600MW超臨界蒸汽輪機外缸重型鑄鋼件鑄造技術

付龍郝立昌

寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021

摘要：采用順序凝固原理，利用分區(qū)的方法對鑄件進行模數計算，用CAE仿真模擬軟件-Hagma_soft優(yōu)化鑄造工藝，進行600MW超臨界蒸汽輪機外缸鑄鋼件的研發(fā)生產，來滿足蒸汽輪機鑄鋼件較高的質量要求，為重大裝備國產化提供批量、優(yōu)質的關鍵重型鑄鋼件。

關鍵詞：蒸汽輪機重型鑄鋼件CAE模擬鑄造技術近年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，大大地縮小了與國外先進水平的差距。但目前我國火電廠中能耗高、環(huán)境污染嚴重的問題依然存在；為滿足我國國民經濟迅速發(fā)展的需要，適應愈來愈高的環(huán)保和節(jié)能減排的要求，發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的超臨界火力發(fā)電機組勢在必行。由于其更低的運行成本和更高的效益，在目前的電力市場中更加具有競爭力。超臨界外缸重型鑄鋼件為蒸汽輪機機組的關鍵部件，該產品鑄造技術研發(fā)意義重大，符合重大裝備國產化發(fā)展要求。

超臨界機組運行的參數為壓力25MPa，溫度540～566℃

1超臨界外缸重型鑄鋼件主要技術要求

1.1超臨界外缸重型鑄鋼件的材質為低合金鋼，牌號ZGl5CrlMo1V，產品要滿足耐高壓、耐高溫材料規(guī)范要求。半缸單件重量在50噸左右，輪廓尺寸分別為上缸6551*3780*1908，下缸為6191*3780*1900，形狀如圖l所示。

1.2按照顧客規(guī)范要求，力學性能須達到：拉伸強度≥550N／mm2、屈服強度≥345N/mm2、延伸率≥18％、斷面收縮率≥18％、HBl80～207等；

1.3首件鑄件最終去應力后按照ASTME139進行短時持久性能試驗，試樣斷裂前的試驗持續(xù)時間應≥100h；

1.4最終去應力后要求顯微組織為回火貝氏體和少于20％的鐵素體；

1.5對鑄件所有部位進行磁粉探傷和超聲波檢查，不允許有超過標準的缺陷。

2鑄造工藝設計

2.1鑄件結構分析及鑄造工藝方案確定

蒸汽輪機外缸分為上、下半缸，其結構特點均為半回轉體結構，主缸壁從中分面向水平結合面法蘭的偏心壁厚達到9％以上，這樣的鑄件結構有利于鑄造工藝實現順序凝固的原則。上部與下部結構不同，上部的兩個中壓排汽管口與缸體的R角部位有局部熱節(jié)，需采取一定的工藝措施進行補縮；下半的管口較多，各管口與缸體本身結合的R部位有很大熱節(jié)，工藝上采取了局部加防裂筋及隨型冷鐵的方法解決。對于冒口難于補縮的部位，通過模數計算采用各種規(guī)格的冷鐵，平衡鑄件的順序凝固。根據外缸的技術要求及結構特點，采用對撞造型，分型方案如圖2所示。

造型采用樹脂自硬砂，面砂使用鉻鐵礦砂，采用鋯英粉涂料。對一些容易造成尺寸偏差的部位，增加了工藝補正量。

2.2冒口和冷鐵的設計

目前應用較普遍的計算方法有模數法、補縮液量法和比例法。本工藝冒口的計算選用模數法。冒口和冷鐵設置不當，就不能保證金屬液順序凝固；另外，冒口的數量、大小以及在鑄件上的放置位置是否合適，都將影響冒口的補縮效果。根據模數計算基本公式：

1)M=V／S(M一模數，V一體積，S一散熱表面積)

2)M=S／C(M一模數，S一截面積，C一散熱面周長不包括非散熱面)

3)M=D／2(M一模數，D一壁厚有兩邊為非散熱邊)

計算鑄件的每一部分模數，使每一部分模數滿足順序凝固要求實現順序凝固。方法如圖3所示。

通過計算鑄件相應部位的模數，然后根據計算結果設計冒口、補貼、冷鐵，保證鑄件的末端區(qū)重合，使鑄件各個部位實現順序凝固而形成有效補縮。外缸上、下部鑄件的整個輪廓尺寸都較大，根據計算，需要設置多個冒口，冒口及冷鐵布置如圖4所示。采用保溫冒口，可以明顯提高冒口的補縮效率。

值得提出的是，國內傳統(tǒng)的工藝設計是將水平結合面法蘭設置為整體冒口(即相當于將法蘭整體提高為冒口高度)進行補縮，然后將冒口切掉，增加了冒口切割的工作量，降低了工藝出品率。而通過計算模數設計冒口，使單個冒口補縮區(qū)域內的鋼水從遠端向冒口處呈順序凝固過程，而冒口區(qū)域最后凝固，這樣就可以利用分區(qū)順序凝固消除最后凝固區(qū)域內的縮松，冒口的數量減少了600h，，整體工藝出品率可以提高7％。此種冒口設計方法，較好地節(jié)約了成本并大大提高生產效率。

2.3澆注系統(tǒng)設計及澆注溫度的確定

鋼液的澆注溫度較高、流動性差、易氧化，因此要求快速、平穩(wěn)地充型。選用漏包底注式澆注，澆注系統(tǒng)完全開放式，保證大流量、高流速。為防止充型紊流，采用分散多點進流方式。對于外缸下部管口壁厚較薄不易設置圓形內澆口，設計用沿著管壁的縫隙澆口，盡量使溫度場均勻分布，鋼液在型腔中上升速度是否合適是獲得優(yōu)質鑄鋼件的重要因素之一，在澆注過程中應使鋼液平穩(wěn)快速的充滿鑄型。但澆注速度過快，會產生渦流，卷入氣體，使鑄件產生氣孔。反之，如果上升速度過慢，型腔上部會因長時間受熱輻射而產生應力以致脫落，造成鑄件夾砂和結疤，也會因砂型受熱時間過長而造成鑄件粘砂，此外還會使鋼液表面氧化使鑄件形成皺紋、隔層等缺陷。

對于澆注溫度需要綜合考慮。澆注溫度高，有利于補縮，但太高會增加液態(tài)收縮量，對消除縮孔、縮松不利，另外包內金屬液表面的熔渣變得太稀薄，不易自鋼液表面去除，這些熔渣會隨金屬液流人型內，形成夾渣缺陷；澆注溫度太低時，鋼液內的金屬氧化物等因金屬液的粘度太高，不易上浮至表面而殘留在金屬液內。

經采用澆注系統(tǒng)計算軟件設計計算，確定主要工藝參數如下：

澆道斷面比：∑孔：∑直：∑橫：∑內=1：1.4：2.9：7.2

澆注重量：82t：

澆注時間：105s

液面上升速度：18mm／s

澆注溫度：1560～1580

2.4MAGMAsoft模擬優(yōu)化鑄造工藝

將鑄件三維模型轉化成stl格式，再導人計算機；進行網格劃分，首先采用自動劃分格式，網格計算、生成結束后在后處理的網格顯示中查看劃分結果是否合理，確保沒有造成失真；然后對模擬過程的熱物性參數進行設置。通過凝固過程中溫度場、流場、應力場的模擬，對鑄件的凝固過程、溫度場變化過程所產生的缺陷進行分析預測，模擬結果如圖5所示，依據Niyama和Feeding判據一同使用來分析縮松問題，對鑄造工藝進行改進優(yōu)化，結果驗證了工藝的可行性。

2．5冶煉及澆注

外缸材質為ZGl5crlM01V，材質屬鉻鉬釩鋼系列，這種合金鋼的特點是導熱性差，本身溫差大，在均勻化緩慢冷卻時容易產生裂紋。鑄件要求較高的機械性能，因此在原材料的選擇上要給予保證，生鐵的純度要高，廢鋼的雜質含量要少，并且廢鋼中的合金元素含量要符合規(guī)范中的合金成分要求。

冶煉過程：采用EAF+LF工藝流程冶煉，冶煉過程實現計算機實時跟蹤控制，應用快速檢測分析(風動送樣+光譜分析+CELOX分析)。

澆注過程：2個Φ100滑動水口；澆注過程中要2個澆口同時打開澆注至冒口內100mm高時扔鋼球補澆冒口，澆注冒口剩100mm高時按照工藝要求添加保溫劑。

2.6鑄件的清理

由于該合金鋼材質的特點是導熱性差，本身溫差大，在均勻化緩慢冷卻時容易產生裂紋，在型內保溫時間為2周。鑄件在質量熱處理前要清理掉鑄件內外表面的砂子，切割掉與鑄件相連的內澆道，殘留高度要大于20mm，切割冒口、補貼一定要在軟化退火后進行。防裂拉筋要在質量熱處理后去除，防止在熱處理時產生裂紋。缸體經過熱處理后進行拋丸，然后進行氣刨，刨去多肉部分，轉入粗加工，粗加工后進行NDT檢測。