Считается, что вследствие, присущей литым деталям микронеоднородности, они обладают худшими механическими свойствами по сравнению с деталями из деформированной стали. Однако экономические соображения и легкость получения изделий сложной формы обуславливают важную роль литых стальных деталей в современном машиностроении. При производстве крупных стальных отливок необходимо обеспечение их высокого качества, однако из-за сложности процессов, протекающих во время заполнения формы расплавом и дальнейшим его затвердевании, часто приходится делать доводку литейной технологии методом проб и ошибок на реальных отливках.

Развитие современного энергомашиностроения сопровождается усложнением конструкций машин, повышением требований к их надежности и долговечности. Значительно ужесточены требования к качеству литых заготовок, из которых выполняется подавляющее большинство корпусных деталей энергетических машин.

Современное машиностроение включает в себя отрасли: паротурбостроение, газотурбиностроение, гидротурбостроение и компрессоростроение [1].

В энергомашиностроении применяются углеродистые и легированые стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов с различными механическими и физико-химическими свойствами. Область применения стали каждого типа определена условиями работы отливки. Для деталей общего назначения, деталей гидравлических и паровых турбин, работающих при температуре до 400⁰С, суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях не превышает 4.0 % и количество углерода 0.2 %, что связано с требованиями, предъявляемыми к литым корпусным деталям по свариваемости и технологическим свойствам.

Основными представителями сталей , применяемых для корпусных деталей паровых турбин, являются : 12МХЛ для работы при температурах до 500-520⁰С, 20ХМФЛ - до 540⁰С, 15Х1М1ФЛ - до 565⁰С, 15Х11МФБЛ - до 580-600⁰С.

В гидротурбостроении главные детали рабочего колеса турбины - лопасти, ободья, лопатки - выполняются из кавитационностойких марок сталей. В зависимости от условий работы турбины рабочие колеса изготавливаются из сталей различных марок.

Рабочие колеса гидротурбин выполняются из кавитационностойких нержавеющих сталей мартенситного класса 0Х12НДЛ, 00Х12Н3ДЛ, обладающих удовлетворительной свариваемостью. Для поворотно-лопастных гидравлических турбин применяется также кавитационностойкая нержавеющая сталь 20Х13НЛ мартенситного класса.

Нержавеющая кавитационностойкая сталь аустенитно-ферритного класса марки 10Х18Н3Г3Д2Л обладает хорошей свариваемостью и применяется для цельнолитых и сварных конструкций деталей проточной части гидротурбин. Главным требованием, предъявляемым к отливкам деталей паровых турбин, является высокая гидравлическая плотность. Это требование обеспечивается соблюдением принципа направленного затвердевания отливки. Направленное затвердевание может быть обеспечено несколькими методами. Основной метод - осуществление геометрической направленности, т.е. постепенное утолщение стенок отливки при переходе от периферийных зон к прибылям. Этот эффект достигается также направленным изменением теплофизических свойств формы за счет применения наружных холодильников и формовочных смесей с различной теплоаккумулирующей способностью. Использование только этого метода ограничено из-за нестабильности теплофизических свойств формы. Поэтому в каждом технологическом процессе используется сочетание нескольких методов.

В паротурбинных отливках из наружных поверхностей механической обработке подвергаются преимущественно торцы корпусов и патрубков. При вертикальном положении отливок в форме прибыли концентрируются на обрабатываемых поверхностях, что снижает трудоемкость механической обработки и улучшает товарный вид отливок. Кроме того, вертикальное положение создает условия для спокойного и быстрого заполнения формы. В процессе затвердевания отливки все ее части должны быть питаемыми.

Существенным при заполнении форм ответственных отливок паровых турбин является обеспечение определенной скорости подъема уровня металла в форме. В случае медленного подъема поверхность металла, примыкающая к стенкам формы, успевает сформироваться в виде корки, которая впоследствии захлестывается поднимающимся металлом. При контроле поверхности отливок в этих местах обнаруживаются дефекты типа трещин, спаев или просечки металла. Эти дефекты проникают в глубь отливки на 10-15 мм.

Особенно важно поддерживать высокую скорость подъема уровня металла в массивных отливках на переходе от тонких частей к утолщениям, когда резко увеличивается поверхность зеркала металла и подъем замедляется. Для отливок жаропрочных сталей перлитного класса минимально допустимая скорость подъема уровня металла составляет 10 мм/c.

Для компрессорных машин и нагнетателей в зависимости от назначения и условий работы отливки изготавливаются из различных марок сталей. Преимущественное распространение для корпусов нагнетателей, работающих в зонах средней полосы и на юге, получила сталь 25Л. Корпусные детали нагнетателей природного газа, эксплуатируемые в условиях Крайнего Севера, изготавливаются из стали 08ГДНФЛ.

В зависимости от применяемых марок стали отливки подвергаются термообработке или в черном виде, или после предварительной механической обработки (обдирки). Отливки с прибылями и с большими припусками подвергаются термообработке после обдирки, так как в процессе механической обработки возможно увеличение остаточных напряжений, что приводит к короблению в процессе механической обработки или в процессе эксплуатации.

Отливки из стали 25Л по режиму термической обработки разделяют на две группы:

-отливки простой и сложной конфигурации толщиной до 150 мм, не имеющие резких перепадов по сечению, массой до 3.0 т;

-отливки вне зависимости от конфигурации массой от 3.0 до 30.0 т, тонкостенные отливки больших габаритов массой от 3.0 т, склонные к короблению и трещинообразованию (кольца, бандажи, плиты больших размеров, зубчатые венцы).

Таблица 11.1.

Химический состав сталей, применяемых для крупных стальных отливок

в энергомашиностроении

Таблица 11.2.

Механические свойства сталей, применяемых для крупных стальных отливок в энергомашиностроении

Термическая обработка отливок из стали 25Л производится по следующему режим: отжиг при 900-920⁰С, выдержка для отливок 1-й группы 6-8 часов, 2-й группы 9-15 часов, охлаждение в термической печи до 300⁰С, далее - на воздухе.

Несмотря на специальные меры по предупреждению в отливках горячих трещин, сохраняется вероятность условий их образования.

Трещины в отливках корпусов развиваются изнутри и не всегда достигают поверхности. При вырубке трещин, выходящих на поверхность, частично вскрываются также внутренние трещины.

Таблица 11.3.

 Литейные свойства сталей, применяемых для крупных стальных отливок в энергомашиностроении

Это явление обусловлено тем, что трещины, возникают в затвердевшей корке металла в слое, прилежащем к внутренней и наружной поверхностям.

Для работы в условиях низких температур отливки изготавливаются из дисперсионно твердеющей стали 08ГДНФЛ. Эта сталь имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологии. Одной из особенностей этих отливок является повышенная чувствительность к питанию. При недостаточном питании образуется развитая сетка трещин в подприбыльных местах. Эти трещины в массивных термических узлах с затрудненным питанием и усиленным торможением усадки часто обнаруживаются в процессе рубки и заварки дефектов. Поэтому прибыли в отливках из стали 08ГДНФЛ по сравнению с теми же отливками из стали 25Л увеличиваются на 25 % по объему. Опыт производства корпусов по описанной технологии показал, что отливки постоянно имеют большой объем дефектов по земляным засорам вследствие развитых горизонтальных поверхностей, по газовым раковинам и горячим трещинам.

Согласно технологическому процессу отливка занимает вертикальное положение. Это позволило обеспечить прямое питание большинства термических узлов, резко снизить протяженность горизонтальных поверхностей в форме, создать условия для направленного выноса неметаллических включений за пределы лицевой части формы, уменьшить массивность отливки и прибылей. Центровой стержень имеет вид полого стакана, заполненного керамзитом. Прибыли устанавливаются на наиболее массивную часть корпуса. Металл подводится в стенку корпуса. Питатели расположены в три яруса. Диаметры стояков, литникового хода и каждого из питателей – 80 мм. Оба стояка включены в один литниковый ход, соединяющий два ряда питателей.

Для изменения отношения приведенных толщин нижнего фланца и питающей стенки в стержне на всю высоту установлены массивные наружные холодильники. Протяженность каждого холодильника по дуге 200 мм, расстояние между ними 200 мм. Такого же размера холодильники установлены и на узел в стержень.

Для частичного охлаждения теплового узла на переходе верхнего патрубка в корпус и для предупреждения развития трещин на этот узел со стороны стержня устанавливаются наружные холодильники.

Заливка металла ведется из ковша вместимостью 30 т через стопорные стаканчики с расходным отверстием 60 мм.

Крышка корпуса нагнетателя представляет собой тело вращения с прилитыми снизу фигурными тонкими ребрами. Толщина отливки достигает 250мм, толщина ребер 30 - 55 мм. Масса отливки 4900 кг.

Отливка заливается фланцем вверх. На фланец установлены три массивных прибыли. Металл подводится в боковую поверхность прибыли. Металл подводится в боковую поверхность фланца шестью щелевыми питателями размером 200х30мм. Диаметры стояка и литникового хода - 80 мм. Форма заливается из разливочного ковша вместимостью 30 т через стаканчик диаметром 50 мм.

Через основную литниковую систему отливка заполняется до уровня    200 - 250 мм над разъемом формы. Дальнейшее заполнение формы производится через специальную литниковую систему для доливки прибылей, проложенную по верху формы.

Сборная кольцевая камера по конструкции представляет собой сочетание нескольких кольцевых тел, имеющих поверхности типа тора. Толщина тела отливки в подприбыльных частях достигает 110 мм, у нижней кромки - 45 мм. Масса отливки 2530 кг. Для питания отливки предусмотрены четыре верхние прибыли. Металл подводится в форму через две отводные прибыли двумя питателями  диаметром 80 мм. Для подачи металла в верхнюю часть отливки каждая из отводных прибылей соединена с ней каналом сечением 70 х 30 мм. Диаметры стояка и литникового хода 80 мм.

Таблица 11.4.