>660 MW汽輪機(jī)主汽閥殼鑄造工藝設(shè)計(jì)

慕　凱　劉為亮

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618201)

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>660MW汽輪機(jī)主汽閥殼鑄造工藝設(shè)計(jì)

慕凱劉為亮

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618201)

分析了660MW汽輪機(jī)主汽閥殼鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)條件、鑄件制造過程中可能存在的質(zhì)量問題，詳細(xì)介紹了660MW汽輪機(jī)主汽閥殼的鑄造工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制要點(diǎn)。

主汽閥殼；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；工藝設(shè)計(jì)；質(zhì)量控制

1　技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1技術(shù)要求

660MW汽輪機(jī)主汽閥殼是東方汽輪機(jī)有限公司新設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)鑄件(如圖1)，鑄件材質(zhì)為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，工作溫度約600℃左右。

鑄件全部內(nèi)、外可探表面及可探圓弧表面需按《鑄鋼件磁粉探傷方法》對(duì)其進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)；閥殼需按《鑄鋼件超聲波探傷方法》對(duì)其進(jìn)行100%超聲檢測(cè)；裝焊管口需按《汽輪機(jī)閥體鑄鋼件采購規(guī)范》進(jìn)行射線檢測(cè)。

主汽閥殼驗(yàn)收按《汽輪機(jī)閥體鑄鋼件采購規(guī)范》和《ZG1Cr10Mo1NiWVNbN鑄鋼件材料規(guī)范》執(zhí)行。

1.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分析

鑄件輪廓尺寸為：1 810mm(高)×1 640mm(寬)×2 110mm(長)。該主汽閥殼主要由閥殼本體、三個(gè)管口及吊裝筋板三大部分構(gòu)成，如圖2所示。其中閥殼本體壁厚最大處約為370mm(位于大端面一周)，最小處壁厚約為170mm，本體壁厚變化很大；吊裝筋板由兩塊厚度為100mm梯形挖孔板構(gòu)成；三個(gè)管口壁厚尺寸各不相同相差很大，分別為220mm、180mm、160mm。主汽閥殼本體內(nèi)外輪廓較復(fù)雜，弧面較多，大端面、內(nèi)腔閥座及管口面質(zhì)量要求高，熱節(jié)上下分散無法實(shí)現(xiàn)鑄件由下而上的順序凝固，再加其特殊材質(zhì)鑄造流動(dòng)性較差，鑄造難度相當(dāng)大。

圖1　主汽閥殼Figure 1　Main stop valve casing

圖2　主汽閥殼結(jié)構(gòu)Figure 2　Structure of main stop valve casing

2　鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1鑄造位置的確定

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本鑄件有如下三種鑄造工藝位置方案。

2.1.1鑄造工藝方案一

如圖3所示，進(jìn)汽管朝下放置，在出汽管及閥殼大端面設(shè)置鑄造冒口，在閥殼下半部分周身設(shè)置冷鐵。閥殼外表及兩管口部位雖基本能實(shí)現(xiàn)順序凝固，但閥殼內(nèi)腔閥座部位和大端面下端有很大的鑄造熱節(jié)(圖4)，無法通過增加補(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)順序凝固，容易形成鑄造縮松及孔洞。由兩個(gè)不連接平板構(gòu)成的吊裝筋板也無法實(shí)現(xiàn)順序凝固，其內(nèi)在質(zhì)量很難保證。同時(shí)閥殼外大圓弧面(非加工)設(shè)置冒口及冒口座后，其后期外觀形線處理難度極大。此工藝方案除以上主要不足外還存在如下不利因素：(1)砂芯在下芯扣箱時(shí)，因一端很大另一端很小，對(duì)起吊平衡要求高，不易操作。(2)無論采用底注式澆注還是采用階梯式澆注，高溫鋼水在進(jìn)入型腔后充型上升過程中將對(duì)砂芯下平面進(jìn)行高溫烘烤，砂芯極易烤酥而發(fā)生掉砂，從而產(chǎn)生鑄件夾砂。(3)鋼水在型腔上升過程及澆注完成后，砂芯因結(jié)構(gòu)不均和受力不均，易發(fā)生漂芯導(dǎo)致閥殼本體尺寸形狀變化。

2.1.2鑄造工藝方案二

如圖5所示，將吊裝筋板朝下放置，在出汽管及閥殼大端面頂部設(shè)置鑄造冒口。閥殼外表及兩管口部位雖基本能實(shí)現(xiàn)順序凝固，但同樣在閥殼內(nèi)腔閥座部位和大端面下端有很大的鑄造熱節(jié)，無法通過增加補(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)順序凝固，容易形成鑄造縮松及孔洞。同時(shí)，由于出汽管長度較長而尺寸小，雖設(shè)計(jì)鑄造冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，但對(duì)閥殼本體的補(bǔ)縮能力很有限。此方案同樣存在方案一的眾多不足，如操作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大等等。

2.1.3鑄造工藝方案三

如圖6所示，將閥殼豎起，即小端朝下大端朝上放置，在閥殼大端面設(shè)置冒口，閥殼下端及出汽管下部設(shè)置鑄造冷鐵，并利用閥殼自身補(bǔ)縮通道或在內(nèi)腔適當(dāng)增加補(bǔ)貼開設(shè)補(bǔ)縮通道來實(shí)現(xiàn)順序凝固，將閥殼補(bǔ)縮通道打通并延升到冒口。

按圖6、圖7所示的澆注位置鑄件整體位于同箱，且閥殼本體及三管口外形線均由外模樣整體帶出，更容易保證良好的鑄件輪廓形線及尺寸精度。同時(shí)鑄件大部分熱節(jié)位于上箱，有利于實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，減少鑄件的縮松及孔洞發(fā)生。

(a)

(b)圖3　鑄造工藝方案一Figure 3　Scheme No.1 of casting process

圖4　閥殼上的鑄造熱節(jié)示意圖Figure 4　Sketch of casting hot spot on the valve casing

圖5　鑄造工藝方案二Figure 5　Scheme No.2 of casting process

圖6　鑄造工藝方案三Figure 6　Scheme No.3 of casting process

圖7

綜合考慮三種鑄造工藝方案的優(yōu)缺點(diǎn)，第三種鑄造工藝方案較優(yōu)，其實(shí)際可操作性大，降低生產(chǎn)成本，并且鑄件質(zhì)量相對(duì)來說容易保證，因此選擇第三種澆注工藝方案。

2.2分型面的選擇

澆注方案位置的確定基本就決定了分型面必須是采用立式上、下兩開箱的鑄造工藝，但具體分型面選擇還需結(jié)合造型工人現(xiàn)場(chǎng)可操作性并兼顧成本及安全等因素，結(jié)合此類鑄件分型面設(shè)置基本要領(lǐng)，分為如圖8所示的兩種方式。

(1)以進(jìn)汽管中心為鑄造分型面。將閥殼上下均分為兩半，僅對(duì)一個(gè)進(jìn)汽管一分為二分模，兩個(gè)出汽管的上部由砂芯帶出，吊裝筋板間隔由一塊砂芯帶出，閥殼本體全部由模型帶出后更容易保證砂型輪廓形線(后期鑄件形線)，其后期閥殼外觀形線更容易保證，從而更多的保證了鑄件本身原始特性需求。同時(shí)兩半均分模樣變小后工人操作方便，模樣的運(yùn)輸受限較小，制作更靈巧，起吊及堆放更安全。

(a)

(b)圖8　鑄造分型面設(shè)置方式Figure 8　The setting mode of parting surface

(2)以兩個(gè)出汽管中心為鑄造分型面。將兩個(gè)出汽管都要一分為二分模，進(jìn)汽管下部由砂芯帶出，吊裝筋板砂芯設(shè)置將很困難(需設(shè)置很大砂芯進(jìn)行組合帶出)。從該分型設(shè)置上看出上箱模樣將很大而下箱模樣很小，另為便于起模(脫模)將模型進(jìn)行多處拆活方式，這將導(dǎo)致后期砂型輪廓形線保證度降低，同時(shí)工人勞動(dòng)強(qiáng)度將變大，模樣使用效率低，因拆活活塊多極易損壞。

綜合分析，以進(jìn)汽管中心為鑄造分型面能更好保證鑄件產(chǎn)品外觀形線，操作更方便(砂芯數(shù)量少，尺寸小)，勞動(dòng)強(qiáng)度小，效率高而成本低。

2.3砂芯的設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件的鑄造工藝方案及分型面選擇，需在兩出汽管上部各設(shè)計(jì)一塊砂芯，這樣僅設(shè)計(jì)一塊中間主砂芯(如圖9)，用于形成閥殼內(nèi)腔較大的弧形內(nèi)腔室和進(jìn)(出)汽管的尺寸及形線，鑄件其他部位均用模樣造型做出。

主砂芯用于形成鑄件的大面積弧形內(nèi)腔室和進(jìn)(出)汽管的尺寸及形線，其砂芯弧形面質(zhì)量要求高，要有足夠的緊實(shí)度以及向上排氣暢通，保證內(nèi)腔室的質(zhì)量。主砂芯為整體砂芯，要求芯盒在管口芯頭部位設(shè)置拔模斜度，并要求在內(nèi)腔分段開設(shè)舂砂窗口方便砂芯緊實(shí)，以便得到較好的砂芯外觀和內(nèi)在質(zhì)量。砂芯芯頭位于下箱，僅起定位作用，因此芯頭沒有必要做的很長，但為保證芯頭模樣不因太薄而發(fā)生變形以及避免鑄造澆注鋼水時(shí)發(fā)生漂芯需做大以保證足夠的強(qiáng)度。

圖9　砂芯設(shè)計(jì)Figure 9　Design of core

圖10　冒口設(shè)計(jì)Figure 10　Design of riser

2.4冒口的設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)及鑄造工藝方案，該主汽閥下部分最主要熱節(jié)分布在兩出汽管和閥座相連接部位，其它部位設(shè)置鑄造冷鐵基本可以解決，如圖10?？紤]到閥殼大端面很高的質(zhì)量要求，并結(jié)合其閥殼整體的最大部位在大端面，因此在大端面上設(shè)置整圈冒口對(duì)鑄件進(jìn)行全面補(bǔ)縮。冒口設(shè)計(jì)時(shí)，先利用模數(shù)法計(jì)算公式M=V/A計(jì)算出鑄件模數(shù)，再乘以一定的系數(shù)f得冒口的模數(shù)M冒=M×f。先計(jì)算閥殼本體閥座部位最大部位熱節(jié)，再計(jì)算其到閥殼大端面后熱節(jié)變大量確定冒口寬度，再根據(jù)整個(gè)鑄件在凝固過程需要鋼水量和冒口自身的補(bǔ)縮量計(jì)算出冒口的高度。

經(jīng)過初步計(jì)算，整圈冒口高度在700mm左右，冒口寬度在400mm左右。

2.5冷鐵的設(shè)計(jì)

通過對(duì)閥殼小端面一圈及兩個(gè)出汽管下端設(shè)計(jì)鑄造冷鐵人為地造成激冷末端區(qū)，配合閥殼順序凝固結(jié)構(gòu)加頂端整圈冒口形成順序凝固，確保該閥殼本體(小端、大端)以及進(jìn)汽管的組織致密度的要求，如圖11。當(dāng)冷鐵用于控制鑄件凝固方向時(shí)，冷鐵的厚度通常為被激冷處壁厚(或熱節(jié)圓直徑)的0.7～1.2倍。同理，在閥座部位，因離頂冒口較遠(yuǎn)，也設(shè)置了鑄造冷鐵，以確保閥座部位致密度的要求。

圖11　冷鐵設(shè)計(jì)Figure 11　Design of chiller

2.6澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用主要從閥殼小端面開設(shè)澆口進(jìn)行澆注，同時(shí)為避免澆注時(shí)間過長對(duì)砂(芯)型產(chǎn)生過燒而導(dǎo)致掉砂，在分型面增設(shè)一層上層澆注系統(tǒng)，這樣有利于鋼水穩(wěn)定進(jìn)入型腔，并且有利于定向排雜、排氣。該澆注噸位較大，采取單眼澆注。為保證鋼液在澆注過程中平穩(wěn)進(jìn)入型腔，同時(shí)保證鑄件質(zhì)量，采用開放式澆注系統(tǒng)。對(duì)于鑄鋼件來說，采用直澆道不充滿的開放式，又考慮到鑄件的對(duì)稱性、防止底層過熱影響鑄件的順序凝固，故適當(dāng)修正各澆道的大小尺寸。

2.7工藝設(shè)計(jì)

通過以上初步設(shè)計(jì)后，利用計(jì)算機(jī)鑄造模擬軟件對(duì)其鑄造工藝進(jìn)行模擬(如圖12)，發(fā)現(xiàn)在出氣管與閥體接觸部位和出氣管存在少許鑄造缺陷。從分析看，冒口及閥殼補(bǔ)縮通道基本通暢，前期設(shè)計(jì)基本合理，但在順序凝固起始點(diǎn)效果不太理想，這要求在此部位還需進(jìn)行工藝優(yōu)化。通過分析缺陷部位及大小認(rèn)為，通過再次在兩出汽管周邊增設(shè)冷鐵，同時(shí)對(duì)冷鐵厚度和冒口高度及寬度進(jìn)行修正，并結(jié)合生產(chǎn)澆注時(shí)采用快速澆注可以將缺陷減少。經(jīng)工藝優(yōu)化后再次用鑄造模擬軟件進(jìn)行模擬(如圖13)，缺陷顯示大幅減少，在鑄件表皮僅有個(gè)別點(diǎn)狀氣孔缺陷。

圖12　鑄造工藝模擬Figure 12　Simulation of casting process

圖13　鑄造工藝優(yōu)化后模擬Figure 13　Simulation of casting process after optimization

2.8工藝出品率

在保證鑄件組織致密的前提下，工藝出品率是衡量鑄造工藝設(shè)計(jì)水平高低的標(biāo)志之一。東方汽輪機(jī)有限公司鑄鋼件內(nèi)在質(zhì)量要求高，工藝出品率一般較低。

工藝出品率=鑄件重量/(鑄件重量+澆冒口系統(tǒng)重量)×100%。經(jīng)過計(jì)算，該鑄件的工藝出品率為60%，符合要求。

2.9其它工藝參數(shù)

機(jī)械加工余量10mm～20mm，線收縮率1.5%，芯頭斜度1∶10，醇基快干涂料，涂料厚約1.5mm。

砂箱尺寸：上箱3 300mm×3 000mm×1 750mm，下箱3 300mm×3 000mm×1 750mm。

3　制造過程控制

3.1模樣、芯盒制作

在制作模樣、芯盒時(shí)，嚴(yán)格按照工藝要求的參數(shù)進(jìn)行制作。拆活部分均采用燕尾銷方式準(zhǔn)確定位，防止拆活部位發(fā)生大的錯(cuò)位。芯盒內(nèi)弧形表面要求光滑無凹凸，并將筋板一一拆活，以保證砂芯在打制好后能完好的取出。

3.2砂型、砂芯的打制

在砂型、砂芯打制過程中，嚴(yán)格控制樹脂及固化劑的加入量。砂芯要求有足夠、均勻的緊實(shí)度，并且向下排氣暢通，以保證內(nèi)腔室的質(zhì)量。打制砂型時(shí)，成型冷鐵表面光滑，無鐵銹無油漬；混砂均勻，放置草繩等以增加砂型的透氣性；砂型有足夠的緊實(shí)度，防止發(fā)生掉砂缺型。砂型、砂芯表面使用耐高溫的醇基快干涂料，涂料涂刷均勻無堆積。主砂芯因整體位于鑄件內(nèi)腔在后期處于鋼水包圍當(dāng)中處于強(qiáng)熱作用區(qū)，且多處尺寸較小形線復(fù)雜，同時(shí)為防止閥殼內(nèi)腔發(fā)生粘砂和掉砂，全部采用耐高溫且傳熱性能較高的鉻鐵礦砂打制，使用快干涂料。

3.3扣箱、澆注

在扣箱時(shí)要保證砂型、砂芯烘干干燥，砂芯大弧段面無裂紋或破損，澆注系統(tǒng)清潔?？弁晗浜螅瑖?yán)禁移動(dòng)砂箱或在砂箱上放置其它雜物，防止雜物和砂型破損掉入型腔內(nèi)。澆注時(shí)鋼水純凈，嚴(yán)格按照鑄鋼件澆注操作指導(dǎo)書要求進(jìn)行精心操作。為保證在澆注過程中此閥殼材質(zhì)鋼水減少發(fā)生吸氣及氧化現(xiàn)象，在澆注前對(duì)型腔吹氬進(jìn)行保護(hù)，澆注過程平穩(wěn)無斷流，采用適度的快澆方式。

4　生產(chǎn)情況

在生產(chǎn)中，嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，已成功生產(chǎn)多件，均為一次超聲檢測(cè)合格，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好無超標(biāo)縮孔、縮松缺陷。鑄件表面光潔無粘砂、氣孔。打磨量較少，鑄件形線良好，保證了鑄件外觀質(zhì)量。磁粉檢測(cè)時(shí)僅發(fā)現(xiàn)下面法蘭上部兩處有夾雜夾渣缺陷，鑄件缺陷補(bǔ)焊焊條量在預(yù)期的范圍內(nèi)，其主要是由于鋼水質(zhì)量引起的夾渣和型腔未吹凈而造成的夾砂缺陷。

5　結(jié)論

從生產(chǎn)情況及結(jié)果看，該工藝方案設(shè)計(jì)合理，所取參數(shù)正確，能滿足生產(chǎn)和質(zhì)量要求；方便模樣制作和造型操作，節(jié)約生產(chǎn)成本；鑄件質(zhì)量達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，鑄件型線良好。

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編輯杜青泉

CastingProcessDesignofMainStopValveCasingfor660MWSteamTurbine

MuKai,LiuWeiliang

Thestructurecharacteristics,thetechnicalspecificationandthepossiblequalityproblemappearedduringtheproductionprocessofmainstopvalvecasingcastingfor660MWsteamturbinehavebeenanalyzed.Meanwhile,thecastingprocessdesignandthequalitycontrolpointsofmainstopvalvecasingfor660MWsteamturbinehavebeendescribedindetails.

mainstopvalvecasing;structurecharacteristics;processdesign;qualitycontrol

2016—05—13

慕凱(1977—)，男，主要研究汽輪機(jī)鑄件工藝設(shè)計(jì)及管理。

TK264.9B