Отливки спиральных камер

Спиральные камеры — это не просто металлические корпуса, а сложные гидродинамические системы, где каждый миллиметр кривизны влияет на КПД. Многие ошибочно считают, что главное здесь — точное соответствие чертежу, но на деле даже идеальная геометрия не спасёт, если не учесть усадку чугуна при кристаллизации. В АО Шаньси Боин Литье мы через это прошли — в начале 2000-х партия отливок для турбин прошла приёмку по размерам, но на стенде дала вибрацию из-за внутренних напряжений. Тогда и пришлось пересмотреть всю технологию формования.

Материалы: почему ЧШГ не всегда панацея

Серый чугун СЧ20 даёт минимальную усадку, но для спиральных камер с перепадом давлений в 6-8 атм его прочности бывает недостаточно. Перешли на отливки спиральных камер из ВЧШГ — и столкнулись с другой проблемой: при толщине стенки 40 мм в зонах перехода возникали раковины от газовыделения. Методом проб добавили в шихту 12% возврата собственного производства, что снизило содержание водорода. Кстати, на https://www.byzz.ru есть технические отчёты по этой теме — мы их периодически обновляем.

Для малых ГЭС до 5 МВт иногда выгоднее делать камеры из серого чугуна с добавкой меди — это даёт приемлемую коррозионную стойкость без удорожания. Но здесь важно контролировать скорость охлаждения: если снять с формы раньше времени, появятся трещины в рёбрах жёсткости. Однажды пришлось переплавить 3 тонны из-за такой спешки — теперь термопары в формы ставим по умолчанию.

Интересный случай был с заказом из Казахстана: требовались камеры для работы в воде с высоким содержанием сероводорода. Применили чугун ИЧХ28Н2 — но при литье спиральных профилей возникли проблемы с жидкотекучестью. Добавили подогрев литниковой системы до 200°C, что обычно для сталей редкость. Результат показал, что иногда стандартные решения не работают.

Технология формования: где кроются дефекты

Холодно-твердеющие смеси — казалось бы, классика для таких отливок. Но при толщине стенок 25-50 мм в спиральных камерах часто образуются песчаные раковины в зонах обратных кривизн. Перешли на комбинированные формы: наружный контур — ХТС, а сердечник — из жидких самотвердеющих смесей. Это снизило брак на 7%, хотя и увеличило время сборки оснастки.

Самое сложное — расчёт литниковой системы. Для спиральных камер неприменимы стандартные схемы из-за переменного сечения. Мы в АО Шаньси Боин Литье разработали эмпирическую формулу: суммарное сечение питателей должно быть на 18-22% больше, чем у одиночной отливки аналогичной массы. Но это работает только для симметричных спиралей — при асимметрии добавляем дополнительные стояки.

В 2018 году пробовали использовать 3D-печать песчаных форм. Точность геометрии идеальная, но стоимость оказалась неоправданной для серийных заказов. Зато для опытных образцов теперь так делаем — особенно для камер с двойной спиралью, где традиционная оснастка требует 4-5 разъёмов.

Мехаобработка: особенности спирального профиля

Фрезеровка внутренней поверхности — всегда головная боль. Стандартные концевые фрезы оставляют ступенчатость в зонах изменения угла наклона. Пришлось заказывать инструмент с переменным шагом зубьев — дорого, но позволяет сохранить шероховатость Ra 3.2 по всей длине канала.

Контроль геометрии — отдельная история. Калибры здесь бесполезны, только 3D-сканирование. Мы используем портативные сканеры с точностью 0.05 мм, но и они иногда 'слепнут' на глянцевых поверхностях чугунных отливок спиральных камер. Приходится наносить матирующий спрей — мелочь, а без неё замеры идут с погрешностью.

Для крепёжных фланцев часто требуется сверление под углом 12-15 градусов. Сначала делали кондукторы для каждой модели — теперь перешли на универсальные поворотные патроны с ЧПУ. Время обработки сократилось на 40%, правда, пришлось переучивать операторов.

Термообработка: что не пишут в ГОСТ

Отжиг для снятия напряжений — обязателен, но температура 560°C из учебников не всегда оптимальна. Для крупных отливок (свыше 2 тонн) мы используем ступенчатый нагрев: 4 часа при 300°C, потом подъём до 500°C с выдержкой 6 часов. Эмпирически выяснили, что так снижается риск отпускной хрупкости.

Особенность спиральных камер — неравномерность массы металла в разных сечениях. В зоне входного патрубка толщина может быть 60 мм, а в 'языке' спирали — всего 18 мм. При закалке в масле это приводило к короблению. Теперь применяем изотермический отжиг с медленным охлаждением в печи — дефектов стало меньше, хотя цикл удлинился на 30%.

Иногда заказчики требуют нормализацию для повышения твёрдости до 220 HB. Но для отливок спиральных камер это спорно — при динамических нагрузках твёрдый чугун склонен к микротрещинам. Чаще предлагаем легирование никелем (1-1.5%) без термоупрочнения — дороже, но надёжнее.

Контроль качества: от ультразвука до гидроиспытаний

УЗ-дефектоскопия выявляет основные пороки, но для ответственных камер (напор свыше 10 атм) добавляем рентген в зонах изменения сечения. Обнаружили интересную закономерность: 80% дефектов сосредоточены в верхней половине отливки — видимо, связано с направлением кристаллизации.

Гидроиспытания проводим при давлении в 1.8 раза выше рабочего — это отраслевая норма. Но продолжительность выдержки раньше везде была одинаковой (30 минут). После случая с течью в эксплуатации увеличили до 2 часов для камер диаметром свыше 1200 мм — статистика показала, что микротрещины проявляются именно при длительном нагружении.

Для особо точных заказов (например, для насосных станций с частотным регулированием) внедрили контроль гидравлического шума. Собираем стенд с имитацией реальных условий — иногда приходится дорабатывать внутреннюю поверхность шарошкой, если есть акустические резонансы. Такие нюансы обычно в ТУ не прописывают, но для репутации важны.

Экономика производства: скрытые резервы

Себестоимость отливок спиральных камер сильно зависит от организации заливки. Раньше делали 2-3 камеры в смену — оптимизировали маршруты и перешли на групповую заливку 5-6 штук. Это снизило расход электроэнергии на 15% на тонну металла.

Возврат литников и брака — отдельная статья экономии. В АО Шаньси Боин Литье наладили систему сортировки: чугун с высоким содержанием хрома идёт на ответственные отливки, обычный — на товары народного потребления. Кстати, на https://www.byzz.ru в разделе 'Продукция' есть примеры таких решений.

Сроки изготовления часто упираются в оснастку. Для мелкосерийного производства (5-10 штук) перешли на сборные модели из алюминиевых профилей — дорого в изготовлении, но зато переналадка занимает 2 дня вместо 3 недель. Для серий от 50 штук всё равно выгоднее деревянные модели — проверено на практике.