蘇志東，羅永建，馬 進(jìn)

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

燃?xì)廨啓C(jī)是21世紀(jì)動(dòng)力設(shè)備的核心，作為發(fā)電設(shè)備主力機(jī)型、裝備制造業(yè)最高端最前沿的代表，不僅應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、艦船、兵器等軍工領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于油田、通信、電力、能源、“西氣東輸”管輸動(dòng)力等民用領(lǐng)域，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組如圖1所示，西門子用一臺(tái)“機(jī)器怪獸”打開世界各國的天然氣發(fā)電市場(chǎng)，出力相當(dāng)于22臺(tái)大型噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，或1 200輛保時(shí)捷911汽車的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是西門子綜合了原V94.3A系列燃?xì)廨啓C(jī)和原西屋W系列燃?xì)廨啓C(jī)的成熟技術(shù)而創(chuàng)新研發(fā)的一個(gè)系列產(chǎn)品，創(chuàng)造了單軸聯(lián)合循環(huán)I S O工況凈出力578 M W和凈效率60.75%的世界紀(jì)錄。繼西門子50HZ產(chǎn)品S G T5-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證性試驗(yàn)后，通過相似理論和模塊化設(shè)計(jì)思路，按照1：1.2模塊化系數(shù)開發(fā)了使用于60HZ市場(chǎng)的S G T6-8000H型燃?xì)廨啓C(jī)，使西門子H級(jí)燃機(jī)輪機(jī)涵蓋了50HZ和60HZ的產(chǎn)品。西門子H級(jí)系列導(dǎo)葉持環(huán)鑄件為西門子高效燃?xì)廨啓C(jī)配套鑄鋼件，為國內(nèi)首次研發(fā)生產(chǎn)。

圖1 西門子重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組示意圖

1 工藝方案的確定

1.1 結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)的分析

本文研究的重型燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)葉持環(huán)鑄件三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，鑄件尺寸為2 180 mm×2 180 mm×2 130 mm，上半鑄件凈重 19.7 t，毛重 24.0 t，下半鑄件凈重19.6 t，毛重 23.9 t，最大壁厚 446 mm，材質(zhì)為G17C r M o5-5.

圖2 重型燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)葉持環(huán)鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

鑄件熔煉工藝采用EAF+LF，化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2.

表1 熔煉化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 鑄件性能要求

1.2 工藝方案設(shè)計(jì)

1.2.1 造型方案的確定

考慮到鑄件的補(bǔ)縮及造型的生產(chǎn)效率，將導(dǎo)葉持環(huán)上下兩半合在一起鑄造。造型過程分上、下箱造型，內(nèi)腔輪廓由上箱形成，同時(shí)鑄件底部200 mm范圍內(nèi)存在倒稍現(xiàn)象，通過設(shè)置胎板，將該部分由下箱帶出。導(dǎo)葉持環(huán)上下半連接區(qū)域及吊耳部分設(shè)置砂芯。其中隔板芯是為了保證鑄件上下兩半分缸而設(shè)置的，芯子厚度100 mm，為了防止吊運(yùn)變形所以將其一分為二，同時(shí)也利于合箱操作。為了保證吊耳的定位尺寸及防止圓心錯(cuò)偏，特設(shè)計(jì)帶有整圓的吊耳芯，如圖3c）所示。

根據(jù)鑄件截面結(jié)構(gòu)（如圖3），鑄件上部凹槽處（圖3a）所示A2位置）屬于熱節(jié)集中部位，且壁厚達(dá)到425mm（圖3a）所示A1位置），在澆注過程中該區(qū)域被鋼液包住，區(qū)域溫度升高，容易導(dǎo)致樹脂砂燒結(jié)粘結(jié)。為避免凹槽區(qū)域樹脂砂燒結(jié)粘砂問題，該鑄件在造型時(shí)，在該區(qū)域內(nèi)放置由圓鋼折彎而成的環(huán)形隔砂冷鐵來防止該區(qū)域粘砂。

圖3 鑄件截面結(jié)構(gòu)

1.2.2 鑄件縮尺、補(bǔ)正量和反變形量的設(shè)計(jì)

鑄鋼件的收縮分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮，在凝固收縮和固態(tài)收縮產(chǎn)生的線收縮（即縮尺），影響鑄件尺寸，參考以往生產(chǎn)的各類鑄鋼件的實(shí)際縮尺，該類鑄件縮尺在1.6%～2.0%之間，鑄件內(nèi)腔為加工面，考慮到模具的起模便利及利于浮渣，內(nèi)腔加工量設(shè)計(jì)使得鑄件內(nèi)腔表面趨平面化，如圖4所示。

圖4 鑄件貼量示意圖

1.2.3 鑄件的冒口及補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)及造型方案設(shè)計(jì)鑄件的冒口及補(bǔ)貼，根據(jù)鑄件的模數(shù)、水平補(bǔ)縮距離確定冒口的型號(hào)和數(shù)量。冒口的設(shè)計(jì)采用模數(shù)確定其最小型號(hào)，通過補(bǔ)縮液量校核確定冒口最終尺寸，這種方法可以確保冒口最后凝固，并給鑄件提供充足的補(bǔ)縮液量，確保鑄件組織致密，滿足顧客對(duì)鑄件質(zhì)量的要求。

除模數(shù)計(jì)算外，應(yīng)用了M A G M A凝固模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，確定最合理的冒口及補(bǔ)貼尺寸規(guī)格。在補(bǔ)縮末端區(qū)設(shè)置冷鐵，調(diào)整補(bǔ)縮區(qū)域、調(diào)整溫度場(chǎng)，有利于順序凝固和有效補(bǔ)縮，確保內(nèi)部組織致密，滿足無損探傷要求。

本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較大，熱節(jié)大且集中在中間最大法蘭位置處，同時(shí)鑄件因底部法蘭的存在導(dǎo)致鑄件熱節(jié)加大，因此，鑄件的橫向及豎向補(bǔ)縮都存在風(fēng)險(xiǎn)。本產(chǎn)品鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，將導(dǎo)葉持環(huán)上下兩半合為一體鑄造。應(yīng)用M A G M A凝固模擬與模數(shù)計(jì)算相互驗(yàn)證，設(shè)計(jì)冒口及冒口補(bǔ)貼尺寸規(guī)格，調(diào)整鑄件的模數(shù)分布。最終，鑄造工藝設(shè)計(jì)如圖5所示，通過在最大熱節(jié)處設(shè)置側(cè)邊橢圓冒口、補(bǔ)貼及冷鐵，將最終熱節(jié)位置提高至冒口頸中心處，用以調(diào)整補(bǔ)縮區(qū)域和溫度場(chǎng)，保證合理的補(bǔ)縮梯度，防止出現(xiàn)二次縮松，如圖6所示.

圖5 鑄造工藝圖

圖6 MAGMA凝固模擬

1.2.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了如圖7所示澆注系統(tǒng)。為防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)卷氣、夾渣、沖砂等問題，應(yīng)用從奧地利奧鋼聯(lián)公司引進(jìn)的G S-100澆注軟件模擬計(jì)算，對(duì)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以保證內(nèi)澆口進(jìn)流速度均勻，型腔內(nèi)液面上升平穩(wěn)快速，避免澆注紊流和返鋼。

圖7 澆注系統(tǒng)示意圖

大型鑄鋼件采取底返式澆注工藝時(shí)，澆注速度控制在0.4 m/s～1 m/s之間。本產(chǎn)品澆注重量87 t，需兩包澆注。如圖7所示，橫澆道鋪設(shè)采用二分法，確保每個(gè)內(nèi)澆口進(jìn)流速度均勻，澆注時(shí)澆注速度控制在0.60 m/s左右，能很好地保證澆注平穩(wěn)上升。

1.2.5 熔煉工藝

該導(dǎo)葉持環(huán)鑄件材質(zhì)為G17C r M o5-5，屬于低合金材質(zhì)，冶煉工藝為EAF+LF+澆注。采用兩包合澆，澆注時(shí)第一包出鋼溫度控制在1 620℃左右，第二包出鋼溫度為1 585℃，同時(shí)使用吹氬保護(hù)澆注，鋼包水口下沿距離澆口杯距離小于100 mm防止鋼液二次氧化。

1.2.6 熱處理工藝

通過對(duì)產(chǎn)品材質(zhì)的分析研究，利用與此材料相近的CC T圖，最終確定熱處理工藝方式為高溫正火強(qiáng)風(fēng)冷卻+高溫回火來滿足鑄件的高強(qiáng)度、高韌性的力學(xué)性能要求。具體熱處理工藝參數(shù)如圖8所示。

圖8 熱處理工藝

通過對(duì)鑄件本體附鑄試塊的金相組織檢測(cè)顯示，組織均勻、細(xì)小，主要為回火貝氏體+鐵素體，如圖9所示，完全能夠滿足材料力學(xué)性能所需和使用工況要求。

圖9 試塊金相圖

1.2.7 焊接工藝

本產(chǎn)品w（C）為0.2%左右，并且Ce q＞0.6%，所以焊接過程中很容易出現(xiàn)裂紋，并且產(chǎn)品要求硬度控制在145 H B～205H B，這樣對(duì)焊接過程控制提出了更高的要求。

為保證焊接質(zhì)量通過焊評(píng)實(shí)驗(yàn)確定了專項(xiàng)焊接方案為：a）焊條打底焊絲填充和蓋面；b）分道焊接并且焊道寬度≤35 mm；c）每條焊道與焊道之間重疊5 mm～8 mm；d）中間填充層采用回火焊道工藝，每層熱輸入逐層增加；e）蓋面層熱輸入比中間填充層的熱輸入大30%，并且蓋面層厚度5 mm～6 mm.

2 產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)證

從鑄件尺寸和ND T檢測(cè)結(jié)果來看，鑄件整體組織致密，無縮松，性能滿足客戶要求，鑄件質(zhì)量較好。同時(shí)因砂鐵比大幅降低，出品率大幅提升，鑄件成本降低25%左右，該鑄造工藝可行。

3 結(jié)束語

本文通過研究重型燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)葉持環(huán)鑄件的結(jié)構(gòu)，利用M A G M A軟件模擬優(yōu)化，確定最優(yōu)的鑄造工藝，保證了鑄件的質(zhì)量。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）重型燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)葉持環(huán)鑄件，采用一層冒口加鑄件底部設(shè)置冷鐵的鑄造工藝，解決該類鑄件壁厚大、補(bǔ)縮困難的問題，提高鑄造工藝出品率；

2）將鑄件圓形吊耳芯與砂型的沿吊耳軸心的傳統(tǒng)水平結(jié)合面改為通過吊餅的豎直結(jié)合面，有效保證顧客吊耳的尺寸精度；

3）通過高溫正火強(qiáng)風(fēng)冷卻+高溫回火可以滿足鑄件的高強(qiáng)度、高塑韌性的力學(xué)性能要求和金相組織需求。