球墨铸铁燃机进气缸铸造技术研究及工艺优化

摘要

重型燃机是一种高工作温度、高热功转换和高输出功率的发电与动力设备，国内外科技与产业界将重型燃机的研究和发展视为国家高科技实力的重要标志之一。进气缸是重型燃机机组前端均匀引入空气的重要零部件，属大型承力承压部件，有非常高的机械性能、组织致密性等要求，并要进行无损检验。进气缸铸件除具有一般球墨铸铁件铸造特性外，还有局部厚大断面及多个热节孤立分布的特殊结构，决定了其铸造技术难点多且极易产生缩孔缩松、表面夹渣等典型铸造缺陷，该类缺陷直接影响机组的运行安全，甚至在后期发电运行过程中导致严重事故。本文采用缺陷形成机理理论分析、工艺方案实验研究、设计结果MAGMA数值模拟等研究方法，通过工艺措施对照组实践验证，形成了优化的进气缸铸造技术方案。　　本文制备了不同化学成分实验试块，采用UT检测和实物解剖的方法确定其缩孔缩松缺陷体积，研究了碳当量CE及C元素对缩孔缩松缺陷倾向的影响趋势；通过分析机械性能及金相组织检测结果，研究了Si元素对厚大断面石墨形态的影响趋势；最终确定最佳碳当量范围为4.4～4.7%，选定铸件成分为C≈3.7wt.%、Si≈2.8wt.%。本文应用SEM及EDS等分析铸件表面MT检测超标磁痕显示缺陷，确定铸件表面缺陷为SiO2、MgO、Al2O3等聚集形成一次氧化夹渣，分析不同类型浇注系统的作用，对比研究其浇注过程的避渣原理和效果，最终形成进气缸独特的阶梯式避渣浇注系统方案，有效防止铸件表面夹渣缺陷。本文应用CAD建模、MAGMA模拟等进行冒口补缩及冷铁激冷方案研究，形成符合进气缸凝固的温度梯度，充分实现以均衡凝固为主与“顺序凝固+均衡凝固”为辅的凝固技术方案，确保了铸件本体组织致密性。　　工艺优化后的进气缸铸件单重为12500kg，工艺出品率由80.9%提高至88.7%，相比其他同类大型球墨铸铁铸件获得更高的经济效益；已按优化后的工艺生产12件，检验结果全部合格，实物质量达到行业领先水平。本文在理论和实践研究的基础上，确定最优铸件化学成分，设计阶梯式避渣浇注系统，提出均衡凝固与顺序凝固相结合的凝固方案，最终形成厚大断面球墨铸铁件核心铸造技术方案。相关实验研究成果对高端球墨铸铁铸造技术研究有重要的指导意义，提升了我公司在球墨铸铁铸件制造领域的核心竞争力。

目录

声明

1 绪 论

1.1 国内外燃气轮机发展与展望

1.1.1 燃气轮机的发展概况

1.1.2 燃气轮机的市场前景

1.1.3 燃气轮机研究的重要意义

1.1.4 国内燃气轮机的研究现状与发展展望

1.2大型球墨铸铁铸件生产及研究现状

1.3球墨铸铁燃机进气缸铸件生产及研究现状

1.3.1国内外进气缸铸件生产及研究现状

1.3.2我公司进气缸铸件生产及研究现状

1.4 球墨铸铁进气缸铸造缺陷防控难点分析

1.4.1进气缸铸件技术要求

1.4.2进气缸铸件表面夹渣缺陷

1.4.3进气缸孤立热节分布及厚大断面位置缩孔缩松缺陷

1.4.4进气缸厚大断面位置本体金相组织缺陷

1.5 球墨铸铁进气缸铸造技术研究内容

2进气缸铸件主要缺陷形成机理与防控研究

2.1进气缸铸件缺陷检测方法

2.2进气缸铸件铸造特性分析

2.2.1进气缸铸造工艺特性分析

2.2.2进气缸铸件凝固特性分析

2.3进气缸表面夹渣缺陷形成机理及防控措施研究

2.3.1进气缸表面缺陷形貌与成分分析

2.3.2 表面夹渣缺陷形成机理与原因分析

2.3.3浇注系统在表面夹渣缺陷防控中的应用

2.4进气缸缩孔缺陷形成机理及防控措施研究

2.4.1 铸件热节分布分析

2.4.2进气缸孤立热节及厚大断面凝固理论分析

2.4.3缩孔缩松缺陷形成机理与原因分析

2.4.4特殊部位金相组织缺陷形成机理与原因分析

2.4.5均衡凝固技术在缩孔缩松缺陷防控中的应用

2.5 本章小结

3 铸件成分研究与确定

3.1 化学成分对球墨铸铁铸造性能影响

3.2 实验方案与工艺路线

3.2.1 实验试块铸造工艺方案

3.2.2 铸件熔炼成分及工艺设置

3.2.3 实验工艺路线

3.3 铁液熔炼与试块制备

3.4 成分对缩孔缩松缺陷影响的研究与分析

3.4.1 缺陷检测与记录方法

3.4.2 缩孔缩松缺陷检测结果

3.4.3 成分对缩孔缩松倾向影响分析

3.5 成分对厚大断面石墨形态影响的研究与分析

3.5.1 厚大断面顶部石墨漂浮分布

3.5.2厚大断面心部异形石墨及理化性能检测

3.5.3 成分对厚大断面石墨形态影响分析

3.6 本章小结

4 铸造工艺方案研究与确定

4.1 现有设备能力与研究条件

4.2 工艺方案研究与确定

4.2.1 浇注位置选择

4.2.2 分型面确定

4.3 重要铸造工艺设计参数确定

（1）铸造收缩率

（3）机械加工余量

（4）模具起模斜度

4.4 砂芯设计与核算

4.4.1 砂芯形状设计

4.4.2 砂芯芯头设计与核算

4.4.3 砂芯排气通道设计

4.5 避渣浇注系统设计与核算

4.5.1浇注系统类型选取

4.5.2浇注系统设计

4.5.3浇注系统核算与相关参数选定

4.6冷铁激冷方案研究与应用

4.6.1冷铁激冷方案设计与计算

4.6.2冷铁激冷方案设计结果

4.7 冒口补缩方案研究与应用

4.7.1冒口补缩方案确定与分析

4.7.2冒口计算与选择

5 铸造工艺MAGMA仿真模拟与实践验证

5.1铸造工艺方案MAGMA模拟与分析

5.1.1浇注充型过程MAGMA模拟分析

5.1.2冷却凝固过程MAGMA模拟分析

5.1.3 铸件缩孔缩松缺陷MAGMA模拟分析

5.2 铸造技术方案优化与确定

5.3 铸件生产实践验证

5.3.1 实验件化学成分分析

5.3.2 实验件金相组织分析

5.3.3 实验件机械性能分析

5.3.4 工艺出品率核算

5.3.5 实验件实物质量验证

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果