660MW 蒸汽輪機(jī)中壓內(nèi)缸鑄件研發(fā)

羅永建，馬 斌，馬 進(jìn)，陳得潤(rùn)，龔明建

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力工業(yè)的飛速發(fā)展，大量超（超）臨界機(jī)組相繼投運(yùn)，諸多新型耐熱鋼用于制造鍋爐、汽輪機(jī)的高溫部件。相對(duì)于亞臨界及以下參數(shù)的機(jī)組，超（超）臨界機(jī)組的蒸汽溫度/壓力大大提高。目前，我國(guó)的超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)主要為24MPa/53 8℃/566℃和24MPa/566℃/566℃，超超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)為（25～28）MPa/600℃/600℃。隨著節(jié)能減排要求的提高，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始建造29MPa/605℃/623℃超超臨界機(jī)組，啟動(dòng)700℃先進(jìn)的超超臨界機(jī)組（A-USC-AdvancedUltraSupercritical）的研發(fā)。隨著機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高，對(duì)機(jī)組高溫部件用鋼提出了更高的新要求，尤其是材料的高溫強(qiáng)度、高溫抗腐蝕、抗氧化能力以及冷/熱加工性能等，因此高溫部件用鋼及其制造技術(shù)成為發(fā)展超（超）臨界機(jī)組的技術(shù)核心[1]。

660MW 超超臨界蒸汽輪機(jī)機(jī)組是中國(guó)乃至世界火電領(lǐng)域技術(shù)較先進(jìn)、環(huán)保、高效的機(jī)型，此機(jī)組的中壓內(nèi)缸鑄件的技術(shù)難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚比變化大，且材質(zhì)屬于新型高合金耐熱鋼，內(nèi)在質(zhì)量要求極高，同時(shí)要求鑄件耐高溫、高壓，防腐蝕，抗沖擊，不允許內(nèi)部缺陷超標(biāo)，確保性能達(dá)到超超臨界工作環(huán)境的要求，屬于典型的高新技術(shù)產(chǎn)品。目前，此類(lèi)鑄件主要依賴(lài)于進(jìn)口，其采購(gòu)成本高，且受制于國(guó)外。實(shí)現(xiàn)此類(lèi)鑄件的國(guó)產(chǎn)化對(duì)于提高大型關(guān)鍵設(shè)備的自產(chǎn)化程度和國(guó)家裝備制造業(yè)水平，推動(dòng)能源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 鑄件研發(fā)過(guò)程

1.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

本文研發(fā)鑄件為中壓內(nèi)缸，為CB2 材質(zhì)（ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB），屬于高合金耐熱鋼鑄件，鑄件三維圖見(jiàn)圖1，其中上半凈重25.8t，三維尺寸為3625mm×3100mm×1447mm，下半凈重30.4t，三維尺寸為3675mm×3500mm×1550mm。

鑄件成分要求嚴(yán)格，具體主要成分要求見(jiàn)表1。

鑄件成品分析時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行氣體含量分析，并提供O2和H2的實(shí)測(cè)結(jié)果。Al、Ti 的實(shí)際含量以≤0.01%為目標(biāo)，Sn 和Cu 含量應(yīng)該檢測(cè)并報(bào)告。

鑄件性能要求比較高，詳細(xì)的性能要求見(jiàn)表2。

圖1 中壓內(nèi)缸鑄件三維圖

表1 主要成分表 ωB/%

表2 鑄件的常溫力學(xué)性能

表3 鑄件的高溫力學(xué)性能

另外對(duì)鑄件焊補(bǔ)區(qū)域，應(yīng)分散抽取至少5 處進(jìn)行硬度檢測(cè)，當(dāng)焊補(bǔ)區(qū)域少于5 處時(shí)，對(duì)所有焊補(bǔ)區(qū)進(jìn)行硬度檢測(cè)。且鑄件上的每一處結(jié)構(gòu)焊縫都應(yīng)該進(jìn)行硬度（HV）檢驗(yàn)。如果焊縫直徑≥300mm，應(yīng)沿圓周選180 度對(duì)稱(chēng)兩點(diǎn)進(jìn)行硬度檢查。最終焊接區(qū)硬度應(yīng)該≤350HV（335HB）。

1.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

本鑄件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，法蘭和缸壁壁厚變化大，內(nèi)腔有三個(gè)氣道，熱節(jié)主要分布在鑄件結(jié)合面法蘭和壁厚變化處。鑄件下半部分管子較多，且管子法蘭處具有集中熱節(jié)，熱節(jié)具體位置如圖2 所示，因此產(chǎn)品底部拉筋及管壁補(bǔ)縮存在困難。

圖2 熱節(jié)分布圖

為確保鑄件內(nèi)部組織致密性及鑄造缺陷較少，鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)上下半采取“墻式補(bǔ)貼”將熱節(jié)集中，然后在“墻式補(bǔ)貼”上方設(shè)置長(zhǎng)冒口實(shí)現(xiàn)鑄件補(bǔ)縮。相對(duì)于傳統(tǒng)的暗冒口補(bǔ)縮方式，所有底部熱節(jié)均通過(guò)“墻式補(bǔ)貼”由明冒口直接補(bǔ)縮，避免了設(shè)置暗冒口后，在凝固中期表面結(jié)殼導(dǎo)致的暗冒口負(fù)壓現(xiàn)象，具有補(bǔ)縮效率高、補(bǔ)縮效果好的特點(diǎn)。對(duì)于比較難以補(bǔ)縮的豎管，采取管壁加隨形補(bǔ)貼；對(duì)于管口法蘭加“扳手式補(bǔ)貼”的綜合補(bǔ)縮方案。由于所有管口質(zhì)量等級(jí)為1 級(jí)，要求較高，并且管口處均為獨(dú)立熱節(jié)，首先，通過(guò)設(shè)置補(bǔ)貼，充分補(bǔ)縮管壁；其次，管口處單獨(dú)設(shè)置暗冒口+“扳手式補(bǔ)貼”，保證管口一整圈均能補(bǔ)縮到位，防止收縮缺陷產(chǎn)生，保證管口質(zhì)量等級(jí)。最終，鑄造工藝設(shè)置冒口、補(bǔ)貼及冷鐵的具體方案如圖3所示。

圖3 鑄造工藝圖

應(yīng)用MAGMA 凝固模擬與模數(shù)計(jì)算相互驗(yàn)證，設(shè)計(jì)冒口及冒口補(bǔ)貼尺寸規(guī)格，通過(guò)補(bǔ)貼和鑄件本體形成補(bǔ)縮通道，保證后凝固的鋼液能源源不斷的補(bǔ)充先凝固區(qū)域，通過(guò)設(shè)置冒口，使鑄件最后凝固部位集中在冒口，將縮松、縮孔引至冒口區(qū)域，保證形成組織致密的鑄件本體，防止出現(xiàn)二次縮松，鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬如圖4 所示。

通過(guò)對(duì)中壓內(nèi)缸鑄件結(jié)構(gòu)分析，上下半主體一致，但是法蘭圓角不同，圓角處輪廓差異大，導(dǎo)致上下半模具不通用，傳統(tǒng)的解決方案是將上下半分別制作模具?？紤]到分別制作模具生產(chǎn)成本高和周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了上、下半主體模具通用的方案，將法蘭圓角整體制作成可拆卸活塊，整體換料處理，可節(jié)約模具成本和制作周期。鑄件造型過(guò)程如圖5、6 所示。

中壓內(nèi)缸氣道、管子多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且材質(zhì)為高合金鋼，澆注過(guò)程中容易出現(xiàn)卷氣、夾雜、沖砂等問(wèn)題。應(yīng)用GS-100 澆注軟件對(duì)澆注過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以保證內(nèi)澆口進(jìn)流速度均勻，型腔內(nèi)液面上升平穩(wěn)快速，避免了由于充型過(guò)快導(dǎo)致的卷氣、夾渣和沖砂問(wèn)題，同時(shí)也避免了澆注紊流和返鋼。

圖4 凝固過(guò)程數(shù)值模擬

圖5 未融合導(dǎo)致的裂紋

1.3 熔煉工藝

CB2 材質(zhì)冶煉的重點(diǎn)、難點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面：

（1）過(guò)程中控制的元素多，需要調(diào)整的成分達(dá)14 種；

（2）各項(xiàng)成分要求嚴(yán)格，范圍非常窄；

（3）由于產(chǎn)品使用的環(huán)境非常惡劣，這就需要鑄件的性能非常穩(wěn)定，即要求鋼液中的雜質(zhì)要少，鋼液的純凈度要高。

由于鋼液中的合金元素多，特別是易氧化的B、Nb 元素，一旦控制不好，可能導(dǎo)致?tīng)t后成分不合，且鋼液——合金氧化對(duì)鑄件質(zhì)量/性能影響非常大，故熔煉采取型腔吹氬及澆注過(guò)程的控制來(lái)減少鋼液/合金的氧化，其具體做法為：澆注前1小時(shí)，對(duì)其鑄型型腔進(jìn)行吹氬，澆注前型腔的氧濃度在5%以下，可大大減少澆注過(guò)程中鋼液的氧化，且澆注過(guò)程中澆口杯到水口的距離在100mm以下，也能有效防止鋼液氧化。

1.4 熱處理工藝

熱處理的工藝方法及參數(shù)確定，最主要的是要明確不同熱處理方法及參數(shù)對(duì)材料顯微組織、力學(xué)性能的影響機(jī)理，尤其是高溫力學(xué)性能。以便確定最佳熱處理工藝參數(shù)，保證常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能的同時(shí)獲得；另外，此材質(zhì)屬于馬氏體耐熱鋼，強(qiáng)度高，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力大，在熱處理過(guò)程中還要重點(diǎn)研究如何減小鑄件的變形和開(kāi)裂問(wèn)題。為保證產(chǎn)品技術(shù)性能達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，參考如圖6 所示的類(lèi)似材質(zhì)的的正火連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變CCT 圖，確定鑄件產(chǎn)品的可行熱處理工藝方式為正火加兩次高溫回火。再利用相近材質(zhì)試塊和電阻熱處理試驗(yàn)爐，圍繞不同的正火冷速和回火溫度及保溫時(shí)間開(kāi)展大量的熱處理工藝性能試驗(yàn)研究。

正火熱處理有助于充分溶解鑄件中的析出相，經(jīng)奧氏體化后形成較小晶粒的奧氏體，冷卻后形成同等晶粒的馬氏體組織；一次回火會(huì)促進(jìn)馬氏體中過(guò)飽和的碳以碳化物的形式析出，同時(shí)降低馬氏體位錯(cuò)密度，從而降低材料的強(qiáng)度，提高塑性和韌性。二次回火的目的是得到足夠多的穩(wěn)定的逆變奧氏體，以提高材料的塑韌性。對(duì)于這種噸位較大，壁較厚的高合金鋼產(chǎn)品，為了減小組織成分偏析，利于性能熱處理前的冒口切割，有時(shí)候也會(huì)在正火前增加一次高溫退火預(yù)備熱處理。

1.5 焊接工藝

由于CB2 材質(zhì)含有較高的合金元素，與其配套的焊材在焊接過(guò)程中，熔池的粘性較大，其熔合區(qū)容易產(chǎn)生未融合及夾渣缺陷，且此類(lèi)材質(zhì)，對(duì)氫較敏感，容易產(chǎn)生延遲裂紋。整個(gè)焊接過(guò)程中，溫度以及焊接手法成為焊接控制的難點(diǎn)，此外，較高的預(yù)熱溫度，給焊接實(shí)施帶來(lái)很大困難。目前全世界只有極少數(shù)廠家生產(chǎn)此類(lèi)焊材。

焊縫金屬的防氧化問(wèn)題：馬氏體耐熱鋼中高合金元素含量較多，其焊材在焊接過(guò)程中熔池溫度較高，焊接過(guò)程中層間溫度不好控制。由于焊材中含有B 元素，高溫下焊縫金屬與空氣接觸，會(huì)加速B 元素的氧化。在防止氧化方面，主要從兩方面解決：一方面，對(duì)于焊絲采用特定配比保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)，另一方面，焊接過(guò)程中，熔池凝固后，先不要進(jìn)行清渣處理，待熔池溫度降低至特定溫度以下再進(jìn)行清渣處理。

裂紋及未熔合缺陷的處理：焊縫熔池流動(dòng)性差，粘性大是此類(lèi)焊材的特性，焊接過(guò)程中焊層過(guò)厚，或缺陷兩邊融合不好，存在空穴。未融合部位容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，是裂紋缺陷產(chǎn)生的源頭。

裂紋及未融合缺陷的解剖研究：如圖5 所示，圖中類(lèi)似蝌蚪狀的缺陷，為典型的未融合導(dǎo)致的裂紋缺陷。對(duì)于此問(wèn)題，主要從焊接手法及焊接預(yù)熱方面解決。采用天然氣火焰對(duì)缺陷邊緣進(jìn)行預(yù)熱，要求焊接前預(yù)熱溫度為110～130℃，焊接部位周?chē)?00mm 范圍內(nèi)需達(dá)到預(yù)熱溫度要求，當(dāng)預(yù)熱溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)控制火焰溫度。焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控缺陷部位的預(yù)熱溫度，當(dāng)溫度高于150℃時(shí)停止焊接，待降溫至預(yù)熱溫度要求范圍內(nèi)接著焊接。始終保持所有焊接部位溫度在預(yù)熱溫度要求的范圍，焊接完成后禁止降溫。焊接手法方面：主要控制好底層焊接質(zhì)量，以及缺陷兩邊融合部位的質(zhì)量，防止焊層之間存在未融合缺陷，焊接過(guò)程中，選擇薄焊層焊接。打底焊按照順序進(jìn)行焊接，焊道之間清渣要徹底，必要時(shí)，采用合金鉆頭打磨。

2 結(jié)論

（1）通過(guò)研究合理的凝固補(bǔ)縮工藝，實(shí)現(xiàn)了鑄件冒口的順序補(bǔ)縮，并策劃了經(jīng)濟(jì)的模型通用方案，節(jié)省了周期和成本。

（2）采取型腔吹氬及澆注過(guò)程的控制來(lái)減少鋼液/合金的氧化。

（3）采用預(yù)備熱處理+高溫正火+高溫回火的熱處理工藝設(shè)計(jì)，并通過(guò)控制N/B 比提高CB2材質(zhì)的高溫持久性能。

（4）通過(guò)特定比例氣體保護(hù)，防止焊縫金屬氧化；采用合理的焊接手法及焊接預(yù)熱方面解決未融合及裂紋。