CN107626891A - 一种柴油机机身水油管道铸型及水油管道的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机机身水油管道铸型及水油管道的制作方法，包含以下步骤：（a）制作水道水腔联合砂芯，在定位模样内焊接两个L形钢管（1），在两个L形钢管（1）内填充第一耐热涂料涂层（11），并且在两个L形钢管（1）内的空隙中放置柔性排气管（12），柔性排气管（12）中放置有导火索（13），随后在L形钢管（1）中填入锆英粉树脂砂（14），形成水道坭芯组件；（b）将水道坭芯组件置入水腔芯盒中，在其定位处填入呋喃树脂砂（2），柔性排气管（12）由呋喃树脂砂（2）中穿出。本发明通过水管耐热涂层和耐热砂的使用及一定温度和时间的烘烤等设计方法，解决了管内型砂的烧结和在管子内壁形成铁粘砂而无法清理的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备技术领域，特别涉及一种柴油机机身水油管道铸型及水油管道的制作方法。
背景技术
大型柴油机主要用于造船行业作为船舶的主动力，近些年随着核电领域的快速发展，大型柴油机用于核电机组应急发电需求势头强劲，另外，海外市场大型柴油机用于陆地固定发电以及移动发电的需求也正在逐年增强。
大型高韧性柴油机机身铸造技术难度大，对工艺、原材料、设备和人员要求高。一直以来国内外柴油机机身以铸造、焊接两种形式生产，大型柴油机机身焊接多于铸造。铸造机身主要以灰铸铁和球墨铸铁两种材料生产。球墨铸铁经过六十多年的发展，强度、韧性等综合性能有了长足进步，由于其较高的综合性能、日益成熟的制造工艺及与灰铸铁接近的较低成本，使得球墨铸铁替代灰铸铁的趋势近年来愈加明显。而球墨铸铁柴油机机身材料的选择也在经历着由前期的追求较高强度性能材料牌号（如QT500-7）逐渐发展为同时兼具高强度高韧性等综合性能牌号（如QT400-18AL）的演变过程。
随着柴油机的发展，柴油机向着大型化发展的同时，市场对柴油机的稳定性、安全性提出了更高的要求。柴油机的冷却系统和润滑系统是柴油机安全运转的不可或缺的两个保障体系。而柴油机机身的冷却水管、滑油总管是整个柴油机冷却系统、润滑油系统的重要组成部分，直接对整个系统有着重要影响。水管的形状尺寸是否满足要求对冷却水流量有着显著的影响，对柴油机散热效率有着至关重要的影响。主油道的清洁度和截面尺寸对柴油机机身的致密性和滑油系统稳定性和曲轴、凸轮轴正常运行有着直接的影响。水道和油道处理不好柴油机会出现漏水、漏油、漏气的情况，也会出现循环水流量压力不足导致水温过高的情况，还会出现曲轴、凸轮轴等部位异常磨损甚至柴油机拉缸等质量事故，最终影响柴油机的寿命。
漏水、漏油和漏气现象在柴油机行业简称柴油机三漏。三漏问题是柴油机行业难点问题，其绝大多数是由于柴油机机身制造过程中的形成。如何防止柴油机机身产生三漏现象，并保持腔道洁净是柴油机机身的铸造难点。
国内外生产的大型柴油机机身主润滑油道和冷却水管一般是将铁液浇注用砂芯形成油道和水腔的铸型中，铁液凝固后清理残砂成型的。
对于用砂芯形成柴油机机身油道的方案，由于机身油道长达5米有余，砂芯呈现细长杆状，受重力和浮力作用砂芯容易发生挠曲变形的情况，最终会导致油道周围壁厚不均。另外，由于球墨铸铁在凝固时会有石墨化膨胀过程的过程，砂芯中的二氧化硅在凝固过程中也有两次相变的膨胀过程，机身和砂芯的膨胀会使二者因互相作用而出现浸渗现象，导致机身油管内腔表面粘砂，并出现凹凸不平的情况。由于机身油道为细长的腔道，一旦出现粘砂油道内清洁度难以保证，清理打磨干净内部粘砂操作难度较大，经常出现油道因过渡打磨穿透壁厚的情况。
用砂芯铸入形成水管时，由于水管管道内径仅为φ40mm，直径小，砂芯强度和刚度差，浇注时砂芯会出现开裂变形的情况，这时铁水会进入砂芯裂纹部位造成机身本体与砂芯形成铁粘砂，由于冷却水管是内径仅为φ40mm的“L”形的异形管道，内部拐角处一旦出现粘砂，清理干净非常困难，轻则水管内腔尺寸超差影响循环水流量和压力，重则管内无法清通造成机身报废。
由于柴油机机身不同环境下对本体强度和韧性都有较高的要求，尤其是在低温环境（-20℃）下抗拉强度大于400MPa、延伸率大于18%、冲击功大于14J。这样高的低温综合性能国内很少有柴油机制造企业能够达到。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种柴油机机身水油管道铸型及水油管道的制作方法，以解决现有技术中存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种柴油机机身水油管道铸型的制作方法，包含以下步骤：
（a）制作水道水腔联合砂芯，在定位模样内焊接两个L形钢管1，在两个L形钢管1内填充第一耐热涂料涂层11，并且在两个L形钢管1内的空隙中放置柔性排气管12，柔性排气管12中放置有导火索13，随后在L形钢管1中填入锆英粉树脂砂14，形成水道坭芯组件。
（b）将水道坭芯组件置入水腔芯盒中，在其定位处填入呋喃树脂砂2，柔性排气管12由呋喃树脂砂2中穿出；在水道坭芯组件与水腔芯盒中穿入内冷铁21制作成水道水腔联合砂芯组件。
（c）制作油道砂芯，在无缝钢管3内部涂有第二耐热涂料层31，将出气管32贯穿其中，两端用支撑件固定，在无缝钢管3与出气管32之间设有排气管35，其内导火索13；在无缝钢管3内填入呋喃树脂砂2、放入定向激冷材料33制作形成油道砂芯组件，将排气管35由呋喃树脂砂2中穿出，在无缝钢管3内上部填有定向激冷材料33，下部填有呋喃树脂砂2。
（d）油道砂芯组件硬化后，将无缝钢管3放入支撑砂芯上，自由端上部放入水道水腔联合砂芯组件。
将水道水腔联合砂芯与缸孔砂芯4进行组合装配，将水道水腔联合砂芯的两个L形钢管1与缸孔砂芯4贯通连接，在空隙中填充树脂砂，硬化后固定。
（e）在自由端的油道砂芯组件和水道水腔联合砂芯组件上装配自由端上部砂芯5，在输出端的油道砂芯组件上装配输出端上部砂芯6。
（f）用螺丝7和弹簧垫片8将油道砂芯组件中的出气管32固定到砂箱9的支架上，在出气管32端头依次放入黏土砂、退让性材料后，填入呋喃树脂砂2，并将水道坭芯组件中的两个L形钢管1内的柔性排气管12，排气管35引至砂箱9外。
在步骤（a）中，在L形钢管1中填入锆英粉树脂砂14，形成水道坭芯组件，随后将水道坭芯组件在150-170℃的温度下烘烤30-50min。
在步骤（c）中，呋喃树脂砂2的硬化时间为24-48小时，油道砂芯组件硬化后，在150-170℃的温度下烘烤2-3小时。
一种柴油机机身水油管道的浇注方法，包括以下步骤：
（1）将50-80%的生铁、5-15%的废钢，5-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1320-1550℃；
（2）在1380℃-1600℃进行静置5-10分钟， 1370℃-1580℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的0.5-2.0%，一次孕育剂为铁水总量的0.1-0.8%；
（3）出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.1-0.6%；
（4）铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.05-0.3%，浇口杯内铁液温度在1280-1500℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型，同时引燃导火索13，铁液凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
步骤（1）中，将65-75%的生铁，10%的废钢，10-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1420-1450℃。
步骤（2）中，在1480℃-1500℃进行静置5-10分钟， 1470℃-1480℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的1.0-1.3%，一次孕育剂为铁水总量的0.4-0.5%。
步骤（3）中，出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.3-0.4%。
步骤（4）中，铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.1-0.2%，浇口杯内铁液温度在1380-1400℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
一种柴油机机身水油管道的浇注方法，在柴油机机身浇注的应用。
本发明具有以下的优点和有益效果：
1.水管耐热涂层和耐热砂的使用及一定温度和时间的烘烤避免了管内型砂的烧结与管壁形成铁粘砂而无法清理。
2.油道出气管的使用增强了铸管的整体刚度，减少了铸管的挠曲变形。铸管预应力材料的使用避免了铸管浇注时受热膨胀受阻现象，保证了铸管的自由伸缩。铸管外部放置芯撑防止铁液浮力导致的铸管向上变形。定向激冷技术可以避免机身油管周围局部厚大部位因热量集中而出现的管壁熔穿现象。上述措施保证了铸管的位置和尺寸在整个铸造过程中的准确，避免了因油道尺寸偏差引起的壁厚不均而产生的熔合不良和局部过热产生的管壁熔穿的情况，从而防止了后续加工及水试过程中出现的渗漏现象。
3.对机身化学成分、浇注过程的中的温度时间等参数的控制，以及球化处理及多级孕育的设计在满足较高的抗拉强度的情况下提高了球墨铸铁韧性，尤其是冲击韧性，强度和韧性指标均超过标准要求30%，这在国内并不多见。
附图说明
图1是水道坭芯组件的结构示意图；
图2是水道水腔联合砂芯组件的结构示意图；
图3是水道水腔联合砂芯组件A-A方向剖视图；
图4是油道砂芯组件的结构示意图；
图5是油道砂芯组件A向剖视图；
图6是水道水腔联合砂芯与缸孔砂芯连接示意图；
图7是与砂芯装配后本发明的结构示意图；
图8是与砂芯装配后A向的结构示意图；
图9是与砂芯装配后B向的结构示意图；
图10是油道砂芯组件与砂箱连接示意图。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围 。
同时，在本发明的描述中，还需要说明的是除非另有明确的规定和限定，术语“加设”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的一种柴油机机身水油管道铸型的制作方法，包含以下步骤：
（a）如图1所示，制作水道水腔联合砂芯，在定位模样内焊接两个L形钢管1，在两个L形钢管1内填充第一耐热涂料涂层11，并且在两个L形钢管1内的空隙中放置柔性排气管12，柔性排气管12中放置有导火索13，随后在L形钢管1中填入锆英粉树脂砂14，形成水道坭芯组件。
（b）如图2、3所示，将水道坭芯组件置入水腔芯盒中，在其定位处填入呋喃树脂砂2，柔性排气管12由呋喃树脂砂2中穿出；在水道坭芯组件于水腔芯盒中穿入内冷铁21制作成水道水腔联合砂芯组件。
（c）如图4、5所示，制作油道砂芯，在无缝钢管3内部涂有第二耐热涂料层31，将出气管32贯穿其中，两端用支撑件固定，在无缝钢管3与出气管32之间设有排气管35，其内导火索13；在无缝钢管3内填入呋喃树脂砂2、放入定向激冷材料33制作形成油道砂芯组件，将排气管35由呋喃树脂砂2中穿出，在无缝钢管3内上部填有定向激冷材料33，下部填有呋喃树脂砂2。
（d）油道砂芯组件硬化后，将无缝钢管3放入支撑砂芯上，自由端上部放入水道水腔联合砂芯组件。
如图6所示，将水道水腔联合砂芯与缸孔砂芯4进行组合装配，将水道水腔联合砂芯的两个L形钢管1与缸孔砂芯4贯通连接，在空隙中填充树脂砂，硬化后固定。
（e）如图7、8、9所示，在自由端的油道砂芯组件和水道水腔联合砂芯组件上装配自由端上部砂芯5，在输出端的油道砂芯组件上装配输出端上部砂芯6。
（f）如图10所示，用螺丝7和弹簧垫片8将油道砂芯组件中的出气管32固定到砂箱9的支架上，在出气管32端头依次放入黏土砂、退让性材料后，填入呋喃树脂砂2，并将水道坭芯组件中的两个L形钢管1内的柔性排气管12，排气管35引至砂箱9外。
在步骤（a）中，在L形钢管1中填入锆英粉树脂砂14，形成水道坭芯组件，随后将水道坭芯组件在150-170℃的温度下烘烤30-50min。
在步骤（c）中，呋喃树脂砂2的硬化时间为24-48小时，油道砂芯组件硬化后，在150-170℃的温度下烘烤2-3小时。
为防止柴油机水管内气体在高温下膨胀产生较高的压力造成的管壁穿皮或局部变形的影响，本发明在水道水腔联合砂芯组件中设计了柔性排气管12、油道砂芯组件中设计了排气管35，装配完成后须将预留的柔性排气管12、排气管35引出至铸型外，浇注时及时引燃其中的导火索13。
一种柴油机机身水油管道的铸造方法，包括以下步骤：
（1）将50-80%的生铁、5-15%的废钢，5-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1320-1550℃；
（2）在1380℃-1600℃进行静置5-10分钟， 1370℃-1580℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的0.5-2.0%，一次孕育剂为铁水总量的0.1-0.8%；
（3）出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.1-0.6%；
（4）铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.05-0.3%，浇口杯内铁液温度在1280-1500℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型，同时引燃导火索13，铁液凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
步骤（1）中，将65-75%的生铁，10%的废钢，10-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1420-1450℃。
步骤（2）中，在1480℃-1500℃进行静置5-10分钟， 1470℃-1480℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的1.0-1.3%，一次孕育剂为铁水总量的0.4-0.5%。
步骤（3）中，出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.3-0.4%。
步骤（4）中，铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.1-0.2%，浇口杯内铁液温度在1380-1400℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
本浇注方法也可以应用于浇注柴油机机身。
本方法浇注是在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，在堤坝式球化包内采用三明治式装包方法，从底向上依次为球化剂层、孕育剂层、增碳剂、铁屑层、钢板。其中铁屑层厚度20-25mm，钢板厚度12-15mm。
本方法中的球化剂为ADLLOY7RE型稀土镁合金球化剂，粒度为8-20毫米；
本方法中的一、二次孕育剂为75SiFe和Incollin390混合物，比例各半，粒度分别为3-8毫米和15-35毫米，一次孕育剂装在球化处理包内，二次孕育剂是出铁水2/3时进行随流孕育使用的。三次孕育剂为Incollin380，粒度0.5-1.5毫米，是浇注时放在浇口杯内进行瞬时孕育的。
本方法的铁水浇注采用上下两个独立的浇注系统，铁水在铸型中的液面上升速度为18.1mm/s，浇注时间105-140秒。
本方法通过铸件型内退火的方式消除应力。铸件在浇注完后1-3分钟内在铸型上面的每个冒口部位放置2-3个发热剂，以延长上部铁液温度，便于渣气的排出。在浇注10-12小时松掉锁紧螺栓，在浇注24-30小时后去掉盖箱，在浇注后48-60小时去掉圈箱，浇注后120-140小时后将机身冒口朝下放置在落砂上进行小振幅震动20-30分钟，振幅控制在10-15mm，然后高振幅震动10-15分钟，振幅控制在20-30mm，最后再小振幅震动40-50分钟，振幅控制在10-15mm。
本发明中的退让性材料为石棉、石棉绳，激冷材料为铸铁及石墨冷铁。
实验效果
实验所用的材料牌号为QT400-18AL的球墨铸铁，熔炼配料控制见表1。发明实例中熔炼过程中的主要化学成分控制见表2。发明实例中浇注温度、时间等参数控制见表3。
通过检测结果与本发明主要考核指标的标准参数对比可知：以上不同成分的QT400-18AL均达到该型柴油机机身使用性能指标要求。同时，发明铸造的机身经1.0MPa，30分钟的水压试验主油道未出现渗漏的情况，经过水道流量测定该机身水流量满足要求，试车检测显示柴油机水温符合要求，油道压力也满足0.25MPa的要求。因此，该柴油机机身采用多级联合组芯铸造水道和主油道及熔炼和浇注的工艺时可行的。
表1：熔炼配料控制
表2：熔炼化学成分
| C | Si | Mn | P | S |
| 3.60-3.95 | 1.0-1.6 | 0.1-0.4 | ≤0.05 | ≤0.013 |
| Cu | Ni | Cr | Mo | Ti |
| ＜0.1 | ＜0.1 | ＜0.05 | ＜0.05 | ≤0.015 |
表3：浇注参数控制
最后应说明的是：以上所述的实验方法仅用于说明本发明的技术方案效果，而非对其限制。
Claims (9)
1.一种柴油机机身水油管道铸型的制作方法，其特征在于包含以下步骤：
（a）制作水道水腔联合砂芯，在定位模样内焊接两个L形钢管（1），在两个L形钢管（1）内填充第一耐热涂料涂层（11），并且在两个L形钢管（1）内的空隙中放置柔性排气管（12），柔性排气管（12）中放置有导火索（13），随后在L形钢管（1）中填入锆英粉树脂砂（14），形成水道坭芯组件；
（b）将水道坭芯组件置入水腔芯盒中，在其定位处填入呋喃树脂砂（2），柔性排气管（12）由呋喃树脂砂（2）中穿出；在水道坭芯组件与水腔芯盒中穿入内冷铁（21）制作成水道水腔联合砂芯组件；
（c）制作油道砂芯，在无缝钢管（3）内部涂有第二耐热涂料层（31），将出气管（32）贯穿其中，两端用支撑件固定，在无缝钢管（3）与出气管（32）之间设有排气管（35），其内导火索（13）；在无缝钢管（3）内填入呋喃树脂砂（2）、放入定向激冷材料（33）制作形成油道砂芯组件，将排气管（35）由呋喃树脂砂（2）中穿出，在无缝钢管（3）内上部填有定向激冷材料（33），下部填有呋喃树脂砂（2）；
（d）油道砂芯组件硬化后，将无缝钢管（3）放入支撑砂芯上，自由端上部放入水道水腔联合砂芯组件；
将水道水腔联合砂芯与缸孔砂芯（4）进行组合装配，将水道水腔联合砂芯的两个L形钢管（1）与缸孔砂芯（4）贯通连接，在空隙中填充树脂砂，硬化后固定；
（e）在自由端的油道砂芯组件和水道水腔联合砂芯组件上装配自由端上部砂芯（5），在输出端的油道砂芯组件上装配输出端上部砂芯（6）；
（f）用螺丝（7）和弹簧垫片（8）将油道砂芯组件中的出气管（32）固定到砂箱（9）的支架上，在出气管（32）端头依次放入黏土砂、退让性材料后，填入呋喃树脂砂（2），并将水道坭芯组件中的两个L形钢管（1）内的柔性排气管（12），排气管（35）引至砂箱（9）外。
2.如权利要求1所述的一种柴油机机身水油管道铸型的制作方法，其特征在于：在步骤（a）中，在L形钢管（1）中填入锆英粉树脂砂（14），形成水道坭芯组件，随后将水道坭芯组件在150-170℃的温度下烘烤30-50min。
3.如权利要求1所述的一种柴油机机身水油管道铸型的制作方法，其特征在于：在步骤（c）中，呋喃树脂砂（2）的硬化时间为24-48小时，油道砂芯组件硬化后，在150-170℃的温度下烘烤2-3小时。
4.一种柴油机机身水油管道的铸造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将50-80%的生铁、5-15%的废钢，5-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1320-1550℃；
（2）在1380℃-1600℃进行静置5-10分钟， 1370℃-1580℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的0.5-2.0%，一次孕育剂为铁水总量的0.1-0.8%；
（3）出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.1-0.6%；
（4）铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.05-0.3%，浇口杯内铁液温度在1280-1500℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型，同时引燃导火索（13），铁液凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
5.如权利要求4所述的一种柴油机机身水油管道的铸造方法，其特征在于：步骤（1）中，将65-75%的生铁，10%的废钢，10-25%的回炉料在中频炉内进行熔炼，将温度升至1420-1450℃。
6.如权利要求4所述的一种柴油机机身水油管道的铸造方法，其特征在于：步骤（2）中，在1480℃-1500℃进行静置5-10分钟， 1470℃-1480℃在堤坝式球化包内进行球化处理和首次孕育，球化剂控制在铁水重量的1.0-1.3%，一次孕育剂为铁水总量的0.4-0.5%。
7.如权利要求4所述的一种柴油机机身水油管道的铸造方法，其特征在于：步骤（3）中，出铁水2/3时进行时随流二次孕育，二次孕育剂量为铁水总量的0.3-0.4%。
8.如权利要求4所述的一种柴油机机身水油管道的铸造方法，其特征在于：步骤（4）中，铁水倒入放有瞬时孕育剂的浇口杯中进行第三次孕育，瞬时孕育剂量为铁水量的0.1-0.2%，浇口杯内铁液温度在1380-1400℃时启动铁液控制闸门，铁液进入铸型凝固后形成柴油机机身异形冷却水管道、柴油机机身细长主油道孔。
9.如权利要求4所述的方法，在柴油机机身浇注的应用。
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