大型高合金耐高溫閥殼鑄件鑄造工藝研發(fā)

郭小利，李永新

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高，汽缸等汽輪機(jī)部件用高溫鑄件材料已經(jīng)從耐高溫580℃的Cr-Mo-V鋼發(fā)展成各類耐高溫600℃的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9%～12%和耐高溫620℃的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB高合金耐熱馬氏體不銹鋼。

本文研究的鑄鋼件產(chǎn)品為高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，材質(zhì)為ZG1Cr10MoWVNbN-II，達(dá)到了耐高溫600℃材料等級(jí)。其工作環(huán)境處于高溫、高壓狀態(tài)之下，對(duì)性能要求極高。該鑄件屬于大型閥類鑄件，澆注水口較多，熱節(jié)較大，內(nèi)腔加工部位容易出現(xiàn)鑄造夾渣、裂紋、偏芯等缺陷。解決鑄造縮松、夾渣、裂紋、偏芯問題是該類鑄件生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn)。

1 工藝方案的確定

1.1 鑄件基本參數(shù)及技術(shù)要求分析

本文研究的高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥如圖1所示，材質(zhì)為ZG1Cr10MoWVNbN，鑄件輪廓尺寸3705mm×2 880 mm×2 453 mm，左閥重 31.6 t，右閥重 31.5 t，鑄件最大壁厚305 mm.

圖1 CCH01E高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥

鑄件的化學(xué)成分、力學(xué)性能要求如表1，表2所示。

表1 鑄件化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥鑄件在工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中存在以下難點(diǎn)：

表2 鑄件力學(xué)性能要求

1）本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有一段直徑200 mm，長度1 300 mm的軸孔，鑄造及加工過程難度較大。且屬于高合金閥殼鑄件，鑄造時(shí)極易產(chǎn)生夾渣、縮松、裂紋等缺陷。

2）該閥殼為由主汽閥、調(diào)節(jié)閥以及補(bǔ)氣閥組成的整體式結(jié)構(gòu)鑄件，在主汽閥以及調(diào)節(jié)閥加工部位壁厚較大，最大壁厚約為305 mm，鑄件在鋼液凝固補(bǔ)縮過程中容易形成應(yīng)力集中，在鑄件固態(tài)收縮時(shí)受到阻礙產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，這種鑄造內(nèi)應(yīng)力會(huì)引起鑄件產(chǎn)生變形和裂紋。

3）精加工面UT檢測級(jí)別為1級(jí)，并且還需RT檢測，其他焊接部位需100%UT檢測。

4）鑄件屬于高合金材質(zhì)，短時(shí)高溫持久要求比較高，需要滿足在670℃高溫，98 MPa壓力下，斷裂時(shí)間≥300 h，所以鑄件中的P、S、Cu及O、H等有害氣體元素需控制在非常低的范圍。此材質(zhì)W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，而鎢鐵屬于高熔點(diǎn)、高密度合金，所以提高LF爐鎢鐵的回收率也是冶煉本產(chǎn)品的難點(diǎn)之一。

5）本鑄件強(qiáng)度硬度要求高，屬于高強(qiáng)度高硬度系列產(chǎn)品。在三組高溫短時(shí)持久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，第三組（670℃/98 MPa）的標(biāo)準(zhǔn)要求≥300 h，目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家還不能平穩(wěn)達(dá)到，符合率大概在60%左右。國外最好水平在80%左右。

6）鑄件屬于橫縱交錯(cuò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，熱處理過程中鑄件極易變形；鑄件的碳當(dāng)量和開裂敏感指數(shù)高，鑄件在打箱、切割、氣刨及熱處理過程中易開裂。

1.2 鑄造難點(diǎn)分析及解決措施

本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差距大、應(yīng)力集中明顯，且屬于高合金鑄件，鑄造時(shí)極易產(chǎn)生夾渣、縮松、裂紋等缺陷，鑄造工藝需要設(shè)計(jì)合理的冒口、補(bǔ)貼、防裂筋等，以保證鑄件組織致密，防止在應(yīng)力集中處產(chǎn)生貫穿性裂紋，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢；對(duì)直徑200 mm，長度1 300 mm的軸孔，需重點(diǎn)解決補(bǔ)縮以及漂芯、粘砂等問題。

針對(duì)以上問題制定如下鑄造工藝措施：

1）鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鑄件模數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，保證冒口可以提供充足的補(bǔ)縮液量；

2）易裂部位設(shè)置防裂拉筋；

3）對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密設(shè)計(jì)，保證澆注充型過程鋼水的平穩(wěn)進(jìn)流和利于渣子的上??；

4）為便于芯子支撐以及鑄件的補(bǔ)縮，造型方法上采取鑄件平躺的形式，在管口端面設(shè)置芯頭，對(duì)懸空的芯子采取標(biāo)芯方式進(jìn)行固定。

5）對(duì)直徑200 mm，長度1 300 mm的軸孔，鑄造時(shí)芯骨采用φ120 mm圓鋼棒子固定支撐，芯頭全部焊接標(biāo)芯，防止漂芯。芯子中纏繞吹冷氣管，澆注后對(duì)芯子吹冷氣，快速降溫，防止軸孔內(nèi)腔粘砂；

6）該產(chǎn)品由左閥和右閥組成，鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采取了模型通用、造型時(shí)模型翻轉(zhuǎn)180°、局部換料等成型方案設(shè)計(jì)。

1.3 工藝方案設(shè)計(jì)

1.3.1 造型方案的確定

該產(chǎn)品造型方案采取“實(shí)體模型+內(nèi)腔出芯”的成型方案，即在砂型鑄造成型時(shí)，采用與鑄件外部輪廓一致的實(shí)體模樣成型，鑄件內(nèi)腔部位采用砂芯成型。為了節(jié)約模型費(fèi)用，對(duì)左閥和右閥采取主體模型通用、臍子等活料換料成型的方案，如圖2所示。

圖2 高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥造型方案

由于內(nèi)腔芯子多為懸空狀態(tài)，如圖3所示，成型方案中，管口部位設(shè)置芯頭，且合箱時(shí)芯頭均與外部砂型焊接相連，便于支撐芯子。垂直于分型面的芯子，采取標(biāo)芯措施，固定至下箱中。

圖3 芯子固定方案設(shè)計(jì)

1.3.2 鑄件的冒口及補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)

采用MAGMA軟件計(jì)算機(jī)模擬與模數(shù)計(jì)算相互驗(yàn)證，對(duì)照冒口、保溫板及冒口頸參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表，設(shè)計(jì)選用與鑄件結(jié)構(gòu)模數(shù)相吻合的冒口規(guī)格型號(hào)，從鑄件毛坯結(jié)構(gòu)上建立補(bǔ)縮梯度，打通各部位補(bǔ)縮通道。為確保鋼液澆注凝固時(shí)的有效補(bǔ)縮，在補(bǔ)縮末端區(qū)設(shè)置冷鐵，調(diào)整補(bǔ)縮區(qū)域和溫度場，有利于補(bǔ)縮末端區(qū)的延長和鋼液的順序凝固，確保內(nèi)部組織致密，無超標(biāo)缺陷。圖4為凝固過程模擬，圖4a）為模數(shù)模擬，通過分析鑄件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軟件自動(dòng)計(jì)算鑄件各部位模數(shù)大小，以便進(jìn)行鑄件補(bǔ)縮設(shè)計(jì)；圖4b）為補(bǔ)縮梯度模擬，通過對(duì)鑄件補(bǔ)縮梯度進(jìn)行模擬，可以查看補(bǔ)縮梯度是否利于鑄件凝固補(bǔ)縮，對(duì)于梯度較差的結(jié)構(gòu)可以通過添加補(bǔ)貼等改良鑄件梯度；圖4c）為熱節(jié)模擬，通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)分析，確定熱節(jié)的分布所在，從而可以針對(duì)熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮設(shè)計(jì)；圖4d）為縮松模擬，是通過對(duì)鑄造工藝進(jìn)行模擬后，評(píng)判鑄件是否有縮松缺陷以及確定缺陷的大小，可分析出鑄造工藝是否合理，從而進(jìn)行優(yōu)化等。

根據(jù)規(guī)范要求及MAGMA模擬檢測標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)其模擬合格后，鑄造工藝可以保證鑄件質(zhì)量要求。

1.3.3 防粘砂、夾渣設(shè)計(jì)

制作砂芯時(shí)，采用先進(jìn)的自硬樹脂砂技術(shù)，型芯的涂料選用耐高溫的鋯英粉水基涂料；內(nèi)腔主芯骨采用整體式圓鋼棒組成，鋼棒直徑120mm～140mm，需確保芯骨剛度，防止折彎。芯頭部位焊接標(biāo)芯方鋼，便于合箱時(shí)將芯子與外側(cè)砂型連接固定。芯砂采用新鉻礦砂+氧化鐵粉+新型EAR樹脂制作，并鋪設(shè)冷氣管道，澆注后吹壓縮空氣降溫，有效解決了鑄件內(nèi)腔狹小空間黏砂問題，其他較小砂芯采用標(biāo)芯措施，防止了漂芯問題的發(fā)生，如圖5所示。

1.3.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要保證鋼液平穩(wěn)、迅速且連續(xù)流入型腔；防止鋼水卷氣，造成鋼水二次氧化夾渣；澆口設(shè)置避免應(yīng)力集中、裂紋易發(fā)區(qū)域；澆口應(yīng)設(shè)置均勻，保證鑄件的溫度場、應(yīng)力場分布，利于鑄件補(bǔ)縮。應(yīng)用GS-100計(jì)算軟件設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，并進(jìn)行模擬優(yōu)化。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。使用60＃鋼包，1個(gè) φ120 mm+1個(gè) φ100 mm的滑動(dòng)水口，4個(gè)φ140 mm+8個(gè)φ120 mm內(nèi)澆口。澆鑄速度0.6 m/s，澆鑄時(shí)間90 s，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用均分法設(shè)計(jì)，保證澆鑄平穩(wěn)上升。利用MAGAM模擬軟件，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 凝固過程模擬

1.3.5 熔煉工藝設(shè)計(jì)

鑄件材質(zhì)屬于高合金耐熱不銹鋼，為確保高溫短時(shí)持久性、滿足鑄件力學(xué)性能，并且提高LF爐鎢鐵的回收率，熔煉澆注工藝設(shè)計(jì)方案為：備料+EAF爐+LF爐+VOD+澆注。

備料：此產(chǎn)品由于對(duì)高溫持久性要求比較嚴(yán)格，備料時(shí)不得加入含Cu的返回料，最終投爐料為CrMo返回料、廢鋼、生鐵，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為3：5：2.

圖5 內(nèi)腔砂芯結(jié)構(gòu)

圖6 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EAF過程：EAF爐脫碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）必須≥0.4%，確保夾雜物跟有害氣體N、H的去除。

LF過程：由于此系列產(chǎn)品對(duì)S含量要求非常嚴(yán)格，所以LF首要任務(wù)是造渣脫硫，鋼水到達(dá)LF爐后先加入一定量的Al粒和AlCa合金球還原鋼液，氧活性≤5×10-6后加入活性石灰，加大氬氣攪拌力度，10 min后取樣分析，若ω（S）≤0.005%后開始加合金。此產(chǎn)品要求W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.96%～1.04%，而鎢鐵不僅密度大，而且熔點(diǎn)極高，加入到鋼液如果不能及時(shí)熔化，將會(huì)沉到鋼包底部，不僅影響W的回收率，而且極易導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。所以，在加鎢鐵前首先將鋼液溫度升至1 620℃，氬氣壓力調(diào)整為0.6 MPa～0.8 MPa，并且每批次加入量不大于20 kg，加入后氬氣攪拌10 min后再取樣分析化學(xué)成分，Cr、Mo、W含量達(dá)到要求后，溫度升至1 600℃左右進(jìn)VOD.由于此產(chǎn)品C質(zhì)量分?jǐn)?shù)內(nèi)控要求為0.115%～0.138%，范圍非常狹窄，所以鋼液從VOD出來后確保鋼液充分還原后再加合金。第一次先將C質(zhì)量分?jǐn)?shù)配至0.08%左右，待其余所有合金都滿足要求，溫度達(dá)到1 620℃以上時(shí)再將C配至0.12%以上，防止送電電極增碳?；瘜W(xué)成分都合格后，溫度控制在1 585℃左右出鋼澆注。

澆注過程：澆注前1 h開始往型腔中吹氬，澆注時(shí)使用氣體檢測儀器對(duì)型腔中的氧氣進(jìn)行檢測，若氧氣含量≤0.06%，開始澆注。鋼包水口下沿距離澆口杯距離小于100 mm防止鋼液二次氧化。澆注時(shí)水口應(yīng)在澆口杯正中間，防止鋼流沖刷直澆道產(chǎn)生夾雜物。LF爐出鋼距離澆注時(shí)間間隔應(yīng)盡量縮短，防水鋼水降溫過快造成低溫澆注。

1.3.6 熱處理工藝設(shè)計(jì)

由于顧客對(duì)產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性要求較高（可參考表2），并且對(duì)高溫短時(shí)持久有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。為了確保鑄件的力學(xué)性能，必須嚴(yán)格進(jìn)行熱處理工藝。同時(shí)，鑄件在后序處理過程中經(jīng)過熱切割、焊接等，積蓄較大應(yīng)力，易導(dǎo)致鑄件開裂，需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

圖7 熱處理工藝曲線

熱處理工藝確定為：高溫退火+正火+高溫回火。熱處理工藝曲線如圖7所示。利用經(jīng)驗(yàn)公式確定了該材料的相變點(diǎn)溫度：AC1=840℃，AC3=942℃，為達(dá)到組織均勻化及相變轉(zhuǎn)變完全，鑄件正火的保溫溫度確定為AC3以上（120～150）℃、通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定正火冷速需要風(fēng)冷來實(shí)現(xiàn)，回火保溫溫度為AC1以下（70～110）℃.通過合理的回火次數(shù)和回火溫度，常溫力學(xué)性能和高溫持久值能很好滿足顧客要求且較為穩(wěn)定，最終熱處理工藝曲線如圖7所示。

表3 指標(biāo)完成情況

2 生產(chǎn)效果

通過鑄造工藝的研發(fā)、生產(chǎn)過程的嚴(yán)格管理與控制，經(jīng)檢測，實(shí)際鑄件化學(xué)成分、力學(xué)性能、幾何尺寸等各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到顧客標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，如表3所示，產(chǎn)品研發(fā)獲得成功，可以批量生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行鑄造工藝研發(fā)以及對(duì)實(shí)際鑄件生產(chǎn)驗(yàn)證，利用MAGMA模擬以及模數(shù)計(jì)算，完成超大壁厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜閥殼鑄造工藝冒口補(bǔ)縮工藝的研發(fā)，其主要有如下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)新鉻礦砂+氧化鐵粉+新型EAR樹脂+吹壓縮空氣方案，解決鑄件內(nèi)腔粘砂問題；厚壁深長孔采用整體式圓鋼芯骨，保證了芯骨強(qiáng)度，并防止漂芯；

2）左、右閥殼采用通用模型，通過模型翻轉(zhuǎn)180°，局部換料措施，實(shí)現(xiàn)了模型通用，節(jié)省模型成本。

3）熔煉澆注工藝方案為：備料+EAF爐+LF爐+VOD+澆注；熱處理工藝確定為：高溫退火+正火+高溫回火。保證了鑄件常溫力學(xué)性能及高溫持久值。

對(duì)高合金、耐高溫產(chǎn)品進(jìn)行鑄造工藝研發(fā)，可以有效推動(dòng)高端閥殼鑄件的國產(chǎn)化，提升我國裝備制造業(yè)的核心能力。