全世紅

(首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，貴州貴陽550000)

?

超臨界汽輪機主氣閥閥體鑄造工藝實踐

全世紅

(首鋼貴陽特殊鋼有限責任公司，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，并對這些因素進行了分析。同時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、復雜化方面發(fā)展，同時對鑄件的內(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汽輪機閥體基本情況

超臨界汽輪發(fā)電機組的主氣閥閥體是汽輪機上的重要部件，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廠有限責任公司火電機組配套生產(chǎn)的汽輪機主氣閥閥體毛坯鑄件，鑄件內(nèi)外質(zhì)量都要求十分苛刻，需要進行100%的超聲波探傷(UT)和磁粉探傷(MT)，尺寸要求嚴格。

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)時間長[2]，因此對鑄型的高溫力學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，該工藝還有一個顯著的特點，即澆注時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)不銹鋼及高強度合金鑄件等[9]；同時，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，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、補貼重量11 300 kg，工藝出口率61.2%。見圖1。

但是，采用這個工藝方案有以下缺點：

圖1　原工藝方案

1)外皮的增肉量很大，冒口下部的補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，因而對兩端遠離冒口部位的補縮效果不明顯，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，又很難進行挖補處理，給后續(xù)工序帶來了更大的困難。

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

2.3改進后的造型工藝方案

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：

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、補貼而出現(xiàn)的裂紋，外觀質(zhì)量好。

圖2　改進后工藝方案

2)如圖2所示，用冷鐵來調(diào)整閥體的三個凸臺的凝固順序之后，鑄件的其余部份近似一個上大下小的錐臺，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，提高了鑄件的補縮效率。

2.4熔煉及澆注控制

汽輪機主氣閥閥體的熔煉及澆注是在現(xiàn)場進行的，首先用康斯迪爾堿性電弧爐進行熔煉及基本成分調(diào)整，之后在鋼包真空爐中進行除渣、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 ℃的熱風管對鑄型型腔進行加熱、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格控制在1 650 ℃～1 680 ℃范圍，出水后保溫靜置10 min～15 min，在達到澆注溫度1 550 ℃～1 570 ℃時進行澆注，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間遠遠少于原工藝方案，同時大大減少了因要切割而產(chǎn)生的裂紋的危險。

2)原工藝方案的一個最大的問題是外壁增肉、補貼的切割清理工作量增大，外壁形狀不易得到保證，最為嚴重的是圓角部位常出現(xiàn)的切割增肉、補貼等時的多挖現(xiàn)象，焊補工作量大；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個點，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汽輪機主氣閥閥體24件，經(jīng)毛坯檢驗，未發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松、冷隔、氣孔等鑄造缺陷，毛坯合格率100%；機加工結(jié)束后，經(jīng)超聲波探傷檢驗，平均每件閥體有4-6個UT缺陷，通過有效的焊補后完全達到質(zhì)量要求。

超臨界ZG1Cr10MoWVNbN汽輪機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)計的正確，工藝措施的切實可行。

參考文獻

[1]趙成志，魏雙勝，武桂香，等. ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼的斷裂特征與強化機制[J].材料工程，2008(3)：1-4．

[2]宋會宗，張遠大.大型鑄鋼件用鎂鋁質(zhì)球形砂的研究[J]．鑄造，1999(8)12-16.

[3]黃天佑，劉小剛，康進武，等.我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].鑄造，2007，56(9)：899-904．

[4]中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會.鑄造手冊：第5卷[M].北京，機械工業(yè)出版社，2000：771-835.

[5]劉小剛，康進武，黃天佑，等.大型軋鋼機機架凝固過程溫度場應(yīng)力場模擬分析[J].鑄造，2006，55(9)：922-926．

[6]陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：75-489．

[7]李遠才. 鑄造材料實用手冊[M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2009：288-291.

[8]李世成，李漢錕，康曉明，等．大型鑄鋼件用酯硬化堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑系統(tǒng)的開發(fā)研究 [J]．鑄造，2011，60(8)：735-738.

[9]羅昊，趙丹丹，李世成，等．酯硬化堿性酚醛樹脂舊砂的再生工藝[J]．鑄造，2011，60(8)：791-793.

[10]李魁盛. 鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1983：90-91.

中圖分類號：TG244

文獻標識碼：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