大型水轮机叶片铸造浇注过程胀箱机理及防胀箱措施的研究

孙健平

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 75002l）

大型水轮机叶片铸造浇注过程胀箱机理及防胀箱措施的研究

孙健平

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 75002l）

本文介绍了大型水轮机叶片在铸造生产过程中浇注胀箱的原理以及防胀箱措施的研究，总结出了一套大型水轮机叶片生产过程中防胀箱的有效方法，避免在生产过程中由于胀箱引发的跑火事故，预防因胀箱引发的铸件变形和尺寸问题，从而提高了铸件的质量和成品率。

大型水轮机叶片；胀箱；压箱

防止铸型胀箱是大型水轮机叶片在浇注前重点控制工作之一。胀箱易导致铸件多肉、变形等缺陷，严重胀箱会导致浇注过程浇不满及下渣，有的甚至会造成跑火，引发重大的质量事故。本文以一种新型的组芯方式，制造大型水轮机叶片，将叶片的造型方案按照砂芯制作，最后两两组合在一起，形成外观、尺寸合格的铸型，以待浇注。其生产过程中最大的质量隐患是在浇注过程中由于钢液对铸型表面的张力引发的质量问题，有效控制叶片在浇注过程的张力成为叶片生产过程中的重点工作，此种张力称之为胀箱力。

l 胀箱机理

胀箱在铸造中是指金属液在充型过程中受到重力影响，压迫铸型（芯）产生的作用力。由于大型铸钢件多采用砂型铸造方式，所用型砂与钢液的密度比约为l：4。当钢液在充型的过程中越是靠下部的型芯空腔受到的压力就会越大，会向型腔四周施加作用力，从而产生胀箱力。发生胀箱后，铸件在分型面处抬箱，形成较大的飞边，使得铸件的壁厚增加，随着浇注压头的提升其胀箱力也会随之增加，严重的则使金属液从分型面跑出，造成跑火。

1.1 引起胀箱的因素

引起胀箱的因素较多，如：铸件材质、结构（壁厚）、浇注温度、浇注重量、型砂紧实度、充型速度以及浇注过程发生呛火等，因此需要具体情况具体分析。

l）浇注时钢液重量受自然重力影响使得型腔内压力骤然增加，螺杆及箱卡挣脱，造成跑火。

2）水轮机叶片立式浇注，浇注压头高度取决于铸件自身，压头越高，所形成的压力也随之增加，砂芯底部及其上三分之一的部位所受的胀箱力最大，也最容易因胀箱而发生跑火。

3）在铸型浇注过程由于型腔气体造成的呛火，也会增加铸型所受的胀箱力。

4）立体式组芯过程中，配套的螺杆数量及螺杆的规格设计存在缺陷。

5）组芯完成后下芯流砂过程中，型砂强度及型砂可使用时间不合，造成型砂强度降低，无法控制钢液所产生的横向的挤压力，造成严重的跑火质量事故。

1.2 胀箱过程分析

胀箱是在金属液充型过程中受自然重力作用，向型腔四周施加的作用力，随着金属液的增加，型腔内受力随之增加，当作用力增加到接近工艺设计值时（产品工艺设计值满足浇注胀箱作用力要求），浇注完成。当胀箱的作用力达到设计值时，在浇注过程中出现多浇的现象，导致打箱后出现披缝。当胀箱的作用力大于设计值时，在浇注后期砂箱外会产生大量燃烧的气体，严重时会造成钢液直接从型腔最薄弱的部位跑出，造成重大的质量事故和成本损失。

2 防胀箱措施

2.1 造型准备过程防胀箱措施

目前，大型水轮机叶片采用的是立体式组芯方式进行造型，如某水轮机叶片，如图l所示，铸件及砂箱高度为7.5 m，浇注重量超过40 t，叶片最大壁厚400 mm，最小壁厚l00 mm，造型过程中尺寸控制及防胀箱、防跑火是最重要的控制环节。

图l 叶片示意图

l）增加芯骨的强度，改进原有的方钢芯骨，使用可回收利用的钢板工装芯骨；

2）砂芯设计过程增加使用把合螺杆部位的数量，增加组芯后的砂芯整体强度。一般使用的都是M60的螺杆对砂芯进行把合，每排3根，共两排；

3）造型过程在下箱砂坪上增加防跑火槽，下芯后流砂过程使用树脂砂进行填实压紧，形成一个整体；

4）在芯盒内设置防跑火槽，如图2所示。组芯后形成空腔，在上箱造型过程中使用树脂砂填充并紧实到位。

图2 下箱设置防跑火槽

2.2 组芯过程控制

组芯作为水轮机叶片生产过程中的一个重要环节，控制项包括型线的尺寸、砂芯间披缝以及组芯过程的螺杆把合强度。

l）芯盒和芯骨制作需要按照工艺设计要求确保强度达标，把合方钢定位对称布置各3个，使用M60的螺杆进行把合；

2）组芯后将穿螺杆的方钢用树脂砂填充，防止螺杆在方钢空隙内活动致使螺杆松动、卡不紧；

3）组芯过程控制两个砂芯的披缝，披缝＜3 mm，组芯的垫片及螺母成面接触。

2.3 下芯过程及上箱造型过程防胀箱措施

水轮机叶片砂芯在吊运过程中使用可调平吊索具进行调整，调整到水平后起吊，按照工艺要求的尺寸放在准备好的砂坪上，按照定位及尺寸要求控制好型线。在此过程中要注意以下几点要求：

l）下箱砂坪水平度测量，组芯后起吊，在砂坪上刮50 mm厚树脂砂，将砂芯按照尺寸要求放置在未硬化的砂坪上，增加下箱强度，使得后期流砂后型砂形成整体，预防跑火发生；

2）下芯后，再次紧固螺杆，确保在砂箱内的砂芯螺杆强度达到其最高要求，防止因螺杆松动导致胀箱跑火；

3）砂芯下到位后放置砂箱，在砂芯背面使用方钢进行支顶，一侧最少3个点，一层砂芯至少支顶两层，合格后进行流砂作业，如图3所示；

图3 芯子支顶

4）上箱造型过程中使用树脂砂将防跑火槽进行填充并紧实到位；

5）造型过程如果存在30 min内不流砂的情况，需要在砂芯周围制作分型面，分型面成梯形外高内底，注意分型面要压实抹平，确保强度，再次流砂时，分型面使用面砂流制，确保分型面的强度；

6）对于吃砂量较小部位需要使用紧实棒进行紧实，增加型砂整体的强度，防止胀箱；

7）上箱造型完成后在砂箱周围流制l 000 mm高的砂墙，如图4所示。增加下箱整体强度，防止浇注过程砂箱底层因胀箱发生跑火事故。

图4 下箱砂墙

造型过程中注意型腔出气的控制，正确的排气将减少呛火，提高铸件表面质量。由于是多层砂芯叠加组合，必须要在浇注前进行压箱作业；在后期的烘箱以及压箱过程中一定要按照要求执行，完全控制好叶片的整体质量。

3 结论

在水轮机叶片生产过程中最大的质量隐患就是胀箱，所有的工装、材料及后期的上箱造型过程必须围绕着防止胀箱、跑火来准备和操作，这样才能更好地保证产品的质量，避免不必要的成本损失，且稳定和保证生产进度，提高生产效率。

［l］张俊勇，陈洪涛.关于铸造合箱跑火原因分析及控制方法［J］.宁夏机械，20l0：32（4）：40-43.

［2］张维业.砂型铸造的呛火与爆炸［J］.工业安全与防尘，l995（l0）:l3-l4.

TG242

A

l674-6694（20l7）05-005l-02

20l7-04-25

孙健平（l984-），男，山东莱州人，助理工程师，主要从事铸件造型过程质量控制工作。

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