汽轮机铸钢件消缺方法优化

宋 健 王国柱 王 庆 于 越 康 强

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

1 铸件情况

1.1 铸造缺陷

铸造缺陷是指在铸造生产过程中，由于种种原因，在铸件表面和内部产生的各种缺陷的总称。通常有以下几种：孔洞类缺陷，裂纹冷隔类缺陷，表面缺陷，夹杂类缺陷，尺寸、形状偏差缺陷，重量偏差缺陷，成分、组织、性能不合格类缺陷，残缺类缺陷。

在铸件后续清整阶段，对于超标缺陷，特别是上述前五种缺陷，其中孔洞类、夹杂类、裂纹冷隔类缺陷均使铸件的力学性能降低，影响铸件的使用性能，缩短铸件的使用寿命。必须采用合理的手段将其消除后进行修补，才能保证铸件质量。铸钢件缺陷示例见图1。

1.2 铸钢件材质

我公司生产的汽轮机用铸钢件材质种类较多，一般分三大类：碳素钢、低合金钢、不锈钢，均用于汽轮机不同的静子部件，如汽缸、阀壳、弯管、隔板套等。材质不同，使用的消缺方式有所不同。

1.3 铸钢件消缺情况

当前，我公司铸钢件粗加工后，通过打磨方式让铸件表面达到检测要求，进行超声检测、磁粉检测、渗透检测，检测结束后，根据缺陷情况进行消缺，消缺达可焊后再施焊。经过调查分析，针对不同的材质，不同复杂型线的铸件(如带喷嘴室汽缸等)，在消缺方面存在如下问题：

(a)夹杂(b)裂纹图1 铸钢件缺陷示例Figure 1 Samples of steel castings defects

(1)为了追求生产进度，不分缺陷类型，直接使用电刨消缺；

(2)不分缺陷存在的位置，消缺角度选择不当，导致铸件割肉，增加补焊量；

(3)不分材质类型，使用电刨消缺；

(4)消缺方式、操作过程不合理等。

不合理的消缺方式加大了铸件刨坑尺寸、数量，增加了铸件补焊量，存在制造风险及质量隐患，导致消缺量大、缺陷未消尽、刨坑清理不干净等情况，对铸件质量、生产进度、管理、成本等多方面有重要的影响。

2 优化方案

2.1 消缺工具的改进

目前我公司使用的打磨消缺工具主要有带柄椭圆锥磨头、碟形砂轮、硬质合金旋转锉(球形金属磨头)、平面砂轮，都通过空压风驱动打磨。

考虑到安全因素和打磨质量要求，对打磨工具本身质量要求较高，特别是砂质砂轮，在高速气动下，若砂轮质量较差，在作业时容易断裂飞出碎片伤人，引起安全事故。另外砂轮质量较差时，容易产生因强度不够导致打磨效果不好的情况。

打磨工具对整个铸件打磨工序起着至关重要的作用。

目前我公司使用碳弧气刨消除铸件内部较深的缺陷，如孔洞、夹杂、裂纹等缺陷，这种方式优点是消缺效率较高，能较快地将缺陷消除干净；缺点是电刨时产生的热量对铸件影响较大，操作不当可能导致铸件产生裂纹或割肉、渗碳量增大等质量问题，主要有碳弧气刨机、刨钳、侧面送气刨枪、刨条(碳棒)等构成。电刨规格参数如表1所示。

表1 电刨规格参数Table 1 Specification parameters of air arc cutting

机械加工消除缺陷，一般在铸件机械加工阶段采取加工消缺方式。

2.2 电刨、打磨操作改进

2.2.1 电刨操作要求及参数

电刨时，电源采用直流反接，正极接气刨枪，负极接铸件。刨条与工作面一般倾角45°；刨削方向是从右到左，从上到下；刨条伸出长度为80～100 mm(当烧损到30～40 mm时，应进行调整)；压缩空气喷射的位置必须在金属熔化点上，如图2。

在电流和空气压力条件不变的情况下，夹角α与刨削深度h的关系及影响：

(1)夹角越小，刨削深度减小，刨削速度快，并且表面较光滑平整，表面渗碳量小，一般消除铸件表面缺陷；

(2)夹角越大，刨削深度增加，刨削速度慢，刨渣增多，表面粗糙不平整，表面渗碳量大，一般消除铸件内部较深缺陷。

图2 夹角和刨削深度示意图Figure 2 Sketch of angle and cutting depth

为了便于施焊，保证铸件质量，坡口形状不应急剧变化(U型坡口)，表面平整，底部平缓，呈圆角R，不允许有尖角存在。

2.2.2 打磨方式改进

打磨消除铸件表面缺陷时，一般采用碟形砂轮、平面砂轮等。这类工具的优点在于打磨面积较大，能够较大范围地消除铸件表面缺陷，同时能保证铸件平整度，达到非量化要求，降低劳动强度；缺点在于打磨深度不够，不能较好地消除铸件内部较深的缺陷，且因砂轮尺寸较大，无法打磨铸件尺寸较小的局部区域。

打磨消除铸件内部缺陷(一般在50 mm以内)时，一般采用带柄椭圆锥磨头、硬质合金旋转锉(球形金属磨头)，这类设备的优点在于能抠除较深的缺陷，同时能消除铸件局部狭小地方的缺陷；缺点在于不好控制铸件平整度，消缺后施焊困难。

铸件打磨对打磨工的操作技能要求较高，特别在铸件完工前，通过打磨方式对局部进行打磨修整。

2.3 按不同结构铸件进行消缺

消缺方式分类如表2所示。

表2 消缺方式分类Table 2 Classification of defects elimination methods

须考虑铸件结构的特殊性，能用打磨消除的缺陷，尽量使用打磨方式消除，如需机械加工消除缺陷时，可使用机械加工消除。在打磨方式不能消除缺陷的情况下，可采用电刨方式，尽可能减少电刨方式对铸件造成的不利影响(如产生裂纹、割肉等)。

图3 铸件超声检测及消缺方向选择Figure 3 Selection of UT and defects elimination direction of castings

2.4 按不同材质铸件进行消缺

对于碳素钢铸件，根据材质要求及生产进度，结合磁粉检测、超声检测缺陷面积大小，可优先使用电刨消缺处理，再打磨处置。

对于低合金钢铸件，结合铸件结构和施焊难度，优先考虑电刨消缺，再打磨处置。

对于不锈钢铸件，应优先考虑打磨方式消缺，特别是某含钴不锈钢铸件，热敏感性很强，电刨消缺时裂纹容易扩展，导致刨坑加大，增加补焊量，补焊后返工率较大。

2.5 以方便施焊为目的消缺方式

打磨过程要充分考虑施焊需求，为后续执行补焊提供方便。焊接角度、位置不同，焊工施焊难易程度不同，焊接质量也存在差异，消除缺陷方式不合理可能导致不必要的补焊返工。

汽轮机用铸钢件结构复杂，如阀壳、弯管、带喷嘴室汽缸、喷嘴室等铸件腔室狭小，从消缺角度，考虑从外向内消缺，施焊时考虑从外向内施焊，尽量避免需要焊工钻到部分铸件内腔施焊及仰焊，以保证补焊质量。

2.6 以减小刨坑体积为目的的消缺方式

由于铸件型线复杂，在铸件检测过程中，超声检测往往选择易检测的表面进行，但缺陷距离不同表面的长度不一样。为了有效避免盲目消缺，减小刨坑铸件体积，据缺陷的深度、存在的具体位置，根据铸件壁厚、施焊容易的角度考虑，选择从距离较短的表面进行消缺处理，如图3所示，应从40 mm方向进行消缺。

2.7 严控消缺质量

汽轮机铸钢件消缺环节作为铸钢件尾部清整阶段极其重要的环节，优化消缺方式的同时，做好消缺质量防控尤为重要。定期对消缺人员进行消缺工艺培训。根据无损检测记录，抽查消缺刨坑尺寸是否与缺陷记录相对应。对消缺质量进行KPI考核。定期派专人进行过程质量督查。

3 经济性

由于消缺方案的改进，降低了焊材使用量，节约铸件补焊成本，减少补焊返工次数，保证了铸件质量。与此同时，缩短了生产周期，充分利用人力、设备资源，产生了较大的经济效益。

4 结语

根据汽轮机铸钢件的特点，针对不同结构、不同材质的铸钢件，从消缺工具的选择和消缺操作方式优化方面采取措施，达到了方便施焊、减小铸件刨坑尺寸的目的。减少了因盲目消缺导致的铸件割肉、裂纹等负面影响，有效减少了铸件质量问题。