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（四川省德阳市优特铸造有限公司，四川 德阳 618000）摘 要：为解决ZG15Cr1Mo1 汽轮机燃压缸铸钢件对热处理的冷却速度敏感、裂纹倾向大的问题，分析了铸钢件的技术要求和结构特性，通过采用水平浇注系统、增加冒口和冷铁数量、设置集渣浇道等措施改进铸件的铸造工艺，采用数值模拟分析得到可靠验证后进行生产试验，获得了满足要求的合格铸件。燃气轮机产业是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一，具有十分突出的战略地位。G15A 燃气轮机重要零部件燃压缸结构复杂，气缸壁薄，不利于铸件的补缩，铸件产生缩松的倾向大，燃压缸的材质为2405CD0，商用牌号为ZG15Cr1Mo1, 该材料对热处理的冷却速度比较敏感，容易在铸件内造成力学性能不均匀，且裂纹倾向明显，因此研究燃气轮机燃压缸的铸造工艺确保产品质量尤为重要。燃压缸如图1 所示，铸件为汽缸上半部，重量约为2 250 kg，材质为ZG15Cr1Mo1，具体化学成分见表1，力学性能见表2。最大轮廓尺寸为1 600 mm×1 100 mm×1 100 mm，最大壁厚90 mm，最小壁厚30 mm。NDT要求铸件本体100%UT2 级和MT2 级验收。通过分析研究该铸件结构及技术要求，得出如下铸造难点：（1）进汽腔最小壁厚仅30 mm，且背部有管法兰，最大厚度90 mm，此处热节大，极易发生粘砂、夹渣、补缩不足，且腔室狭小，极难清理，并且进汽腔室内腔清洁度要求高，如图2 所示。（2）汽缸背部大法兰横筋处热节较大，钢液沿圆周方向补缩困难，如图3 铸件缩松模拟示意图所示。（3）汽缸中部结构由薄壁与厚大筋板相交，极易产生热裂、变形。（4）汽缸大端3 处大圆孔，所处位置极难补缩，且孔与孔之间筋板厚度大于圆孔位置厚度，易产生缩孔、缩松。针对上述问题，铸造工艺解决措施为：采用水平浇注；大端设置补贴，中间增加暗冒口；3 处圆孔，内增设补贴，孔之间筋板采用集中补缩；法兰面设置排气孔或设置集渣槽；采取“二分法”设计底注式浇注系统，浇注系统设置集渣浇道；防止浇注系统紊流等现象带来的二次氧化夹渣缺陷和钢液最开始的氧化渣。通过计算机模拟分析铸件热节位置分布情况，再结合水平补缩距离和模数计算确定冒口的位置、尺寸和数量，并配合补贴和冷铁的使用，确保钢液补缩顺利；确定保温套的补缩效率，对冒口补缩液量进行校对，进一步确定冒口尺寸。在背部法兰最大热节处设置冒口，可实现背部法兰的补缩。由于铸钢件的浇注温度在1 520~1 620 ℃，浇注过程中型腔表面受到钢液的热辐射后被加热，容易产生体积膨胀，表层与内层分离，造成型砂溃散等问题。特别是大型铸钢件，浇注钢液量大，更需要实现快速浇注，以最大限度的减少钢液对型腔表面的热辐射等有害作用。铸件采用水玻璃砂造型，明冒口3 个，暗冒口3个，冷铁26 块，漏包底注开放式浇注系统。该方案有利于金属液平稳充型，型腔气体容易排出，减少金属液氧化，避免卷气夹渣；减少金属液对芯、型的冲击，防止冲砂造成夹渣等缺陷；同时避免各部分温差太大，产生收缩应力。为保证钢液充型过程中平稳进流，内浇口进流速度小于0.55 m/s。应用浇注系统设计软件计算浇注参数，结果如下：浇注重量5.5 t，采用5# 钢包，浇注温度1 580 ℃，浇注速度0.54 m/s，浇注时间166 s。具体工艺方案如图4 所示。应用软件AnyCasting 对钢液凝固过程进行模拟分析，优化铸造工艺设计。模拟结果显示铸件本体无缩孔、缩松倾向，模数符合铸件顺序凝固、冒口最后凝固的要求，圆周方向与轴向方向均满足顺序凝固，如图5、图6所示；冒口及补贴设计合理，满足质量要求，如图7。利用计算机模拟软件，对钢液充型过程进行模拟，显示金属液平稳快速上升，无紊流、飞溅和卷气现象，浇注系统设计合理，如图8 所示。按照改进后的生产工艺进行生产验证，铸件如图9所示。生产过程造型过程操作方便，腔室壁厚控制合理，粘砂较少；背部法兰等壁厚差异较大部位裂纹明显减少。铸件化学成分、力学性能达到规范要求，同时满足客户无损检测要求。论文发表于：工艺试验与应用.2024.05.31-34.
