汽缸铸件汽封室内腔质量改进工艺攻关

邢文滨

            太原重工股份有限公司铸锻件分公司  山西 太原  030024

摘要：火电设备汽缸铸件汽封室结构比较复杂，在汽缸铸件生产时经常出现砂芯破损、内腔粘砂、尺寸精度超差等问题，严重降低铸件成品合格率。根据汽缸铸件现场生产工况，本文对汽封室内腔成型全过程的铸造工艺进行专项优化研究；根据不同规格的汽缸汽封孔进行差异化编制铸造工艺方案，通过优化芯头结构、更换适配型砂材质、制定标准化作业工序等方式对原有的汽缸铸造工艺方案进行系统的升级，有效解决了汽封室造型过程及最终产品成型一系列质量问题。

关键词：汽缸铸件；汽封室；汽缸铸造工艺

引言

在火电装备市场化产能扩张的行业背景之下，汽缸铸件属于机组重要高温承压部件，其产品定制规格不断增多，汽封室内腔造型工艺的完善程度直接影响到铸件之后的精整打磨和加工装配情况。原有传统造型工艺通用性不足，难以匹配多规格汽缸差异化汽封室结构设计，汽封室内腔空间狭小导致造型、下芯、尺寸定位、清砂等多工序出现质量隐患，依靠事后返修的处置模式不但延长了产品生产周期，而且容易在缺陷处理阶段损伤铸件本体，导致产品成本增加，效益降低。

汽封室：火电汽轮机汽缸本体铸造成型、用于装配轴端汽封环/汽封套的环形中空腔室结构，俗称汽封腔，统一规范名称为汽封室。高、中压内外缸两端主轴穿出位置铸出环形凹槽空腔，用于容纳多级迷宫汽封组件，分隔不同压力区段蒸汽，形成梯度降压密封空间，是汽缸承压铸钢件的核心异型型腔部位。汽封室整体内腔空间狭小、呈环形异形结构，腔体深度大、内部封闭性强，浇注后清砂、尺寸检测、缺陷修复作业空间极度受限[1]。

汽封孔：汽缸汽封室汽封孔，是高/中压铸钢汽缸两端汽封室腔体壁一体铸出、贯通缸体内外壁的通孔，分为均压连通孔、漏汽引出孔、供汽孔三类，是连通汽封室多级压力腔、疏导轴封漏汽、引入密封蒸汽的流体通道，属于汽缸承压铸件关键型腔开孔结构。汽封孔孔径小、孔道长、分布于汽封室复杂环形型腔侧壁，传统造型工艺难以精准成型，易出现堵孔、偏芯、尺寸超差、壁厚不均缺陷，是造型适配难度较高的异型结构。是本次工艺优化的核心内容。

1 汽缸铸件汽封室内腔造型质量改进工艺攻关难点

1.1 狭小内腔空间带来砂芯成型与固定管控短板

汽封室所在铸件内腔空间局促狭窄，内部异形孔位排布偏心偏移严重，常规造型工艺下砂芯缺少足够的放置和固定空间，造成砂芯定位精度难以保证，甚至不能实现有效的支撑和对齐。汽封室砂芯由于汽封孔结构尺寸在造型下芯过程中存在损坏现象，且在浇注过程中极易发生偏移破损，在狭小腔体中，钢液流动速度变化加剧了冲击力的不均匀分布，进一步放大了砂芯失稳的风险，砂芯局部断裂或者整体位移都会直接破坏汽封孔的几何形状。传统砂芯用料的耐火性能和溃散性能不能同时满足狭小腔体的使用要求，耐火材料高温强度高但是溃散性差，容易造成清砂困难；而溃散性好的材料耐火性能差，在高温钢水冲刷下容易过早软化变形，不能保持腔体尺寸的稳定性。高温钢水冲刷内腔壁面时，砂料表层容易发生熔融烧结，粘附在汽封孔内壁上形成粘砂层，粘砂层结构致密，与铸件本体结合牢固，不易去除。密闭的内腔环境大大提高了后续清砂作业的难度，特别是采用火焰清除汽封孔烧结粘砂时，很难精准控制，清理过程中割伤铸件本体的情况时有发生，造成汽封孔表面平整度变差、尺寸超差，形状严重不符合图纸要求。

1.2 多规格汽缸差异化结构带来通用造型工艺应用瓶颈

不同型号汽缸的汽封孔宽窄尺寸差别很大，从10mm到100mm宽窄不等，单一固定化造型工艺不能满足汽封室汽封孔成型质量的要求，工艺参数和产品结构限制了砂芯设计适应性调整的空间。如果统一沿用原来的芯砂和芯头的设计标准，较窄汽封孔就会出现砂型强度不够、砂芯易损的问题，同时出现汽封孔烧结的现象（如图1所示）；以往缺少对产品规格进行区分化，采用通用化的工艺设计思路，造成汽封室内腔成型质量随着产品型号的变化而出现较大的波动，同样的工艺参数下，较窄汽封孔必然烧结，较宽汽封孔产品30%以上会烧结，粘砂严重，给后续清理工作增加难度，返工和返修的成本也大大增加。要实现批量稳定生产，就必须打破固有的通用工艺框架，根据结构的不同进行分方向攻关，从原材料、铸造工艺方案上另辟蹊径^[2]。

图１：汽封孔烧结的现象　　　　　　　

2 汽缸铸件汽封室内腔造型质量改进工艺攻关

2.1 依据汽封孔尺寸分类制定差异化制芯方案

针对汽封孔较小的汽缸汽封室结构，采用汽封孔铸死的成型方法来改善产品质量，同时配套使用高强度金属材质的铁芯头进行精准定位和固定。利用金属芯头本身的结构刚度来抵抗浇筑时高温钢液的动态冲击，在下芯环节就锁定砂芯的摆放姿态和位置，从根本上杜绝了由于狭小汽封孔铸死，导致一侧缺少芯头定位的矛盾，杜绝了砂芯出现错位、偏移造成的铸件尺寸超差问题^[3]，对于铸死的狭小汽封孔，在后续加工时加工出即可，充分的保障了汽封孔的尺寸及位置。针对汽封室汽封孔较宽的产品结构，保留汽封孔整体成型的工艺设计理念，从砂芯原材料选择方面进行针对性的调整和优化。根据汽缸不同的汽封孔尺寸结构特点，实施两种定制化的内腔造型方案，设计出对应产品的铸造工艺，达到结构适应性、工艺可行性和质量稳定性三者统一的目的。

2.2 优化内腔砂芯用砂破解烧结粘砂铸造缺陷

针对大孔径汽封室砂芯易烧结、清砂困难的问题，进行专项研究。经过系统分析和试验后确定，将原来的常规铬矿砂用料体系替换为汽封孔关键区域使用更加优良的锆砂作为制芯主要材料。利用锆砂具有高耐火度、低热膨胀系数、优良高温溃散性等特点，提高砂芯对高温钢液长时间冲刷、热侵蚀的抵抗能力，大大减少型砂高温时熔融、粘附到铸件内腔壁面的现象发生。铸件保温到室温之后，砂芯因为温度的变化产生收缩应力，从而自行碎裂、松散，方便脱落，大大降低了密闭复杂内腔结构上依靠人工清理的工作量和难度（如图2所示）。本次用料替换策略主要针对汽封室汽封孔关键部位进行，其余芯体部位仍然采用原来的铬矿砂，在有效解决粘砂缺陷、改善内腔表面质量的同时，合理控制原辅材料成本投入，科学协调工艺优化效果和生产成本控制之间的关系，达到质量提高和经济效益双丰收的目的。

图2汽封孔使用锆砂后效果示意图

2.3 铁芯头配套工艺落地确保内腔造型尺寸精准管控能力

将金属铁芯头配套使用纳入汽封室内腔标准化造型工序，在模型预制阶段提前完成铁芯头与芯盒、外模的配套校核，造型下芯环节利用铁芯头实体结构实现砂芯定点限位，打破过去全靠型砂卡位固定砂芯的老式模式，杜绝浇筑震动、钢液冲击造成的砂芯位移。同步在模型制作阶段规范芯子拔模斜度、工艺补正余量的布置标准，从模型源头统一内腔成型基准，全方位缩小汽封室成型尺寸误差，保证铸件内腔几何参数符合图纸设计规范。

2.4 梳理全工序内容构建标准化内腔造型工艺文件

汇总攻关阶段各类试生产实操数据和工艺调试经验，整合模型制备、造型配砂、合箱烘烤、钢水浇注、铸件清理全过程的操作细节，编制《汽缸类产品工艺编制指南》文件，细化砂芯用砂、冷铁铺设、水口布置、型腔预处理等细分操作要求，明确各个工序的环境控制及工艺执行标准。标准化工艺文件落地之后可以直接应用于后续新产品投产的指导中，使汽封室内腔造型工艺成果得到固化，减少由于人为主观操作造成的品质波动，保证多批次汽缸铸件稳定落地生产。

结束语

围绕汽缸铸件汽封室内腔造型展开的工艺攻关工作，从产品实际结构痛点出发落地分层式工艺改良措施，依靠分规格制定工艺方案、替换特种芯砂、铁芯头定位、固化工艺规程四项主要改进途径，很好地解决了内腔砂芯破损、汽封孔烧结粘砂、尺寸失控等长期制约生产的质量问题。经过攻关优化后的汽封室内腔造型工艺，既满足了目前多款主力汽缸铸件的量产需求，又形成了可以复制推广的标准化铸造控制思路。

参考文献

[1]郭义, 刘典伟, 张佩娟, 高开向, 禚云波. 汽缸采用一体蒸汽室结构对刚度和法兰密封的影响分析[J]. 发电设备, 2025, 39 (04): 234-237.

[2]李友志, 李峰, 董博, 李刚, 邱化海, 孙奉仲, 何柯霆. 300MW机组低压缸零出力运行汽缸温度与应力分析[J]. 中国机械, 2025, (17): 68-71.

[3]马斌, 李永新, 冯周荣, 郭小强, 苏志东, 李彩虹, 王新军. CAP1400示范工程核电站配套超大型高压外缸铸件铸造工艺研发[J]. 中国铸造装备与技术, 2023, 58 (01): 85-90.

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