600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸鑄造工藝研發(fā)

馮周榮，郭小強(qiáng)，李永新，李文輝，馬 瑞

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

汽輪機(jī)是能將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的外燃回轉(zhuǎn)式機(jī)械，當(dāng)前火電發(fā)展增速減慢，但長遠(yuǎn)來看，在環(huán)保技術(shù)進(jìn)步、發(fā)電成本降低、電力需求增加等積極因素的推動下，火電行業(yè)未來發(fā)展前景較為樂觀?；痣娫O(shè)備的主要發(fā)展趨勢為：高效率、低污染、低能耗、低造價(jià)，工業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用單機(jī)容量為600MW 及以上的大容量超臨界機(jī)組。顧客針對600MW 機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)施節(jié)能降耗措施，利用創(chuàng)建整體優(yōu)化理論，同時(shí)將“單耗分析”和“耗差分析”組合應(yīng)用，大大降低生產(chǎn)成本，提高了機(jī)組效率，響應(yīng)國家發(fā)改委上大壓小、節(jié)能降耗的方針。

1 工藝方案的確定

1.1 鑄件基本參數(shù)、技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸是顧客機(jī)型改造后國內(nèi)首次試驗(yàn)性采購，此產(chǎn)品屬于汽機(jī)承受高壓部件，如圖1，輪廓尺寸為：2518 mm×2314 mm×1108mm，產(chǎn)品凈重單半13.8t，最大壁厚截面尺寸為350mm?；瘜W(xué)成分以及機(jī)械性能見表1 和表2。

圖1 600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸產(chǎn)品圖

NDT 要求：100%UT；內(nèi)腔及中分面UT 一級區(qū)，毛面UT 二級區(qū)，焊接部位UT 一級區(qū)；100%MT，不允許將內(nèi)冷鐵和芯撐留在鑄件內(nèi)。

熱處理要求：950℃高溫退火，700～750℃焊后熱處理，聚合物淬火，700～720℃回火，該材質(zhì)鑄件焊接后在性能熱處理前首次增加了消氫工藝，降低焊接區(qū)域氫含量，減少裂紋產(chǎn)生。

1.1.2 鑄件結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（具體結(jié)構(gòu)見圖1）：

（1）鑄件鑄造凝固熱節(jié)多，如圖2；

（2）氣道管子為放樣曲線結(jié)構(gòu)，管口為鴨嘴進(jìn)氣口，鴨嘴氣道口窄小只有60mm，且氣道管子處于熱節(jié)中間部位，氣道管口芯子四周處于鋼水包圍之中，氣道管子容易粘砂，如圖3；

（3）該產(chǎn)品鑄件材質(zhì)為G17CrMoV5-10，材料V 含量高，裂紋開裂傾向大；

激光作為一種高亮度的定向能束，如今已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域[1]。激光打孔技術(shù)具有加工效率高，適應(yīng)于各類材料，可獲得大的深徑比和可批量群孔加工等優(yōu)點(diǎn)。

表1 化學(xué)成分 ωB/%

表2 機(jī)械性能

圖2 600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸熱結(jié)圖

圖3 600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸氣道管口形狀

（4）鑄件內(nèi)腔、中分面全部為加工面，UT 一級檢測要求，不能有夾渣、線性裂紋、縮松等缺陷。

通過分析鑄件結(jié)構(gòu)熱節(jié)及氣道管子粘砂傾向，再通過MAGMA 模擬鑄件結(jié)構(gòu)熱節(jié)及粘砂情況，分析如下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)考慮的工藝措施：

（1）熱節(jié)凝固模擬問題，如圖4 MAGMA 熱節(jié)模擬所示，熱節(jié)模擬分布分散，尤其在氣道管口兩側(cè)熱節(jié)較大，此處壁厚達(dá)到350mm，需要設(shè)置冒口。

圖4 MAGMA 熱節(jié)模擬

（2）氣道槽內(nèi)粘砂問題，如圖5 MAGMA 粘砂模擬分析，氣道粘砂風(fēng)險(xiǎn)很高，鑄造工藝需要考慮氣道，防止粘砂。

圖5 MAGMA 粘砂傾向模擬

1.2 工藝方案設(shè)計(jì)

1.2.1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

考慮鑄件結(jié)構(gòu)及檢測質(zhì)量要求，為了解決其熱節(jié)補(bǔ)縮及鑄造集渣問題，采用墻冒口為主的冒口設(shè)計(jì)鑄造工藝。其鑄造工藝見圖6，其冒口計(jì)算采用模數(shù)計(jì)算法：

圖6 600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸鑄造工藝圖

模數(shù)計(jì)算：利用冒口補(bǔ)縮梯度關(guān)系M2≥1.1M1，明冒口M冒≥1.2M,暗冒口M冒≥1.5M 的關(guān)系選擇冒口。同時(shí)依據(jù)冒口補(bǔ)縮區(qū)與末端區(qū)關(guān)系，調(diào)整冷鐵實(shí)現(xiàn)對鑄件的補(bǔ)縮。通過MAGMA 模擬調(diào)整工藝，模擬結(jié)果如圖7 所示，對于氣道防粘砂問題采用新鉻礦砂手工緊實(shí)即可滿足。

圖7 MAGMA 凝固模擬

1.2.3 焊接工藝設(shè)計(jì)

通過與同類鑄件、其他相似結(jié)構(gòu)鑄件進(jìn)行對比，600MW 缸體UT 缺陷不多及根據(jù)材質(zhì)特性，采用手工電弧焊工藝即可滿足。對于缺陷焊接，焊接完成后對焊接部位及其周邊200mm 范圍進(jìn)行后熱，后熱要求溫度達(dá)到250～300℃后保持3h，但最終不得低于120℃；后熱完成后用保溫棉及絕熱布遮蓋，以60℃/小時(shí)速度進(jìn)行降溫使其緩冷至100～150℃后進(jìn)行鏟磨及缺陷檢測返修處理（禁止采用風(fēng)動工具打磨）。達(dá)檢測狀態(tài)后進(jìn)行高溫檢測，整個(gè)檢測返修過程確保溫度不得低于80℃。檢測合格后立即架火升溫至200℃保溫直至進(jìn)爐進(jìn)行質(zhì)量熱處理。

1.2.4 熱處理工藝的設(shè)計(jì)

鑄件材料牌號為G17CrMoV5-10，屬于低合金CrMoV 材料，由于鑄件含有較多的V（約為0.25%，其凝固偏析系數(shù)大，在鑄件凝固過程中極易產(chǎn)生偏析，對熱處理后產(chǎn)品的組織性能影響很大。同時(shí)，V 的偏析，也很容易造成鑄件開裂。且該產(chǎn)品氣道槽形狀不利于NDT、焊接、鏟磨等，需要采用結(jié)構(gòu)焊接的方法處理，而鑄件V 含量高也對鑄件的焊接性有影響，增加焊接難度。因此，該產(chǎn)品的成分設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮產(chǎn)品的性能要求，還需考慮如何應(yīng)對產(chǎn)品的淬火開裂性和焊接性。

為了提高鑄件的焊接性，提高焊接質(zhì)量，對本項(xiàng)目產(chǎn)品而言，其V 含量應(yīng)控制在顧客范圍下限，以降低V 在凝固過程中的偏析，引起組織和性能的不均勻性。對于C、Si、Mn、Cr 等合金元素，應(yīng)綜合考慮鑄件的強(qiáng)度、塑韌性、沖擊、可焊性等方面，從Ceq 和淬火開裂性的角度優(yōu)化成分范圍，將Ceq 范圍控制在0.6～0.9 之間。為了提高鑄件的焊接質(zhì)量，該材質(zhì)首次增加了高溫退火工藝。退火后的鑄件先進(jìn)行加工、焊接等，最后才進(jìn)行淬火+回火的性能熱處理。同時(shí)，該材質(zhì)鑄件焊接后在性能熱處理前首次增加了消氫工藝，降低焊接區(qū)域氫含量，減少裂紋產(chǎn)生。

2 生產(chǎn)效果

通過鑄造工藝的設(shè)計(jì)及氣道口的料焊，成功預(yù)防了氣道管口內(nèi)部的粘砂問題，同時(shí)墻冒口的設(shè)計(jì)，有效解決了鑄件一級區(qū)鑄造缺陷問題，鑄件化學(xué)成分、機(jī)械性能均達(dá)到顧客規(guī)范要求。通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，可以批量生產(chǎn)。

3 結(jié)論

通過鑄造工藝研發(fā)及實(shí)際鑄件生產(chǎn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）鑄造工藝的設(shè)計(jì)及氣道口的料焊，成功預(yù)防了氣道管口內(nèi)部的粘砂問題；

（2）墻冒口的設(shè)計(jì)，有效解決了鑄件一級區(qū)鑄造缺陷問題；

（3）通過熱處理工藝設(shè)計(jì)有效防止了含V 材質(zhì)開裂問題；

通過有效工藝設(shè)計(jì)及過程控制，成功對600MW 改進(jìn)機(jī)組高壓內(nèi)缸成功研發(fā)，達(dá)到顧客要求。