冲击转轮铸造气孔及冷隔缺陷的控制

杨宁，张跃，李志刚，徐兴顺

沈阳铸造研究所有限公司 辽宁沈阳 110022

1 序言

冲击转轮是水力发电机组冲击式水轮机的核心部件[1]，结构由水斗和辐板组成，其中水斗部分壁较薄，一般厚度是5～35mm，水斗部分结构具有表面积大、凝固速度快、排气困难等特点。在铸造工艺上，国内绝大多数厂家均采用在大气条件下熔炼，CO2硬化水玻璃砂型浇注方式。冲击转轮铸件在实际生产中易产生很多缺陷，如气孔、冷隔、夹渣及浇不足等。而气孔和冷隔是冲击转轮铸造中最为常见的缺陷（见图1），也是困扰很多冲击转轮铸造厂家的主要问题。

图1 冲击转轮的主要缺陷

2 原因分析

2.1 气孔产生的原因

铸造低碳马氏体不锈钢是水轮机过流部件的首选材料, 其代表牌号为ASTM CA-6NM(ZG06Cr13Ni4Mo 简称 13-4)[2]。目前，冲击转轮选用不锈钢牌号为Z G06C r13N i4M o、ZG06Cr13Ni5Mo、ZG06Cr16Ni5Mo居多。

不锈钢铸件产生气孔的原因较多，冲击转轮气孔产生原因主要有两个方面。

（1）反应气孔 砂型或砂芯中存在水分，金属与铸型表面处金属液与水蒸汽或CO2相互作用，使铁液生成FeO，将产生下列反应 [FeO]+[C]→ [Fe]+[CO]↑，从而形成皮下气孔[3]。

（2）卷入气孔 在钢液浇注时由于操作不当或措施不力而卷入气体造成气孔。

2.2 冷隔形成的原因

马氏体不锈钢含碳量很低，而含铬量又高，钢液化学活性高，流动性较差，因而钢液极易被氧化。

由于在冲击转轮浇注时，型腔内的金属液面上升速度很慢，浇注速度过于缓慢，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，进而极易造成冷隔缺陷。

3 解决措施

3.1 采取的常规措施

1）尽量减少砂芯、砂型的水分，减少砂芯、砂型的发气量，因此应尽可能多地设置排气孔或排气绳。

2）提高浇注温度，加快浇注速度。

3.2 解决的新思路和效果

利用常规手段无法从根本上解决冲击转轮气孔问题，我们采取如下新思路。

1）采用底注包进行浇注，浇注过程平稳，对气孔的影响较大，不同的浇注速度，水斗大小各异，人工浇注时尽量保证“先慢、后快、再慢”的理想状态。

2）从工艺角度考虑浇包孔、直浇道、横浇道、内浇道的截面积比值，故选用底注包浇注截面积比值按照∑A包∶∑A直∶∑A横∶∑A内＝1∶（1.9～2.1）∶（1.9～2.1）∶（2.0～2.5），保证浇注系统的完全开放。

3）铸型的排气措施：用排气绳排砂芯的气体；用排气孔排型腔的气体。

4）砂型、砂芯的烘烤：水玻璃砂型、砂芯利用烘干炉进行烘烤，烘烤温度为120～140℃，烘烤0.5～1.0h。合箱后再进行烘烤，一定要在刷涂料后多次烘烤，每次烘至没有水气为止。烘烤结束至浇注时间越短越好，建议不要超过4h。

5）根据浇注温度对气孔的影响，提高浇注温度有助于气孔的解决，但温度过高同样会产生粘砂、包砂等其他缺陷，故针对不锈钢的浇注温度选择在（1600±20）℃。对于砂型铸造，温度的提高，有利于消除气孔和冷隔缺陷。

利用新思路铸造冲击转轮铸件，基本解决了铸造冷隔与气孔问题（见图2）。

图2 采用新思路铸造的冲击转轮

4 结束语

1）浇注过程的平稳减少了气孔和冷隔的产生。

2）砂芯的烘烤和型腔的加热有助于减少气孔产生。

3）适当提高浇注温度，有助于避免冷隔和气孔的产生。

4）合适的浇注系统，改变铸型内的钢液温度场，有助于减少气孔和冷隔的产生。