超臨界汽輪機(jī)主氣閥閥體鑄造工藝實(shí)踐

全世紅

(首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州貴陽550000)

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超臨界汽輪機(jī)主氣閥閥體鑄造工藝實(shí)踐

全世紅

(首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州貴陽550000)

摘要：討論了高質(zhì)量、高性能要求厚大鑄件閥體在生產(chǎn)中影響探傷合格率的主要因素，如縮孔、疏松、氣孔、裂紋、多肉等，并對這些因素進(jìn)行了分析。同時(shí)采用酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂、平撞立澆、階梯式澆注系統(tǒng)來優(yōu)化鑄造工藝，并對主要工藝過程進(jìn)行說明，結(jié)果證明所采取的一系列工藝措施是合理的。

關(guān)鍵詞:高質(zhì)量厚大件閥體鑄造工藝

隨著我國電力、冶金、造船等行業(yè)的不斷發(fā)展，所需的鑄件也向著厚大化、復(fù)雜化方面發(fā)展，同時(shí)對鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量都有了更高的要求，給生產(chǎn)加工帶來了更大的困難。因此，如何用合理的方法來減少厚大鑄件的缺陷，對穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)鑄件有著重要的意義。

1汽輪機(jī)閥體基本情況

超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的主氣閥閥體是汽輪機(jī)上的重要部件，它在使用過程中要承受高溫高壓的作用，因而對部件材料的要求極高，要求材料必須具備很好的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和氧化性能，鑄件本體不允許有裂紋、粘砂、縮孔、冷隔等缺陷存在。由于閥體材料是ZG1Cr10MoWVNbN，屬高溫用馬氏體耐熱不銹鋼[1]，鑄造流動性較差，鑄件裂紋傾向大，易產(chǎn)生偏析，工藝控制難度較大。

2009年來，我公司為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司火電機(jī)組配套生產(chǎn)的汽輪機(jī)主氣閥閥體毛坯鑄件，鑄件內(nèi)外質(zhì)量都要求十分苛刻，需要進(jìn)行100%的超聲波探傷(UT)和磁粉探傷(MT)，尺寸要求嚴(yán)格。

2鑄造工藝方案

2.1造型材料的選擇

由于大型鑄鋼件具有厚大斷面和高壓頭，鋼液對鑄型的熱作用，溫度高，持續(xù)時(shí)間長[2]，因此對鑄型的高溫力學(xué)性能和型砂材料的抗粘砂能力有著極高的要求[3]。大液態(tài)鋼水澆入鑄型后，由于鑄型的吸熱，金屬溫度的下降，液態(tài)鋼水逐漸凝固，一直固態(tài)冷卻的過程中，發(fā)生體積縮小，就是我們所說的鑄件收縮。在這個(gè)過程之中，鋼水的收縮必然會受到型芯的阻礙，也給型芯以巨大的收縮壓力，造成型芯變形甚至開裂等等，鑄件本體可能產(chǎn)生熱裂、變形、冷裂、夾砂、多肉類缺陷[4-6]；并且高溫金屬液有可能與型芯產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生粘砂、夾雜等缺陷。

閥體的材料是馬氏體耐熱鋼，鑄造收縮率為2.2%，在鑄件成型的過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較大，鑄件本身對質(zhì)量品質(zhì)要求高，因而對型芯的要求比常規(guī)鑄鋼件還要高得多。

為了減少鑄件在冷卻收縮過程的阻力，結(jié)合實(shí)際的情況，經(jīng)過綜合分析，采用脂硬化堿性酚醛樹脂砂工藝來進(jìn)行鑄件的造型。脂硬化堿性酚醛樹脂砂是一種比較新型的自硬砂，該工藝對原砂無苛刻要求，不含P、S、N等元素，不會產(chǎn)生鑄鋼件的表面滲硫、滲磷等現(xiàn)象；另外，該工藝還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即澆注時(shí)具有其他樹脂不可比擬的熱塑性階段和“二次硬化”現(xiàn)象，能緩解砂子因受熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力，且型芯在較長時(shí)間內(nèi)不易損壞，從而既可防止鑄件產(chǎn)生熱裂和飛刺，又可避免型芯在高溫作用下，由于強(qiáng)度過低，過早潰散而產(chǎn)生的沖砂、夾渣等缺陷[7-8]；樹脂本身的高堿性，可適用于多種原砂，適合生產(chǎn)普通鑄件，也可用于生產(chǎn)不銹鋼及高強(qiáng)度合金鑄件等[9]；同時(shí)，鑄件尺寸精度高，表面質(zhì)量好。脂硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的配比見表1。

表1　脂硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的

在鑄件外型及泥芯的重要工作面，熱節(jié)部位，均采用鉻鐵礦砂作為面砂，以減少鋼水與砂型表面產(chǎn)生反應(yīng)，提高鑄件的表面質(zhì)量。

同時(shí)，用成型陶管來制作鑄型的澆注系統(tǒng)，提高充型金屬液的純凈度，減少因大量鋼水沖刷砂型澆注系統(tǒng)而造成的夾砂、夾雜等缺陷。

2.2原造型工藝方案

該主汽閥閥體的產(chǎn)品最大尺寸為2 783 mm×1 350 mm×1 120 mm，鑄件毛坯重量17 800 kg。按照通常采用的鑄造工藝，一般采用的是平澆的方案，澆冒口、補(bǔ)貼重量11 300 kg，工藝出口率61.2%。見圖1。

但是，采用這個(gè)工藝方案有以下缺點(diǎn)：

圖1　原工藝方案

1)外皮的增肉量很大，冒口下部的補(bǔ)貼部位全部要靠后期切割、清理修磨出來，因而常常出現(xiàn)多挖現(xiàn)象，焊補(bǔ)及清理打磨工作量很大，鑄件毛坯外觀質(zhì)量較差。

2)由于冒口在鑄型的中部，因而對兩端遠(yuǎn)離冒口部位的補(bǔ)縮效果不明顯，鑄件內(nèi)頂面易產(chǎn)生縮孔、疏松、氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，而產(chǎn)生缺陷的部位多處于鑄件泥芯部位，又很難進(jìn)行挖補(bǔ)處理，給后續(xù)工序帶來了更大的困難。

3)閥體壁上的補(bǔ)縮主要是周向增肉來增加補(bǔ)縮斜度，但由于補(bǔ)縮距離大，而壁厚尺寸變化又不明顯，無法形成順序凝固的補(bǔ)縮通道，因而在閥體鑄件遠(yuǎn)離增肉補(bǔ)貼的位置都會出現(xiàn)UT缺陷。

2.3改進(jìn)后的造型工藝方案

結(jié)合設(shè)備狀況及鑄件本身的結(jié)構(gòu)特性，經(jīng)過綜合分析，決定采用平撞立澆的工藝方案，見圖2。

采用平撞立澆方案的優(yōu)點(diǎn)：

1)在鑄件外皮上沒有任何增肉、型線，圓角鑄造成型，還可避免因切割冒口、補(bǔ)貼而出現(xiàn)的裂紋，外觀質(zhì)量好。

圖2　改進(jìn)后工藝方案

2)如圖2所示，用冷鐵來調(diào)整閥體的三個(gè)凸臺的凝固順序之后，鑄件的其余部份近似一個(gè)上大下小的錐臺，因而在鑄件成型的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)有效的順序凝固，減少鑄件本體縮孔、疏松的可能性，也提高了鑄件本體的致密度。

3)四層階梯式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口從多角度切線引入鑄型，保證了金屬液自下而上平穩(wěn)地流入鑄型，同時(shí)金屬液在型腔內(nèi)充分旋轉(zhuǎn)，減少紊流，使金屬液輕質(zhì)夾雜物、氣泡等絕大部分無阻礙的進(jìn)入鑄件冒口[10]。使鑄件在澆注過程中上部金屬液一直保持最高溫度，提高了鑄件的補(bǔ)縮效率。

2.4熔煉及澆注控制

汽輪機(jī)主氣閥閥體的熔煉及澆注是在現(xiàn)場進(jìn)行的，首先用康斯迪爾堿性電弧爐進(jìn)行熔煉及基本成分調(diào)整，之后在鋼包真空爐中進(jìn)行除渣、脫氣及最終成分控制。

貴陽本地空氣濕度較高，為確保砂型的干燥度，在澆注前2 h，從鑄件冒口部位用180 ℃的熱風(fēng)管對鑄型型腔進(jìn)行加熱、除濕，使鑄件型腔充分干燥，減少鑄件因吸濕而產(chǎn)生氣孔類缺陷的可能。

閥體用的鋼水出水溫度嚴(yán)格控制在1 650 ℃～1 680 ℃范圍，出水后保溫靜置10 min～15 min，在達(dá)到澆注溫度1 550 ℃～1 570 ℃時(shí)進(jìn)行澆注，澆注過程一次充型完成。之后在冒口頂面覆蓋發(fā)熱劑、保溫劑，提高冒口的補(bǔ)縮效率。

3兩種造型方案的生產(chǎn)結(jié)果對比

1)新工藝方案中幾乎沒有毛坯切割面積，其毛坯切割量及清理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于原工藝方案，同時(shí)大大減少了因要切割而產(chǎn)生的裂紋的危險(xiǎn)。

2)原工藝方案的一個(gè)最大的問題是外壁增肉、補(bǔ)貼的切割清理工作量增大，外壁形狀不易得到保證，最為嚴(yán)重的是圓角部位常出現(xiàn)的切割增肉、補(bǔ)貼等時(shí)的多挖現(xiàn)象，焊補(bǔ)工作量大；而新工藝方案則有效的解決了這一問題，鑄件的表面質(zhì)量粗糙度由Ra25 μm提高到Ra12.5 μm，同時(shí)表面粗糙度一致性非常明顯。

3)新工藝方案所生產(chǎn)出的閥體鑄件UT缺陷僅為4-6個(gè)點(diǎn)，且多在外壁易于處理的部位，鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性大大提高。

4結(jié)果

在2009年7月至2011年8月期間，我公司成功造型澆注生產(chǎn)了超臨界ZG1Cr10MoWVNbN汽輪機(jī)主氣閥閥體24件，經(jīng)毛坯檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松、冷隔、氣孔等鑄造缺陷，毛坯合格率100%；機(jī)加工結(jié)束后，經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)，平均每件閥體有4-6個(gè)UT缺陷，通過有效的焊補(bǔ)后完全達(dá)到質(zhì)量要求。

超臨界ZG1Cr10MoWVNbN汽輪機(jī)主氣閥閥體的制造成功，有效的說明了工藝方案的合理，工藝設(shè)計(jì)的正確，工藝措施的切實(shí)可行。

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中圖分類號：TG244

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-6886(2016)03-0071-04

作者簡介：全世紅(1968-)，男，工程師，鑄造專業(yè)本科畢業(yè)，長期從事鑄造工藝技術(shù)開發(fā)方面的工作。

收稿日期：2015-06-10

Casting techniques of the main valve body of the supercritical steam turbine

QUAN Shihong

Abstract:In this paper, we discussed the main factors influencing the quality of high-quality, high-performance, heavy and big valve body castings, such as shrinkage, porosity, blowholes, cracks, casting fins, etc. Then we optimized the casting process by adopting ester cured alkaline phenolic resin sand, and a horizontal moulding, vertical and stepped casting system. The results proved that the techniques chosen were practical.

Keywords:high quality; heavy and big castings; valve body; casting technique