張立文，羅永建

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

1 000 MW 超超臨界凝氣式蒸汽輪機(jī)是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的火力發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)額定主汽壓力26.25 MPa、主汽溫度600 ℃[1]。本文提及的產(chǎn)品是該蒸汽輪機(jī)高壓進(jìn)氣端部位的配套鑄鋼件，材質(zhì)為GX12CrMoVNbN10-1-1，鑄件毛坯質(zhì)量56.53 t，最大壁厚457 mm，平均壁厚200 mm，鑄件無(wú)損探傷要求1 級(jí)。同時(shí)，鑄件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，壁厚相差懸殊，很容易出現(xiàn)粘砂、縮松、裂紋等鑄造缺陷。本文著重就造型生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的燒結(jié)、氣孔、縮松等質(zhì)量問(wèn)題，做了細(xì)致的研究。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)分析

圖1 鑄件剖視圖

鑄件剖視如圖1 所示，輪廓尺寸為3 508×2 900×2 748（mm），上法蘭壁厚457 mm,極易產(chǎn)生縮松；中間平衡汽管內(nèi)徑?516 mm，外徑?973 mm，平均壁厚228 mm，易產(chǎn)生粘砂缺陷。

鑄件靠近貓爪處有8 根長(zhǎng)臍子，每個(gè)臍子有不同的空間角度且尺寸精度要求高，見(jiàn)圖2，無(wú)損探傷要求為零級(jí)，此部位為工藝設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖2 鑄件正等側(cè)視圖

貓爪處為孤立熱節(jié)，明冒口很難給此處熱節(jié)補(bǔ)縮，若產(chǎn)生縮松，內(nèi)腔空間狹窄，焊接很困難，見(jiàn)圖3。軸孔處直徑為?457 mm，直徑偏小，此處也為孤立熱節(jié)，設(shè)置冒口、補(bǔ)貼及冷鐵均存在很大困難和弊端，見(jiàn)圖4。

2 工藝方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 造型方案的設(shè)計(jì)及實(shí)施

圖3 貓爪部位局部剖視圖

圖4 軸孔部位局部剖視圖

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)質(zhì)量要求，兼顧到現(xiàn)場(chǎng)操作的難點(diǎn)和要點(diǎn)，并吸取以往生產(chǎn)類(lèi)似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，選擇圓孔中心作為分型面。若內(nèi)腔整體出芯，平衡管處芯頭很難將芯子支撐，導(dǎo)致芯子下沉。因此，造型方案設(shè)計(jì)時(shí)，沿分型面將上箱部分設(shè)計(jì)為吊胎，下箱部分設(shè)計(jì)為芯子，為防止芯子變形，芯骨采用4 根?60 mm 的圓鋼。平衡管壁厚228 mm，內(nèi)徑?516 mm，其中易產(chǎn)生粘砂缺陷，采用4 根圓鋼同時(shí)作為隔砂冷鐵用，同時(shí)該部位采用鉻礦砂+細(xì)鋼丸砂防止產(chǎn)生粘砂缺陷，造型方案見(jiàn)圖5。

圖5 鑄件造型方案

針對(duì)靠近貓爪處的8 根長(zhǎng)臍子，如果直接做木質(zhì)模型，臍子在造型時(shí)很難操作。因此，采用出芯法，將臍子單獨(dú)制作芯盒，改變填砂方向，利于造型操作，方便尺寸控制，見(jiàn)圖6。

圖6 臍子部位芯盒

2.2 鑄件冒口及補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)及實(shí)施

鑄件的結(jié)構(gòu)及造型方案確定了鑄件的冒口及補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)鑄件熱節(jié)分布、鑄件的模數(shù)、水平補(bǔ)縮距離確定冒口的型號(hào)和數(shù)量，再用鑄件補(bǔ)縮液量進(jìn)行校核[2]。冒口的設(shè)計(jì)采用模數(shù)確定其最小型號(hào)，通過(guò)補(bǔ)縮液量校核確定冒口最終尺寸，這種方法的基本原理在于確保冒口最后凝固，并給鑄件提供充裕的補(bǔ)縮液量，確保鑄件組織致密，滿足顧客對(duì)鑄件內(nèi)在質(zhì)量的要求[3]。

明冒口大小的選擇取決于法蘭的模數(shù)，及補(bǔ)縮液量，計(jì)算法蘭的公式為[4]：M=S/CL。式中S 為鑄件截面積，CL為截面周長(zhǎng)（不包括非散熱面）。

一般M冒=1.2M件，即可滿足補(bǔ)縮要求，按上述方法，計(jì)算法蘭模數(shù)：

再根據(jù)本公司的GS-100 軟件核算補(bǔ)縮液量及法蘭可放置明冒口的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)冒口無(wú)法滿足鑄件補(bǔ)縮要求，本次明冒口采用環(huán)形冒口設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖7。

圖7 環(huán)形冒口設(shè)計(jì)方案

軸孔及貓爪為獨(dú)立熱節(jié)，目前有兩種方案。第一種從上法蘭開(kāi)始設(shè)計(jì)非均勻加工量到軸孔且在軸孔上端面加冷鐵，形成補(bǔ)縮通道，見(jiàn)圖7，但加工量過(guò)大，約為15～80 mm，給加工帶來(lái)很大困難，且加工成本高昂。

第二種在軸孔上設(shè)計(jì)暗冒口，但軸孔直徑為?457 mm，允許設(shè)計(jì)的冒口不能太大，但是經(jīng)過(guò)補(bǔ)縮液量的核算，小的冒口不能滿足補(bǔ)縮要求。因此，暗冒口設(shè)計(jì)時(shí)，采用工藝創(chuàng)新，設(shè)計(jì)階梯暗冒口，可滿足臍子的探傷要求。兩種工藝方案分別見(jiàn)圖8、9。

圖8 鑄造工藝方案（一）

圖9 鑄造工藝方案（二）

鑄件的冒口補(bǔ)貼及冷鐵的設(shè)計(jì)是保證鑄件內(nèi)部組織致密的決定因素。除模數(shù)計(jì)算外，應(yīng)用MAGMA凝固模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，確定最合理的冒口及補(bǔ)貼尺寸規(guī)格。在補(bǔ)縮末端區(qū)設(shè)置冷鐵，調(diào)整補(bǔ)縮區(qū)域、調(diào)整溫度場(chǎng)，有利于順序凝固和有效補(bǔ)縮，確保內(nèi)部組織致密，滿足無(wú)損探傷要求[5]，見(jiàn)圖10。

圖10 MAGMA 凝固模擬

2.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼液熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、收縮大、易氧化，澆注系統(tǒng)必須保證鋼液充型平穩(wěn)，要求快速的流入型腔，并能夠順利排氣、排渣、防止局部過(guò)熱而產(chǎn)生裂紋、縮孔等[6]。應(yīng)用GS-100 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，進(jìn)行模擬優(yōu)化。

此鑄件壁厚厚大，易產(chǎn)生縮松、縮孔、裂紋等缺陷，設(shè)置澆冒系統(tǒng)，阻止剛澆入型腔的頭股溫度較低的鋼液進(jìn)入冒口，降低冒口補(bǔ)縮能力[7]。

滑動(dòng)水口為?120 mm，要求快速澆注。計(jì)算澆注時(shí)間，結(jié)果為98 s，計(jì)算鋼液上升速度v=h/t，式中h為鑄件高度，結(jié)果為v=20 mm/s。

澆注系統(tǒng)采用開(kāi)放式系統(tǒng)，截面積比為滑動(dòng)水口∶直澆口∶橫澆口∶內(nèi)澆口=1∶1.4∶2.5∶16。利用模擬軟件，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化改進(jìn)，見(jiàn)圖11，設(shè)計(jì)出最佳的澆注系統(tǒng)。

圖11 鑄件充型模擬

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出鑄件在鑄造過(guò)程中存在的各種難點(diǎn)，為工藝設(shè)計(jì)做了充足準(zhǔn)備，采用組芯加實(shí)體造型的工藝方法，解決了貓爪處臍子尺寸精度控制難的問(wèn)題。

（2）明冒口采用環(huán)形冒口法，解決了法蘭厚大補(bǔ)縮困難且空間位置常規(guī)冒口不易放置的問(wèn)題，創(chuàng)新采用階梯暗冒口法，成功解決了貓爪、軸孔、臍子不易補(bǔ)縮的問(wèn)題。

（3）應(yīng)用模數(shù)計(jì)算及MAGMA 凝固模擬對(duì)鑄件的冒口、補(bǔ)貼、冷鐵、砂芯等工藝措施方面做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)GS-100 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件及MAGMA的模充型模擬，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，確保澆注過(guò)程穩(wěn)定充型。

（4）通過(guò)鑄件實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，鑄件質(zhì)量良好，完全滿足無(wú)損探傷要求。

[1]江哲生，董衛(wèi)國(guó)，毛國(guó)光.國(guó)產(chǎn)1 000 MW 超超臨界機(jī)組技術(shù)綜述[J].電力建設(shè)，2007（8）.

[2]魏兵，袁森，等.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]王明光，楊方洲，田亮亮.造紙機(jī)輥筒鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].鑄造,2013(11):10.

[4]鑄造手冊(cè).鑄造工藝卷[M].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專(zhuān)業(yè)學(xué)會(huì)編.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5]張立文，王曉剛.240MW 抽水蓄能機(jī)組閥體的鑄造工藝研發(fā)[J].鑄造設(shè)備與工藝,2013(1):25.

[6]邱斌.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬[J].太原理工大學(xué)，2011.

[7]張立文，彭凡，羅永建.蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組高中壓外缸鑄件研發(fā)[C].第十屆中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)會(huì)刊,2012（3）:8.