600MWCCH蒸汽輪機(jī)外缸鑄件鑄造工藝優(yōu)化

付 龍

（共享集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021）

1 工藝設(shè)計(jì)方案

1.1 鑄件的基本參數(shù)及技術(shù)要求

蒸汽輪機(jī)高中壓外缸鑄件的材質(zhì)為鑄造低合金鋼， 牌號(hào)ZG15Cr1Mo1V；重量：上缸52 噸，下缸53 噸，上下部裝配見圖1；輪廓尺寸：上缸5550*3840*1920，下缸6540*3840*2280；鑄造公差：GB/T6414-1999，CT12 級(jí)；最大截面壁厚：330mm；最小壁厚：40mm；NDT 要求：100%UT，100%MT，加工面100%PT，管口部位要求100%RT， 按照ASTM A609/A609M 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行NDT 檢測(cè)；首件生產(chǎn)需要按照SGC-002 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RT 檢測(cè)。 組織要求：回火貝氏體+小于20%共析鐵素體；外觀要求：所有外觀面要達(dá)到JB/T4058-1999 中的潔-2 要求。材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V 具體成分見表1。

表1 化學(xué)成分

圖1 高中壓外缸上下部裝配圖

1.2 初始鑄造工藝設(shè)計(jì)

從鑄件結(jié)構(gòu)分析，確定鑄件的分型方案，鑄件本身為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，由汽缸中心線向缸體兩側(cè)以3%的壁厚逐漸遞增利于順序凝固，結(jié)合面螺栓孔厚大法蘭最厚，便于設(shè)置冒口，有效補(bǔ)縮，其余部位利用冒口及冷鐵，考慮鑄件的尺寸公差要求較高，減少出芯子導(dǎo)致鑄件的尺寸偏差，采用對(duì)撞造型。

按照鑄件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)冒口和冷鐵，需要10個(gè)橢圓形保溫冒口，冒口安全系數(shù)1.1。

澆注方式，采用底返式澆注系統(tǒng)，為防止內(nèi)澆口沖砂導(dǎo)致缺陷，內(nèi)澆道開設(shè)在暗冒口底部或鑄件的厚大部位，減少?zèng)_砂風(fēng)險(xiǎn)， 經(jīng)采用澆注系統(tǒng)計(jì)算軟件設(shè)計(jì)計(jì)算， 確定主要工藝參數(shù)如下：澆道斷面比：∑孔：∑直：∑橫：∑內(nèi)=1：1.4：3：6.8；澆注重量：85t；澆注時(shí)間：110s；液面上升速度：18mm/s；澆注溫度：1 570～1 630℃。

2 鑄件的典型缺陷

2.1 鑄件缺陷

圖2 外缸鑄件螺栓孔法蘭縮松缺陷

圖3 外缸鑄件螺栓孔法蘭R處裂紋缺陷

在實(shí)際生產(chǎn)中，按初始工藝進(jìn)行造型、澆注。 粗加工后在螺栓孔法蘭處發(fā)現(xiàn)有大量縮松出現(xiàn)， 同時(shí)在螺栓孔法蘭被面的R處存在連續(xù)性的裂紋，如圖2、圖3。

2.2 缺陷的原因分析

2.2.1 螺栓孔法蘭的縮松缺陷分析

鑄件粗加工后經(jīng)過NDT 檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在分型面對(duì)應(yīng)的冒口根部有縮松缺陷，冒口的計(jì)算選用模數(shù)法。 鑄件從澆注冷卻到室溫的過程中，隨著溫度的變化，體積要發(fā)生三次收縮變化：第一階段是液態(tài)收縮階段，合金液從澆注溫度冷卻到液相線溫度，金屬完全處于液態(tài)，金屬體積減小，表現(xiàn)為型腔內(nèi)部液面的降低，稱為液態(tài)收縮；第二階段是凝固收縮階段，自液相線溫度冷卻到固相線溫度，稱為凝固收縮；第三階段固態(tài)收縮階段，自固相線溫度冷卻到常溫，鑄件達(dá)到工藝要求尺寸，稱為固態(tài)收縮。 當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔后，靠近型壁的金屬液散熱快，冷卻速度快，而后向鑄件中心逐層凝固。 鑄件在冷卻凝固的過程中，一般液態(tài)收縮時(shí)可以得到冒口中液態(tài)金屬的補(bǔ)縮， 這個(gè)階段的收縮對(duì)鑄件質(zhì)量影響不大；固態(tài)收縮對(duì)形成縮孔、縮松缺陷的影響也不大，但如果在凝固收縮時(shí)得不到補(bǔ)縮，就會(huì)在鑄件最后凝固的部位（熱節(jié)處）形成細(xì)小或分散的孔洞，即縮孔、縮松缺陷。 宏觀角度上認(rèn)為600MWCCH 蒸汽輪機(jī)外缸結(jié)合面螺栓孔法蘭壁厚較大，模數(shù)較大，工藝設(shè)計(jì)的冒口較大，從鑄件的縮松形態(tài)看應(yīng)該是第三階段固態(tài)收縮時(shí)產(chǎn)生的縮松，未能形成良好的楔形補(bǔ)縮通道，導(dǎo)致冒口的垂直有效補(bǔ)縮距離不足， 鑄件法蘭中心凝固過程中出現(xiàn)縮松。

2.2.2 螺栓孔法蘭背面的R 裂紋缺陷分析

（1）鑄件裂紋一般分為熱裂和冷裂，表現(xiàn)為鑄件表面出現(xiàn)很深的裂痕或者在鑄件內(nèi)部形成內(nèi)裂紋（必須經(jīng)過UT 才可以發(fā)現(xiàn)），鑄件表面有單條或多條裂紋，走向扭曲，鑄鋼件裂口的裂壁呈黑的氧化色。 由于鋼液的流動(dòng)性差，鋼液容易氧化，非金屬夾雜物很容易混雜在鋼水中使鑄件在收縮凝固后期產(chǎn)生內(nèi)熱裂或皮下熱裂。 根據(jù)鑄件缺陷的特點(diǎn)， 統(tǒng)計(jì)了實(shí)際生產(chǎn)的300～1000MW 高中壓外缸的相同R 部位的缺陷，如圖4，統(tǒng)計(jì)了圖7左圖所示（壁厚比=T/t）與右圖裂紋率之間的關(guān)系。 當(dāng)R 一定，澆注溫度為1570～1630℃的條件下，隨著壁厚比值的增大，裂紋有增加的傾向。在相同的壁厚比值當(dāng)中裂紋率也存在著差異，分析原因?yàn)闈沧囟鹊挠绊懺斐傻模?澆注溫度與裂紋率也有很大的關(guān)系，澆注溫度越高裂紋率也越高。

圖4 壁厚比和裂紋的關(guān)系圖

（2）防裂筋的設(shè)計(jì)。 鑄件的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鑄件法蘭同缸體連接的R 部位容易產(chǎn)生裂紋， 由于鑄件R 部位壁厚差異大，工藝上設(shè)計(jì)了防裂筋，防裂筋厚度為鑄件壁厚的1/3，拉筋高度按照法向方向垂直于R 設(shè)計(jì)，減少R 處結(jié)構(gòu)凝固時(shí)所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，以防止熱裂風(fēng)險(xiǎn)，但通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，在外缸R(shí) 處仍產(chǎn)生很深、很長的裂紋，見圖3，考慮到鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)鑄件的設(shè)計(jì)壁厚逐漸增加的理念， 使鑄件按照順序凝固的方式逐層凝固， 同時(shí)將防裂筋的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能的考慮減少鑄件本身的結(jié)構(gòu)帶來的收縮應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。

3 工藝措施

根據(jù)缸體鑄件的關(guān)鍵部位的典型缺陷，工藝改進(jìn)從螺栓孔法蘭縮松和R 部位的裂紋發(fā)生部位改進(jìn)，采取工藝措施，保證朝向冒口的揳形補(bǔ)縮通道暢通和減少R 部位的收縮應(yīng)力導(dǎo)致裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 由于外界的條件的偏差導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)過于理想化，因此需要提高冒口的安全系數(shù)，加大冒口模數(shù)，如果增大冒口規(guī)格型號(hào)，雖然滿足了安全系數(shù)要求，但增加了冒口的切割面積，增加了清理工時(shí)，為保證冒口的安全系數(shù)，工藝上通過增加冒口高度進(jìn)而提高冒口模數(shù)而提高安全系數(shù)，不增加清理工作量，根據(jù)鑄件的計(jì)算模數(shù)，設(shè)計(jì)冒口的安全系數(shù)建議為1.2～1.5，實(shí)踐證明徹底解決了螺栓孔部位的縮松缺陷。

3.2 在保證鑄件充型的條件下， 應(yīng)該選擇低的澆注溫度，澆注溫度控制在1570～1590℃為宜。

3.3 沿鑄件的橫截面方向增加防裂筋的斜度，改變鑄件R部位的設(shè)計(jì)，減少收縮應(yīng)力影響，防裂筋斜度設(shè)計(jì)為3～5 度。

4 CAE 模擬

將改進(jìn)后的三維鑄造工藝進(jìn)行三維實(shí)體造型， 然后將鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵等三維實(shí)體轉(zhuǎn)換成STL 格式文件，導(dǎo)入CAE 凝固模擬軟件進(jìn)行有限差分網(wǎng)格剖分和熱分析，通過CAE模擬軟件后處理判據(jù)中的Feeding、Niyama 虛擬仿真分析， 模擬結(jié)果如圖5。

圖5 模擬結(jié)果

從圖a 中可以看出藍(lán)色部位為冒口的縮松位置，但是在模擬結(jié)果中縮松的安全距離在至少200mm 以上， 法蘭中沒有缺陷，從圖b 中可以看出冒口補(bǔ)縮能力充分，因此可以確定此工藝方案對(duì)鑄件產(chǎn)生的縮松問題可以完全解決。

[1]陳國楨主編：《鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]王春樂.鑄鋼件縮孔縮松預(yù)測(cè)方法及判據(jù)淺析[J].山西機(jī)械2003（121）：7-10.

[3]沈邱農(nóng).超超臨界汽輪機(jī)的特點(diǎn)[J].動(dòng)力工程2002，第22卷.