亞臨界600MW汽輪機主調門閥殼鑄造工藝研究

     我公司引進西門子-西屋公司技術的亞臨界600MW汽輪機中，主汽門調節閥殼（以下簡稱閥殼）是重要部件之一，每臺機組有左、右各一只。600MW閥殼與300MW閥殼相比，雖然結構類似，但尺寸更大、壁厚更厚，如仍然采用300MW閥殼的實心鑄造工藝生產，則已經超出我公司現有生產設備的負荷，因此就必須采用新的空心鑄造工藝。本文主要敘述該主調門閥殼在鑄造工藝及生產方面所做的研究工作。

      2 鑄件結構及鑄造難點分析

      2.1 零件結構分析

     該閥殼主要由一個主汽門和二個調節汽門組成，從結構上可分為汽門和調門兩個部分，*大外形尺寸為2542×1528.8×1250mm，除外輪廓的弧形表面外，其余均為加工面。其*大壁厚約350mm，*小壁厚為115mm，結構如圖1。

     閥殼汽門部分長約1241.7mm，基本系由內腔和外形不同心的兩個圓柱和一個進汽口圓柱構成，由于兩個圓柱偏心57.2mm，使壁厚形成從216~350mm的過渡。而且汽門主體與進汽口及調門部分采用半徑從250mm到450mm的圓弧過渡連接，（即圖2中從OA至OE截面），由此產生壁厚的不規則變化。

     調門部分長約1300.3mm。主要由二個長軸相互垂直的橢圓（外輪廓）及腰圓（內腔）構成，其中橢圓長軸968mm，短軸854mm，腰圓長軸577.6mm，短軸470mm，壁厚形成從138.2mm~249mm的過渡。調門部分的端面為一個Ф380mm的圓孔，此處原設計為封閉的盲孔，后因其不利于鑄造及探傷檢測等原因，改為通孔結構。結構如圖3。

      2.2 零件材料及質量要求

     閥殼鑄件材料采用ZG15Cr2Mol。設計使用壓力為17.5MPa，使用溫度為538℃；鑄件內部質量要求高，各進（排）汽口、端面、焊接坡口處，探傷要求均為Q.L.0，其余部分為Q.L.5；所有內外表面均需進行磁粉探傷；水壓強度試驗泵水壓35MPa，保持十分鐘不滲漏。

      3 鑄造工藝分析

     綜上所述，可知本鑄件有尺寸大、重量重、形狀復雜、熱節分散等特點，鑄造上有相當大的難度。因此，在鑄造工藝設計中必須采取特殊的措施。

      3.1 鑄件的補縮

     鑄鋼件從液態轉變到固態，要發生液態收縮和凝固收縮，其中凝固收縮引起鑄件產生縮孔、縮松等缺陷。因此，采用適當的工藝方案，工藝措施使鑄件有合理的溫度梯度，形成有效的順序凝固，并利用澆冒口系統對鑄件進行補縮是工藝設計的重要內容。

      3.1.1 工藝分型面的選擇

     經過反復研討，*終確定采用圖2中的A-O-E截面為分型面。采用此方案時，坭芯制造相對也比較方便，操作的穩定性較好，但汽門部分的主熱節分別處于上、下箱與分型面成45°夾角的位置。需要通過補貼將其引出。而且，由于坭芯支撐點跨度較大，因此，必須增強坭芯芯骨的剛度以減少坭芯在整個鑄造過程中產生的變形。

      3.1.2 冒口系統設計

     鑄鋼件的冒口補縮是決定鑄件內部質量的關鍵。鑄件凝固過程中產生的收縮主要依賴冒口進行補充，因此，冒口的設計是該閥殼鑄件工藝設計的關鍵。

     依據我公司鑄鋼件多年生產的經驗，冒口尺寸依照比例法計算，并根據鑄件補縮液量進行相應的調整，*后用補縮效率進行驗證。

     考慮到鑄件的結構特點及熱節分布情況，決定采用四只冒口的補縮形式。

      3.1.3補貼、冷鐵的應用

     為使鑄件的補縮渠道暢通，讓鑄件形成向冒口方向的順序凝固，采取補貼與冷鐵相結合的輔助措施。首先用補貼將鑄件各個的熱節引至冒口；其次在鑄件的底部放置若干成型冷鐵，以促使鑄件*底部首先凝固，形成一定的末端效應，提高冒口的補縮能力，同時也清楚地劃分了各冒口的補縮范圍。另外，對于各處探傷要求較高的端面，為保證質量，也相應放置了一些冷鐵以加快這些部位的凝固。

     該閥殼鑄件主壁與鄰壁的交界多，壁厚相差較大，為防止熱裂等缺陷的產生，于每個交界處均設置了拉筋與冷鐵。

     同時，為保證冷鐵放置處的激冷效果及鑄件表面形狀，對各冷鐵進行編號，并根據放置部位鑄件的實際形狀做出專用成型冷鐵。

      3.1.4 澆注系統設計

     澆注系統是鋼水從鋼包進入鑄件型腔的通道。合理的澆注系統應滿足以下的要求。

      ?保證鑄件有適宜的凝固順序；
      ?使鋼水平穩充型，并有適當的上升速度；
      ?結構簡單，尺寸恰當，減少鋼水消耗。

      （1）澆注系統形式

     澆注系統設計使鋼水先從鑄件底部及分型面處充人鑄件型腔，當液面升至冒口底部時再改從沖冒口澆口充冒口，并在冒口結束后于冒口頂部放置發熱劑，使冒口中的液態金屬*后凝固，確保鑄件自下而上形成順序凝固。

      （2） 澆注系統參數

     對于毛重超過15000kg的鑄鋼件，鋼水在型腔中的上升速度一般應大于8mm/s。該閥殼鑄件，砂模型腔的高度達2107mm，其中冒口高度約為875mm。結合具體生產條件，確定采用雙包四眼澆注，所有澆道選用Ф70mm的火磚管。實際鋼水上升速度約為10mm/s，符合理論要求。

      3.2 坭芯的散熱及定位

      3.2.1材質

     由于該閥殼鑄件坭芯比較細長，且澆注及凝固過程中幾乎完全處于高溫金屬的包圍之中，因此對坭芯的耐熱性、退讓性、潰散性都提出了更高的要求。

     為適應閥殼鑄造的要求，公司型砂工藝人員開發了新型酯硬化酚醛樹脂鉻礦砂，并在其它鑄件中作了有效的試驗，證明樹脂砂具有優于玻璃砂的潰散性，從而解決了坭芯的耐熱及出砂問題。

      3.2.2 散熱處理

     由上述分析可知，該鑄件坭芯的散熱條件極為惡劣，而且由于鑄件孔徑較小，一旦內腔形成夾砂、粘砂等缺陷，以后的清理難度相當大。因此，必須采取有效措施加快坭芯的散熱，尤其是坭芯表面的散熱。采取的措施有：

     （1）制造坭芯時表面均勻鋪設一層厚度約15~20mm 的鉻礦砂，利用鉻礦砂良好的導熱性促使坭芯周圍的鋼水首先凝固。
     （2）對于調門部分的四個通孔作相應的處理，鑄沒其中較細長的兩個，保留另外兩個。同時為防止鑄沒的通孔處熱量過于集中，放置了內冷鐵。
     （3）針對坭芯，采用在內部放置通風管道，在鑄件冷卻過程中，通人壓縮空氣帶走坭芯產生的熱量，加速其冷卻，避免坭芯局部過熱，在鑄件中產生夾砂、粘砂等致命缺陷。實際測量結果顯示，通入的壓縮空氣溫度僅15℃，而從遠端出來的壓縮空氣溫度*高達500℃，因此證明采取這一措施，有效地加快了坭芯的散熱。
     （4）適當降低鑄件澆注溫度。

      3.2.3 定位

     采取以下一系列措施，以增加坭芯配箱時的穩定性和準確性：

     （1）將一般工藝設計中采用的圓坭芯頭改為下半載面梯形、上半圓形的坭芯頭，使坭芯頭與外模的接觸由線接觸變成面接觸，增加了其穩定性。
     （2）造型時，各芯頭支撐面放置硬撐，以減少支撐面處的變形。
     （3）適當增加坭芯芯骨的截面尺寸，增加上下坭芯裝配的焊接點，從而有效地增強了坭芯的剛度。

      3.3 防止氣孔的產生

     鑄件氣孔的來源主要有三個方面，液態金屬的含氣、造型材料的發氣、充型時卷入的空氣。

     （1）為凈化鋼水，在現有的條件下，對出爐的鋼水在鋼包內進行吹氬。
     （2）為減少型砂中的殘余水發，對外模進行適當地烘烤。
     （3）為避免充型時卷入的空氣，閥殼澆注系統設計為多層階梯形澆道，使鋼水平穩充。
     （4）為減少鑄件型腔中水蒸汽的殘留量，采取一定措施，做到熱模、熱配、熱澆。

      4 凝固模擬

     為了驗證工藝的合理性，我們用清華大學CIFT實驗室開發的FT-STAR3.02真三維凝固模擬軟件進行凝固溫度場的模擬及縮孔、疏松的預測。

      4.1凝固過程中溫度分布

      4.2 縮孔、縮松的預測

     圖7、圖8中白色部分即為縮孔、縮松位置。

      4.3 計算結果分析：對本鑄件進行忽略澆注系統的簡化計算

      4.3.1 計算參數

     鑄件：ZGl5Cr2Mol
     砂型：Silica
      冷鐵：ZG25
      坭芯：鉻礦砂
     網格步長：20*20*20
     鑄件單元數：441765
     總計算單元數：2014371
     澆注溫度：1560℃
     室溫：20℃

      4.3.2 計算時間及凝固時間

     計算時間：48小時
     凝固時間：約780分鐘

      4.3.3 本例的縮孔、疏松預測結果顯示

     縮孔集中的冒口中，吊攀內有微量縮松，鑄件內部無縮孔、縮松，說明模擬件的工藝是合理的、成功的。

      5 鑄件質量情況

     試制生產的一臺套兩只閥殼、毛坯分別于1997年5月、1997年12月鑄出，鑄件編號分別為35201、39651。清理后，兩鑄件肉眼檢查內腔表面光潔，輪廓清晰，無明顯缺陷。后經材質成分分析、機械性能試驗、磁粉及超聲波探傷、泵水試驗等檢驗，各項指標均達到設計要求。鑄件化學成分及機械性能見表1、表2。

  表1

表2

      5.1 鑄件無損探傷

     閥殼鑄件外表面經打磨、拋丸處理后進行磁粉探傷及傲超聲波，未發現有超標的缺陷。內腔表面粗加工后進行著色滲透探傷，發現有少許點狀氣孔，經處理后全部符合標準要求。

      5.2 泵水試驗

     由于該閥殼屬高溫耐壓部套，因此使用前必須通過泵水試驗來檢驗其耐壓能力。閥殼泵水試驗采用內部充水法，均未發生滲漏現象。

      6 結論

     600MW閥殼鑄件的鑄造生產經實踐證明其工藝是合理可行的，完成了預期目標要求，取得了令人滿意的效果，為我公司今后生產類似大型汽輪機閥殼提供了寶貴的成功經驗，也為我公司節約了大量的外匯。