往复式压缩机用气缸体工艺设计与生产实践

李隆基

（开封空分集团有限公司，河南　开封　475000）

往复式压缩机用气缸体工艺设计与生产实践

李隆基

（开封空分集团有限公司，河南开封475000）

通过对气缸体铸件的结构分析，针对其结构复杂、热节点多、造型操作复杂等问题，确定气缸体的铸造工艺、熔炼工艺，探索气缸体类铸件球墨铸铁化的生产经验。

往复式压缩机；气缸体；铸造工艺；熔炼工艺

往复式压缩机主要用于化工、空分设备的氧气、氮气、天然气等气体的压缩。而气缸体是往复式压缩机的主要工作腔，想提高往复式压缩机工作压力，必须提升气缸体的性能。但传统的灰铸铁气缸体，结构复杂，灰铸铁在流动性等方面的制约，性能提升有限，在此以球墨铸铁代替传统的灰铸铁则可以继续提升往复式压缩机的工作压力。

根据铸件结构工艺性及技术要求，对灰铸铁气缸体的工艺加以改进，通过铸造工艺参数的选取，熔炼工艺参数的确定等，对气缸体的铸造工艺、熔炼工艺进行了探索性研究和针对性实践，取得了良好的效果，为气缸体类铸件球墨铸铁化积累了大量经验。

1　技术条件及结构工艺性

1.1主要技术要求

气缸体铸件牌号要求QT450-10；外形轮廓尺寸为1 743mm×1 460mm×1 180mm，结构左右基本对称，毛坯重5 000kg；主要工作面缸径摩擦面不得有任何铸造缺陷，壁厚25～60mm；工作面要求硬度160-210HB；铸件按照JB/ T 9104-2013容积式压缩机用球墨铸铁件技术条件进行验收。

1.2铸造工艺性分析

气缸体有以下特点：一是结构复杂，内腔不规整，腔体较多，砂芯较多，造型时以组芯造型为主；二是水道腔体与外界只有12个100～150mm的出砂孔相连，可以用作砂芯固定的孔只有6个，且在两侧，不足以承担整个水道芯的重量，水道腔砂芯最小壁厚30mm，且结构复杂；三是产品工作压力高，对整个铸件的密封性要求高，试压压力符合设计要求；四是铸件主要工作面缸径摩擦面不得有任何铸造缺陷。这4个特点给铸造工艺设计与生产组织带来了以下4个方面的难题。一是内腔死角及内壁相近的部分经常粘砂。水道芯工艺孔少，部分地方较薄，清理难，甚至有的地方工具无法到达，造成水道不通，零件工作时热量不能及时排出。二是水道芯开裂、变形、壁厚不均。水道芯一侧重一侧轻，起吊、组芯时容易从中间薄弱处开裂，芯骨强度不足，造成变形、壁厚不均等，会造成报废。三是铸件易出现铸造缺陷。水道、气道等连接处，后座、各类孔洞接口处因加螺纹孔而增加的凸台等处容易出现缩孔，铸件上表面易出现夹渣，排气不畅引起的气孔缺陷等。四是铸态条件下必须满足设计要求的机械性能和工作面的硬度要求。受公司生产条件制约，无法进行正火处理，因此必须在铸态条件下达到设计要求的性能要求。

这些都是气缸体铸件生产难点所在，必须在工艺设计时先予以考虑，在铸件生产过程中加强控制。

2　铸造工艺方案的确定

2.1浇注位置及分型面的确定

浇注位置是铸造工艺设计的重要环节，关系到铸件内在质量及尺寸精度。在综合分析了气缸体铸件的左右基本对称结构，灰铸铁气缸体生产实际情况，选取平做立浇的工艺方案。

2.2工艺参数的确定

2.2.1铸造收缩率与反变形量。铸件的铸造收缩率包括自由收缩和受阻收缩，其与铸造合金的种类、铸件结构、浇冒口系统结构、铸型种类等因素有关，结构复杂的大型铸件，其立体三维方向的线收缩率各不相同。气缸体铸件因其外部较为规整的特性，总体收缩率选为0.8%。铸件内部结构复杂，且水道芯、气道芯通过工艺孔固定在砂型上，在实际生产过程中发现气道砂芯固定、水道芯骨等严重阻碍收缩，造成8个气阀孔平面中间较四周高3～4mm，即中间和四周收缩率相差0.5%左右。因此，在此平面内外增加工艺补正量用来弥补加工量不足的情况。

2.2.2分型负数。根据砂箱、模型和灰铸铁气缸体的生产实际，分型负数选定为3mm。

2.3砂芯设计

2.3.1水道芯的定位及固定。气缸体水道芯因分型面的确定分为左右两个，基本对称，在长度方向上两侧出砂孔定位及固定，造型时需要随形专用芯骨，芯骨随砂芯从两侧出砂孔伸出，用专用工装穿过砂型固定在砂箱外侧，防止砂芯漂移。

2.3.2气道芯的固定。气道芯由图1中左前侧气孔及右前侧8个阀门孔定位，用专用工装通过阀门孔与气孔固定在砂箱外侧。

2.3.3排气系统设计。气缸体的排气系统在腔内根据腔体的结构形成5个排气回路。水道芯因工艺孔较小且数量较少，采用专用气绳固定在随形芯骨上，随同专用工装通到砂箱外。气道芯连接缸径芯有8个类似牛角的小芯，这8个单独的小芯通过气绳与气道芯相连。

2.3.4粘砂的解决。水道芯最薄的部分厚度只有30mm，且内部砂芯结构复杂，圆角或过渡部分较多，在刷涂料时先在易过热、粘砂的地方刷一层锆英粉涂料，之后再涂一层鱼鳞片石墨涂料可基本解决粘砂问题。

2.4浇注系统设计

分析铸件结构、分型面、浇注系统的选择及重要工作面，选取半封闭式底注浇注系统，设φ80mm直浇道，浇注系统截面积比例关系按照∑Ag∶∑Acu∶∑As=1.0∶2.0∶1.3选取。气缸体主要工作面为缸径面，要求缸径镜面性能均匀，不得出现铸造缺陷。因此，在设计内浇道时，采用类似于底雨淋式的内浇口设置方案，此方案可以让充型平稳，熔渣不易粘附在缸径侧壁上，可有效防止夹渣、气孔等铸造缺陷。

2.5补缩系统及激冷系统的设计

气缸体结构较为复杂，腔体较多，壁厚集中在25～40mm，因腔内相交致使热节点较多。考虑采用顶明冒口与冷铁相结合的方式，尽力使其同时凝固，解决铸件的缩孔、缩松问题。同时，将气缸体铸件最厚的平面放置在上方，予以冒口补缩。气缸体与机身体相连接处厚度达60mm、宽度100mm的环状1 500mm×1 100mm的法兰面。根据热节大小，选取DR=φ120mm的顶明冒口8个。壁厚相交处、各类孔洞凸台放置外冷铁，增强补缩效果。

2.6熔炼工艺参数的确定

2.6.1化学成分的选定。选择适当的化学成分是保证铸件获得良好的组织状态和高性能的基本条件，化学成分的选择既要有利于石墨的球化和获得满意的基体，以期获得所要求的性能，又要逐渐有较好的铸造性能［1］。气缸体铸件结构复杂，壁厚较厚，为减少夹渣、石墨漂浮等铸造缺陷，又要保证足够的流动性，不使其形成缩松与裂纹，同时查阅相关文献，选取碳当量为4.3%左右较为适宜。QT450-10为铁素体球墨铸铁，根据硅在球墨铸铁中细化晶粒的作用，控制碳硅含量为碳3.2%～3.6%、硅2.2%～2.4%。因受生产条件制约，需在铸态条件下达到技术要求的机械性能，经过实验对比，在炉前加入铜来提升抗拉强度及硬度，加入量为0.2%时，完全可以得到合格铸件。

2.6.2孕育处理。铸件要求机械性能稳定，组织致密，为获得合格铸件，在浇注前对铁水进行多次孕育。经实践验证，出炉时随流孕育加浇注时浮硅孕育效果最佳，得到的球化率可达到2～3级，石墨颗粒最小。适宜的化学成分及良好的孕育效果，生产出来的铸件抗拉强度稳定在500MPa以上，延伸率12%以上，缸径表面硬度稳定在180HB左右，完全符合机械性能要求。

3　结语

往复式压缩机用球墨铸铁气缸体铸件在浇注时铁液平稳，无呛火现象。经生产加工验证，铸件组织致密，重要工作面无任何铸造缺陷。产品几何形状尺寸、外观表面质量等符合JB/T 9104-2013容积式压缩机用球墨铸铁件技术条件。通过该铸件的成功生产，探索出气缸体类铸件球墨铸铁化的工艺参数及经验数据，为以后其他型号的气缸体生产打下了坚实基础。

［1］陆文华.铸造合金极其熔炼［M］.北京：机械工业出版社，2010.

Process Design and Production Practice of Cylinder Block for Reciprocating Compressor

Li Longji
（Kaifeng Air Separation Group Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Through the structure of cylinder block casting analysis，in view of the complex structure，the hot node，the complex shape operation and so on，the casting process and the smelting process of the cylinder block were determined，to explore the cylinder body casting of nodular cast iron production experience.

reciprocating compressor；cylinder block；casting process；smelting process

TH45

A

1003-5168（2016）07-0065-02

2016-06-13

李隆基（1988-），男，本科，助理工程师，研究方向：铸造工艺设计与铸铁熔炼工艺制定。