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摘要：讨论冲击式水轮机不锈钢转轮整体铸件气孔和冷隔产生的原因及预防对策；生产实践结果表明，两次进炉烘烤使砂型完全干燥，同时控制好砂型二次烘烤后的出炉时间，以适当提高浇注时铸型的温度，是防止转轮整体铸件产生气孔和冷隔缺陷较为理想的措施。
关键词：气孔冷隔；干燥；铸型温度；转轮
冲击式水轮机转轮是冲击式水轮机的关键零件。由于冲击式水轮机工作水头高，转轮承受着高强度、高频率冲击载荷，因而对整铸转轮的品质要求特别高。为了整铸出优质冲击式水轮机不锈钢转轮，对其铸造缺陷形成的原因进行探讨，并有针对性地对铸造缺陷采取预防措施。
1 整铸转轮的材料、结构和铸造工艺
冲击式水轮机不锈钢转轮目前最常用的材料为ZG06Cr13Ni4Mo、ZG06Cr13Ni5Mo、ZG06Cr13Ni6Mo等3种不锈钢，其化学成分，见表1。从表中可知，该类不锈钢含碳量很低，而含铬量又高，钢液化学活性高，因而钢液极易被氧化。 （图片） 冲击式水轮机大小不同，其转轮的大小也各异，但其结构基本相似，都由轮盘和均匀分布于轮盘外圆的若干个水斗构成。轮盘较厚，一般在120-250mm之间。轮盘中心有1个轴孔。水斗壁较薄而且不均匀，越靠近水斗根部越厚，其壁厚大部分<30mm，水斗正反面均呈不规则的圆滑曲面，形如瓢状。水斗与水斗之间距离很小（尤其是水斗根部）。
整铸转轮的铸造工艺方案，见图1。从制芯到合箱，通常采用下述操作程序和方法：制作1#、2#（3#、4#）型芯->（涂刷涂料）->进炉烘干->涂刷涂料->用天然气烘干->组合1#型芯->下2#型芯并填砂舂实->用天然气烘干、填砂->1#型芯外套砂箱并填砂舂实->（组合3#、4#型芯）->合上箱->用天然气预热型腔->浇注。浇注温度在生产中通常用出钢温度和出钢后至浇注的时间来控制，出钢温度为1620-1630℃，出钢后至浇注的时间为6-10min。（图片）
图1 整体转轮的铸造工艺 2 气孔产生的原因及预防
2.1 气孔的特征
整铸转轮的砂型虽采用干型，但铸件中却经常产生气孔缺陷。气孔主要发生在水斗的下半边（以浇注位置而言），严重时水斗各断面均有气孔，气孔大多位于水斗断面中间，表面上通常很难发现，仅在水斗的飞边或扁出气孔切割后能见到少许气孔，一旦将水斗表面刨开，里面的气孔呈现蜂窝状密布，而且每个水斗气孔的严重程度不同。轮盘部分一般无气孔。
2.2 气孔产生的主要原因
在组芯合箱过程中，1#型芯组芯时间长，热量损失大，组合后的1#型芯和铁平板温度低。组芯后，1#型芯与2#型芯的间隙以及1#型芯外圆均须用水玻璃石英砂填实。为使1#型芯与2#型芯的间隙中的填充砂干燥，常用天然气进行烘烤。当烘烤1#型芯与2#型芯的间隙中的填充砂时，以及1#型芯外围的填充砂在1#型芯余热作用下，均会产生水蒸汽，这些水蒸汽的一部分沿1#型芯之间的间隙进行扩散，这部分水蒸汽有些沿间隙继续上升而排入空气，有些被1#型芯吸收；另一部分水蒸汽则在间隙内遇上温度很低且无排气孔（为防止浇注时金属液从1#型芯的间隙跑火，组芯铁平板通常不设置排气孔）的铁平板而凝结成水，沉积在铁平板上。浇注时，砂型温度升高，砂型中的水分汽化；当金属液到达水斗时，在热辐射的高温作用下，铁平板上凝结的水分也被汽化。1#型芯间隙内的水蒸汽无畅通的排气通道，水蒸汽压力会迅速增大，当压力大于金属液静压与其表面张力之和时，水蒸汽就侵入钢液，而形成气孔。
2.3 气孔的预防
从上面的整铸转轮气孔产生的原因分析可知，防止气孔的对策就是使1#型芯间隙内的水蒸汽压力始终小于金属液静压与其表面张力之和。为达到这一目的，可采取以下方案：
使砂型完全干燥（包括1#型芯外圆的填砂和1#型芯与2#型芯之间的填砂），降低砂型中和沉积在铁平板上的水分。为此，可采取下述组芯合箱方案：制作1#、2#（3#、4#）型芯->一次进炉烘烤->涂刷涂料->组合1#、2#型芯并用型砂填实其间隙->1#型芯外套砂箱并用型砂填实（可仅填其总高度的1／2）->二次进炉烘烤->（出炉后组合3#、4#型芯）->合箱->浇注。该方法经生产实践，有效地防止了整铸转轮产生气孔缺陷。
3 冷隔产生的原因及预防
3.1 冷隔的特征
冷隔也是整铸转轮最常发生的又1种铸造缺陷，准确地讲，这种缺陷应为氧化膜夹渣缺陷。该缺陷主要发生在轮盘厚度范围内的水斗上，轻则在水斗表面留下纹路，重则贯穿水斗壁厚，越靠外圆，缺陷越严重，其纹路均为水平方向（按浇注位置而言），而且每个水斗上都有多条相互平行的冷隔缺陷。
3.2 冷隔产生的主要原因
按原工艺方案组合好型芯后，即使用天然气进行烘烤预热，由于水斗壁薄，水斗型腔空间小、型腔内氧气少，天然气无法持续燃烧，对水斗型腔根本无法预热。因而，型腔内水斗部分的砂型在浇注时温度较低。
由于整铸转轮类似于水平浇注的平板铸件，受生产条件的限制，轮盘厚度范围内的金属液面上升速度很慢，加之钢液易氧化，使金属液面存在严重的氧化现象。当金属液表面温度低于氧化物成膜温度时，液面就形成氧化膜。
金属液充填铸型时，金属液由整铸转轮盘向水斗的流动过程中，其温度会随之下降，当金属液进入水斗时又被1#型芯分割，犹如进入毛细管中，而且钢液与砂型接触面增大（在轮盘时仅底面与砂型接触，进入水斗后两侧面也与砂型接触），钢液温度下降更快，水斗内的金属液表面温度远远低于轮盘内的金属液表面温度，使水斗内的金属液表面张力远大于轮盘内的金属液表面张力。随着金属液面的上升，水斗内的金属液表面温度继续下降，氧化膜的表面张力也越来越大，当金属液的流动压力头不能克服水斗内的金属液氧化膜的表面张力而使金属液面继续上升时，表面氧化膜张力大于金属液水平流动压力头的部分液面就停止上升，而其余部分液面却继续上升，从而形成阶梯形液面，当阶梯达到一定高度时，金属液的压力就大于阶梯前沿氧化膜的表面张力，氧化膜破裂，上升的金属液面漫过停止上升的金属液面，两层液面间被氧化膜隔开，当上层液面温度较高时，会使氧化膜的张力变小而破裂，下层金属液面与上层熔合，而形成深度较浅的氧化膜夹渣纹路或根本看不到纹路，不能熔合时就形成穿透性氧化膜夹渣缺陷，即冷隔缺陷。新进入水斗型腔内的金属液又重复上述过程而形成另1条冷隔缺陷。若砂型干燥不良，产生大量氧化性气体而使金属液面氧化更加严重，并使水斗型腔内压力增高，也会加剧冷隔缺陷的产生。
3.3 冷隔的预防
减轻金属液面氧化程度，使金属液面不形成氧化膜或使氧化膜的表面张力小于金属液水平流动压力，保持金属液面具有足够高的温度，能有效地防止冷隔缺陷。
3.3.1 减轻金属液面氧化程度是减少砂型型腔内氧化性气体（如水蒸汽）。
3.3.2 保持金属液面具有较高的温度，其措施是提高砂型温度。提高砂型温度和降低砂型型内氧化性气体（如水蒸汽）量是防止冷隔缺陷的有效措施。只要控制好砂型二次进炉烘烤后的出炉时间，即可控制浇注时砂型的温度。在其他工艺条件不变的情况下，该方案经过生产实践表明，不仅防止了气孔缺陷，而且也防止了冷隔缺陷。
7/25/2005
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