有的工裝、材料及后期的上箱造型過程必須圍繞著防止脹箱、跑火來準(zhǔn)備和操作，這樣才能更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，避免不必要的成本損失，且穩(wěn)定和保證生產(chǎn)進(jìn)度，提高生產(chǎn)效率。

［l］張俊勇，陳洪濤.關(guān)于鑄造合箱跑火原因分析及控制方法［J］.寧夏機(jī)械，20l0：32（4）：40-43.

［2］張維業(yè).砂型鑄造的嗆火與爆炸［J］.工業(yè)安全與防塵，l995（l0）:l3-l4.

TG242

A

l674-6694（20l7）05-005l-02

20l7-04-25

孫健平（l984-），男，山東萊州人，助理工程師，主要從事鑄件造型過程質(zhì)量控制工作。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l3