付 龍

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1 工藝設(shè)計方案

1.1 鑄件的基本參數(shù)及技術(shù)要求

蒸汽輪機高中壓外缸鑄件的材質(zhì)為鑄造低合金鋼， 牌號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；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 標準進行NDT 檢測；首件生產(chǎn)需要按照SGC-002 標準進行RT 檢測。 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

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，采用對撞造型。

按照鑄件的結(jié)構(gòu)進行模數(shù)計算，設(shè)計冒口和冷鐵，需要10個橢圓形保溫冒口，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，減少沖砂風(fēng)險， 經(jīng)采用澆注系統(tǒng)計算軟件設(shè)計計算， 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

在實際生產(chǎn)中，按初始工藝進行造型、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，發(fā)現(xiàn)在分型面對應(yīng)的冒口根部有縮松缺陷，冒口的計算選用模數(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，鑄件達到工藝要求尺寸，稱為固態(tài)收縮。 當金屬液進入型腔后，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)收縮時可以得到冒口中液態(tài)金屬的補縮， 這個階段的收縮對鑄件質(zhì)量影響不大；固態(tài)收縮對形成縮孔、縮松缺陷的影響也不大，但如果在凝固收縮時得不到補縮，就會在鑄件最后凝固的部位（熱節(jié)處）形成細小或分散的孔洞，即縮孔、縮松缺陷。 宏觀角度上認為600MWCCH 蒸汽輪機外缸結(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)收縮時產(chǎn)生的縮松，未能形成良好的楔形補縮通道，導(dǎo)致冒口的垂直有效補縮距離不足， 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， 統(tǒng)計了實際生產(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中裂紋率也存在著差異，分析原因為澆注溫度的影響造成的， 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。 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，減少R 處結(jié)構(gòu)凝固時所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，以防止熱裂風(fēng)險，但通過實際生產(chǎn)驗證，在外缸R 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，根據(jù)鑄件的設(shè)計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， 同時將防裂筋的設(shè)計應(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。

3 工藝措施

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

3.1 由于外界的條件的偏差導(dǎo)致工藝設(shè)計過于理想化，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，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，為保證冒口的安全系數(shù)，工藝上通過增加冒口高度進而提高冒口模數(shù)而提高安全系數(shù)，不增加清理工作量，根據(jù)鑄件的計算模數(shù)，設(shè)計冒口的安全系數(shù)建議為1.2～1.5，實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，減少收縮應(yīng)力影響，防裂筋斜度設(shè)計為3～5 度。

4 CAE 模擬

將改進后的三維鑄造工藝進行三維實體造型， 然后將鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵等三維實體轉(zhuǎn)換成STL 格式文件，導(dǎo)入CAE 凝固模擬軟件進行有限差分網(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 中可以看出冒口補縮能力充分，因此可以確定此工藝方案對鑄件產(chǎn)生的縮松問題可以完全解決。

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

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

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