600MW 改進機組高壓內缸鑄造工藝研發

馮周榮，郭小強，李永新，李文輝，馬 瑞

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

汽輪機是能將蒸汽熱能轉化為機械功的外燃回轉式機械，當前火電發展增速減慢，但長遠來看，在環保技術進步、發電成本降低、電力需求增加等積極因素的推動下，火電行業未來發展前景較為樂觀。火電設備的主要發展趨勢為：高效率、低污染、低能耗、低造價，工業發達國家廣泛應用單機容量為600MW 及以上的大容量超臨界機組。顧客針對600MW 機組進行改進，實施節能降耗措施，利用創建整體優化理論，同時將“單耗分析”和“耗差分析”組合應用，大大降低生產成本，提高了機組效率，響應國家發改委上大壓小、節能降耗的方針。

1 工藝方案的確定

1.1 鑄件基本參數、技術要求及結構特點分析

600MW 改進機組高壓內缸是顧客機型改造后國內首次試驗性采購，此產品屬于汽機承受高壓部件，如圖1，輪廓尺寸為：2518 mm×2314 mm×1108mm，產品凈重單半13.8t，最大壁厚截面尺寸為350mm。化學成分以及機械性能見表1 和表2。

圖1 600MW 改進機組高壓內缸產品圖

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

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，降低焊接區域氫含量，減少裂紋產生。

1.1.2 鑄件結構分析

產品結構特點（具體結構見圖1）：

（1）鑄件鑄造凝固熱節多，如圖2；

（2）氣道管子為放樣曲線結構，管口為鴨嘴進氣口，鴨嘴氣道口窄小只有60mm，且氣道管子處于熱節中間部位，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）該產品鑄件材質為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，如今已廣泛應用于醫學、工業、軍事等多個領域[1]。激光打孔技術具有加工效率高，適應于各類材料，可獲得大的深徑比和可批量群孔加工等優點。

表1 化學成分 ωB/%

表2 機械性能

圖2 600MW 改進機組高壓內缸熱結圖

圖3 600MW 改進機組高壓內缸氣道管口形狀

（4）鑄件內腔、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。

通過分析鑄件結構熱節及氣道管子粘砂傾向，再通過MAGMA 模擬鑄件結構熱節及粘砂情況，分析如下幾點需要重點考慮的工藝措施：

（1）熱節凝固模擬問題，如圖4 MAGMA 熱節模擬所示，熱節模擬分布分散，尤其在氣道管口兩側熱節較大，此處壁厚達到350mm，需要設置冒口。

圖4 MAGMA 熱節模擬

（2）氣道槽內粘砂問題，如圖5 MAGMA 粘砂模擬分析，氣道粘砂風險很高，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 工藝方案設計

1.2.1 鑄造工藝設計

考慮鑄件結構及檢測質量要求，為了解決其熱節補縮及鑄造集渣問題，采用墻冒口為主的冒口設計鑄造工藝。其鑄造工藝見圖6，其冒口計算采用模數計算法：

圖6 600MW 改進機組高壓內缸鑄造工藝圖

模數計算：利用冒口補縮梯度關系M2≥1.1M1，明冒口M冒≥1.2M,暗冒口M冒≥1.5M 的關系選擇冒口。同時依據冒口補縮區與末端區關系，調整冷鐵實現對鑄件的補縮。通過MAGMA 模擬調整工藝，模擬結果如圖7 所示，對于氣道防粘砂問題采用新鉻礦砂手工緊實即可滿足。

圖7 MAGMA 凝固模擬

1.2.3 焊接工藝設計

通過與同類鑄件、其他相似結構鑄件進行對比，600MW 缸體UT 缺陷不多及根據材質特性，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 范圍進行后熱，后熱要求溫度達到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℃/小時速度進行降溫使其緩冷至100～150℃后進行鏟磨及缺陷檢測返修處理（禁止采用風動工具打磨）。達檢測狀態后進行高溫檢測，整個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℃保溫直至進爐進行質量熱處理。

1.2.4 熱處理工藝的設計

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%，其凝固偏析系數大，在鑄件凝固過程中極易產生偏析，對熱處理后產品的組織性能影響很大。同時，V 的偏析，也很容易造成鑄件開裂。且該產品氣道槽形狀不利于NDT、焊接、鏟磨等，需要采用結構焊接的方法處理，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，該產品的成分設計不僅應考慮產品的性能要求，還需考慮如何應對產品的淬火開裂性和焊接性。

為了提高鑄件的焊接性，提高焊接質量，對本項目產品而言，其V 含量應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，應綜合考慮鑄件的強度、塑韌性、沖擊、可焊性等方面，從Ceq 和淬火開裂性的角度優化成分范圍，將Ceq 范圍控制在0.6～0.9 之間。為了提高鑄件的焊接質量，該材質首次增加了高溫退火工藝。退火后的鑄件先進行加工、焊接等，最后才進行淬火+回火的性能熱處理。同時，該材質鑄件焊接后在性能熱處理前首次增加了消氫工藝，降低焊接區域氫含量，減少裂紋產生。

2 生產效果

通過鑄造工藝的設計及氣道口的料焊，成功預防了氣道管口內部的粘砂問題，同時墻冒口的設計，有效解決了鑄件一級區鑄造缺陷問題，鑄件化學成分、機械性能均達到顧客規范要求。通過實際生產驗證，可以批量生產。

3 結論

通過鑄造工藝研發及實際鑄件生產驗證，得到如下結論：

（1）鑄造工藝的設計及氣道口的料焊，成功預防了氣道管口內部的粘砂問題；

（2）墻冒口的設計，有效解決了鑄件一級區鑄造缺陷問題；

（3）通過熱處理工藝設計有效防止了含V 材質開裂問題；

通過有效工藝設計及過程控制，成功對600MW 改進機組高壓內缸成功研發，達到顧客要求。