張健

(蘭州蘭石鑄造有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050)

0 引言

隨著我國火電機(jī)組技術(shù)日趨發(fā)展，大功率火電項(xiàng)目日漸成為主流，而大功率火電機(jī)組又在向超臨界、超超臨界發(fā)展，相應(yīng)的工作壓力、工作溫度與常規(guī)的亞臨界機(jī)組相比都有很大程度的提高，這給高溫高壓的噴嘴室鑄件提出了更高的要求，要實(shí)現(xiàn)超臨界、超超臨界火電機(jī)組的國產(chǎn)化，必須攻克超臨界、超超臨界機(jī)組所需鑄件的制造技術(shù)［1］。蘭州蘭石鑄造有限責(zé)任公司曾成功生產(chǎn)過ZG20CrMoV材質(zhì)的汽輪機(jī)噴嘴室鑄件，但超臨界C12A材質(zhì)的汽輪機(jī)噴嘴室鑄件的生產(chǎn)尚屬首次，掌握該產(chǎn)品的鑄造工藝是今后開發(fā)汽輪機(jī)鑄件市場的關(guān)鍵。

1 技術(shù)難度分析

1.1 材質(zhì)

該噴嘴室材質(zhì)為C12A，屬Cr－Mo－V系列高合金鋼，鉻含量要求9.1%～10%，且含有一定的固溶氣體，流動(dòng)性差，易產(chǎn)生冷隔;高溫易氧化，鑄件表面易產(chǎn)生氧化膜褶皺，氧化膜卷入鋼水易形成氧化夾雜物，冶煉難度大;該鋼種凝固區(qū)間大，易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，鑄造性能差;導(dǎo)熱性差，熱裂傾向和粘砂傾向大;體收縮量大，收縮應(yīng)力大，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)難度加大。該件為大型汽輪機(jī)的關(guān)鍵鑄件，壁厚由50 mm增加到110 mm，壁厚不均勻，相對增大了鑄造難度;支撐筋與主管交接處有孤立局部熱節(jié)，易產(chǎn)生縮松和裂紋，熱節(jié)厚大、孤立、分散，不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，縮尺不易控制。

1.2 質(zhì)量要求

該件要求按某汽輪機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%MT，不能進(jìn)行MT檢查的部位要進(jìn)行100%PT檢查，噴嘴口及中分法蘭要按某汽輪機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RT，其余部位進(jìn)行100%UT檢查，達(dá)到某汽輪機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級要求。鑄造公差按GB/T6414－2009 CT11級要求。表面質(zhì)量要求高，外表面粗糙度全部達(dá)Ra50，內(nèi)表面全部達(dá)Ra 25要求。

1.3 造 型

該件屬于半圓管與圓管錯(cuò)層交接狀，中心高差為70 mm，交接部位分型困難。砂芯排氣及表面質(zhì)量問題，鋼液中的夾渣不易排出。

1.4 熔 煉

該鋼種在蘭石鑄造有限責(zé)任公司尚屬首次冶煉，化學(xué)成分又要求極其嚴(yán)格，冶煉過程很長，化學(xué)成分控制難度很大。

1.5 清 理

該件表面要求高，冒口厚大，冒口及補(bǔ)貼增肉需預(yù)熱切割，鑄件易產(chǎn)生裂紋，冒口不易切割。缺陷清除和焊補(bǔ)也是一個(gè)難點(diǎn)。

1.6 熱處理工藝

該鋼種馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度低，易產(chǎn)生冷裂，熱處理難度很大。力學(xué)性能和組織要求高，熱處理工藝制定難度大。

2 鑄造工藝研究

2.1 冒口設(shè)計(jì)

先按常規(guī)水平澆注位進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)，按模數(shù)法在進(jìn)氣管上方設(shè)計(jì)一個(gè)冒口，該鑄件為對稱件，為便于數(shù)值模擬研究比較，在兩個(gè)法蘭各設(shè)計(jì)一個(gè)相同模數(shù)的冒口，一個(gè)圓形，一個(gè)隨形;冒口之間半圓管上部各設(shè)計(jì)一個(gè)相同模數(shù)的集渣排氣暗冒口，一個(gè)腰形，一個(gè)圓形。工藝方案如圖1。對上述工藝方案，利用華鑄CAE軟件，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果如圖2～4所示。

圖1 改進(jìn)前工藝方案

圖2 模擬結(jié)果1－1

圖3 模擬結(jié)果1－2

圖4 模擬結(jié)果1－3

從模擬結(jié)果看，同模數(shù)的圓形冒口補(bǔ)縮效果優(yōu)于腰形冒口;同模數(shù)腰形冒口集渣效果優(yōu)于圓形冒口。噴嘴室本體有很多縮松，無法滿足鑄件探傷要求。

根據(jù)模擬情況改進(jìn)冒口，兩個(gè)法蘭部位采用模數(shù)大一號的圓形冒口，冒口之間半圓管上部設(shè)計(jì)一個(gè)，與模擬冒口相同模數(shù)，高度低一級的腰形集渣排氣暗冒口，加大覆蓋面。重新設(shè)計(jì)外冷鐵布局。該方案模擬結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 模擬結(jié)果2－1

圖6 模擬結(jié)果2－2

圖7 模擬結(jié)果2－3

圖8 模擬結(jié)果2－4

從模擬結(jié)果看，改進(jìn)后的工藝消除了噴嘴室本體縮松，探傷優(yōu)化了冒口補(bǔ)縮效果。

2.2 砂型工藝設(shè)計(jì)

砂芯全部采用新制鉻礦自硬樹脂砂，芯骨繞3根排氣繩，芯子刷3遍醇基鋯英粉涂料。鑄型面砂用新制鉻礦自硬樹脂砂，多扎排氣眼，型腔刷3遍醇基鋯英粉涂料。冷鐵工作面打磨光滑，露出金屬光澤，然后刷醇基稀薄鋯英粉涂料1遍。

2.3 冶煉及澆注工藝設(shè)計(jì)

采用電弧爐與AOD精煉爐相結(jié)合的冶煉技術(shù)，利用爐前快速光譜分析技術(shù)，確保化學(xué)成分滿足要求。澆注前AOD精煉爐出鋼時(shí)從澆口給鑄型充氬1.5～2 min。采用全流快速澆注，確保充型平穩(wěn)飽滿，不斷流變流。

2.4 熱處理及清理工藝

該鋼種正火溫度在1 020～1 050℃時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度呈上升趨勢，但塑性韌性變化不大;在1 050～1 080℃時(shí)隨溫度的升高，強(qiáng)度呈上升的趨勢，塑性韌性趨于變小。回火溫度在710～760℃時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度降低，但塑性韌性升高［3］。

根據(jù)蘭州蘭石鑄造有限責(zé)任公司的實(shí)際情況，我們最終采取的熱處理及清理工藝為1 050℃正火(噴霧)+760℃回火后冷卻至350℃切割冒口及補(bǔ)貼，氣刨修形后再次回火。

2.5 鑄件檢查及缺陷焊補(bǔ)

粗加工后碳弧氣刨各飛邊、毛刺、粗糙不平處，然后打磨達(dá)探傷要求，進(jìn)行UT、MT檢查，碳弧氣刨清除所有UT及MT超標(biāo)缺陷，打磨所有缺陷面，磨除富碳層，整體預(yù)熱至350℃以上，用石棉布包裹非焊接位置，焊補(bǔ)清缺位置，全部焊補(bǔ)完成后去應(yīng)力退火，然后噴砂，打磨焊補(bǔ)部位，送檢RT。如果有超標(biāo)RT缺陷，則重復(fù)以上清缺打磨焊補(bǔ)熱處理工藝。

3 結(jié)語

利用華鑄CAE軟件，對工藝方案進(jìn)行模擬論證，冒口設(shè)計(jì)，砂型工藝設(shè)計(jì)，冶煉澆注工藝設(shè)計(jì)，熱處理及精整工藝設(shè)計(jì)都充分考慮了鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且采取了一系列措施，使得該件各項(xiàng)性能指標(biāo)及所有無損探傷檢查全部達(dá)到該汽輪機(jī)廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，使該件成功批量生產(chǎn)，為開發(fā)大型汽輪機(jī)關(guān)鍵鑄件市場積累了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

［1］ 吳 英，李鳳玉，王立濱，等.超臨界C12A閥體鑄造工藝研究［J］.鑄造，2009(6):629－631.

［2］ 劉建勇，陳 昆.超臨界主汽閥、調(diào)節(jié)閥鑄造技術(shù)研究［J］.東方汽輪機(jī)，2007(3):37－41.

［3］ 顧紅星，郭 軍，趙 麗，等.9－12Cr缸體鑄鋼件熱處理工藝與力學(xué)性能的研究［J］.大型鑄鍛件，2003(3):25－26.