600MW临界蒸汽轮机外缸重型铸钢件铸造技术

600MW超临界蒸汽轮机外缸重型铸钢件铸造技术

付龙郝立昌

宁夏共享铸钢有限公司，宁夏银川750021

摘要：采用顺序凝固原理，利用分区的方法对铸件进行模数计算，用CAE仿真模拟软件-Hagma_soft优化铸造工艺，进行600MW超临界蒸汽轮机外缸铸钢件的研发生产，来满足蒸汽轮机铸钢件较高的质量要求，为重大装备国产化提供批量、优质的关键重型铸钢件。

关键词：蒸汽轮机重型铸钢件CAE模拟铸造技术近年来，我国电力工业发展迅速，大大地缩小了与国外先进水平的差距。但目前我国火电厂中能耗高、环境污染严重的问题依然存在；为满足我国国民经济迅速发展的需要，适应愈来愈高的环保和节能减排的要求，发展高效、节能、环保的超临界火力发电机组势在必行。由于其更低的运行成本和更高的效益，在目前的电力市场中更加具有竞争力。超临界外缸重型铸钢件为蒸汽轮机机组的关键部件，该产品铸造技术研发意义重大，符合重大装备国产化发展要求。

超临界机组运行的参数为压力25MPa，温度540～566℃

1超临界外缸重型铸钢件主要技术要求

1.1超临界外缸重型铸钢件的材质为低合金钢，牌号ZGl5CrlMo1V，产品要满足耐高压、耐高温材料规范要求。半缸单件重量在50吨左右，轮廓尺寸分别为上缸6551*3780*1908，下缸为6191*3780*1900，形状如图l所示。

1.2按照顾客规范要求，力学性能须达到：拉伸强度≥550N／mm2、屈服强度≥345N/mm2、延伸率≥18％、断面收缩率≥18％、HBl80～207等；

1.3首件铸件最终去应力后按照ASTME139进行短时持久性能试验，试样断裂前的试验持续时间应≥100h；

1.4最终去应力后要求显微组织为回火贝氏体和少于20％的铁素体；

1.5对铸件所有部位进行磁粉探伤和超声波检查，不允许有超过标准的缺陷。

2铸造工艺设计

2.1铸件结构分析及铸造工艺方案确定

蒸汽轮机外缸分为上、下半缸，其结构特点均为半回转体结构，主缸壁从中分面向水平结合面法兰的偏心壁厚达到9％以上，这样的铸件结构有利于铸造工艺实现顺序凝固的原则。上部与下部结构不同，上部的两个中压排汽管口与缸体的R角部位有局部热节，需采取一定的工艺措施进行补缩；下半的管口较多，各管口与缸体本身结合的R部位有很大热节，工艺上采取了局部加防裂筋及随型冷铁的方法解决。对于冒口难于补缩的部位，通过模数计算采用各种规格的冷铁，平衡铸件的顺序凝固。根据外缸的技术要求及结构特点，采用对撞造型，分型方案如图2所示。

造型采用树脂自硬砂，面砂使用铬铁矿砂，采用锆英粉涂料。对一些容易造成尺寸偏差的部位，增加了工艺补正量。

2.2冒口和冷铁的设计

目前应用较普遍的计算方法有模数法、补缩液量法和比例法。本工艺冒口的计算选用模数法。冒口和冷铁设置不当，就不能保证金属液顺序凝固；另外，冒口的数量、大小以及在铸件上的放置位置是否合适，都将影响冒口的补缩效果。根据模数计算基本公式：

1)M=V／S(M一模数，V一体积，S一散热表面积)

2)M=S／C(M一模数，S一截面积，C一散热面周长不包括非散热面)

3)M=D／2(M一模数，D一壁厚有两边为非散热边)

计算铸件的每一部分模数，使每一部分模数满足顺序凝固要求实现顺序凝固。方法如图3所示。

通过计算铸件相应部位的模数，然后根据计算结果设计冒口、补贴、冷铁，保证铸件的末端区重合，使铸件各个部位实现顺序凝固而形成有效补缩。外缸上、下部铸件的整个轮廓尺寸都较大，根据计算，需要设置多个冒口，冒口及冷铁布置如图4所示。采用保温冒口，可以明显提高冒口的补缩效率。

值得提出的是，国内传统的工艺设计是将水平结合面法兰设置为整体冒口(即相当于将法兰整体提高为冒口高度)进行补缩，然后将冒口切掉，增加了冒口切割的工作量，降低了工艺出品率。而通过计算模数设计冒口，使单个冒口补缩区域内的钢水从远端向冒口处呈顺序凝固过程，而冒口区域最后凝固，这样就可以利用分区顺序凝固消除最后凝固区域内的缩松，冒口的数量减少了600h，，整体工艺出品率可以提高7％。此种冒口设计方法，较好地节约了成本并大大提高生产效率。

2.3浇注系统设计及浇注温度的确定

钢液的浇注温度较高、流动性差、易氧化，因此要求快速、平稳地充型。选用漏包底注式浇注，浇注系统完全开放式，保证大流量、高流速。为防止充型紊流，采用分散多点进流方式。对于外缸下部管口壁厚较薄不易设置圆形内浇口，设计用沿着管壁的缝隙浇口，尽量使温度场均匀分布，钢液在型腔中上升速度是否合适是获得优质铸钢件的重要因素之一，在浇注过程中应使钢液平稳快速的充满铸型。但浇注速度过快，会产生涡流，卷入气体，使铸件产生气孔。反之，如果上升速度过慢，型腔上部会因长时间受热辐射而产生应力以致脱落，造成铸件夹砂和结疤，也会因砂型受热时间过长而造成铸件粘砂，此外还会使钢液表面氧化使铸件形成皱纹、隔层等缺陷。

对于浇注温度需要综合考虑。浇注温度高，有利于补缩，但太高会增加液态收缩量，对消除缩孔、缩松不利，另外包内金属液表面的熔渣变得太稀薄，不易自钢液表面去除，这些熔渣会随金属液流人型内，形成夹渣缺陷；浇注温度太低时，钢液内的金属氧化物等因金属液的粘度太高，不易上浮至表面而残留在金属液内。

经采用浇注系统计算软件设计计算，确定主要工艺参数如下：

浇道断面比：∑孔：∑直：∑横：∑内=1：1.4：2.9：7.2

浇注重量：82t：

浇注时间：105s

液面上升速度：18mm／s

浇注温度：1560～1580

2.4MAGMAsoft模拟优化铸造工艺

将铸件三维模型转化成stl格式，再导人计算机；进行网格划分，首先采用自动划分格式，网格计算、生成结束后在后处理的网格显示中查看划分结果是否合理，确保没有造成失真；然后对模拟过程的热物性参数进行设置。通过凝固过程中温度场、流场、应力场的模拟，对铸件的凝固过程、温度场变化过程所产生的缺陷进行分析预测，模拟结果如图5所示，依据Niyama和Feeding判据一同使用来分析缩松问题，对铸造工艺进行改进优化，结果验证了工艺的可行性。

2．5冶炼及浇注

外缸材质为ZGl5crlM01V，材质属铬钼钒钢系列，这种合金钢的特点是导热性差，本身温差大，在均匀化缓慢冷却时容易产生裂纹。铸件要求较高的机械性能，因此在原材料的选择上要给予保证，生铁的纯度要高，废钢的杂质含量要少，并且废钢中的合金元素含量要符合规范中的合金成分要求。

冶炼过程：采用EAF+LF工艺流程冶炼，冶炼过程实现计算机实时跟踪控制，应用快速检测分析(风动送样+光谱分析+CELOX分析)。

浇注过程：2个Φ100滑动水口；浇注过程中要2个浇口同时打开浇注至冒口内100mm高时扔钢球补浇冒口，浇注冒口剩100mm高时按照工艺要求添加保温剂。

2.6铸件的清理

由于该合金钢材质的特点是导热性差，本身温差大，在均匀化缓慢冷却时容易产生裂纹，在型内保温时间为2周。铸件在质量热处理前要清理掉铸件内外表面的砂子，切割掉与铸件相连的内浇道，残留高度要大于20mm，切割冒口、补贴一定要在软化退火后进行。防裂拉筋要在质量热处理后去除，防止在热处理时产生裂纹。缸体经过热处理后进行抛丸，然后进行气刨，刨去多肉部分，转入粗加工，粗加工后进行NDT检测。