600MWCCH蒸汽輪機外缸鑄件鑄造工藝優化

付 龍

（共享集團有限責任公司，寧夏 銀川 750021）

1 工藝設計方案

1.1 鑄件的基本參數及技術要求

蒸汽輪機高中壓外缸鑄件的材質為鑄造低合金鋼， 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。材質為ZG15Cr1Mo1V 具體成分見表1。

表1 化學成分

圖1 高中壓外缸上下部裝配圖

1.2 初始鑄造工藝設計

從鑄件結構分析，確定鑄件的分型方案，鑄件本身為回轉體結構，由汽缸中心線向缸體兩側以3%的壁厚逐漸遞增利于順序凝固，結合面螺栓孔厚大法蘭最厚，便于設置冒口，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，減少出芯子導致鑄件的尺寸偏差，采用對撞造型。

按照鑄件的結構進行模數計算，設計冒口和冷鐵，需要10個橢圓形保溫冒口，冒口安全系數1.1。

澆注方式，采用底返式澆注系統，為防止內澆口沖砂導致缺陷，內澆道開設在暗冒口底部或鑄件的厚大部位，減少沖砂風險， 經采用澆注系統計算軟件設計計算， 確定主要工藝參數如下：澆道斷面比：∑孔：∑直：∑橫：∑內=1：1.4：3：6.8；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

在實際生產中，按初始工藝進行造型、澆注。 粗加工后在螺栓孔法蘭處發現有大量縮松出現， 同時在螺栓孔法蘭被面的R處存在連續性的裂紋，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

鑄件粗加工后經過NDT 檢測，發現在分型面對應的冒口根部有縮松缺陷，冒口的計算選用模數法。 鑄件從澆注冷卻到室溫的過程中，隨著溫度的變化，體積要發生三次收縮變化：第一階段是液態收縮階段，合金液從澆注溫度冷卻到液相線溫度，金屬完全處于液態，金屬體積減小，表現為型腔內部液面的降低，稱為液態收縮；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，一般液態收縮時可以得到冒口中液態金屬的補縮， 這個階段的收縮對鑄件質量影響不大；固態收縮對形成縮孔、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 蒸汽輪機外缸結合面螺栓孔法蘭壁厚較大，模數較大，工藝設計的冒口較大，從鑄件的縮松形態看應該是第三階段固態收縮時產生的縮松，未能形成良好的楔形補縮通道，導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，表現為鑄件表面出現很深的裂痕或者在鑄件內部形成內裂紋（必須經過UT 才可以發現），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生內熱裂或皮下熱裂。 根據鑄件缺陷的特點， 統計了實際生產的300～1000MW 高中壓外缸的相同R 部位的缺陷，如圖4，統計了圖7左圖所示（壁厚比=T/t）與右圖裂紋率之間的關系。 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系，澆注溫度越高裂紋率也越高。

圖4 壁厚比和裂紋的關系圖

（2）防裂筋的設計。 鑄件的特殊結構導致鑄件法蘭同缸體連接的R 部位容易產生裂紋， 由于鑄件R 部位壁厚差異大，工藝上設計了防裂筋，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 設計，減少R 處結構凝固時所產生的收縮應力，以防止熱裂風險，但通過實際生產驗證，在外缸R 處仍產生很深、很長的裂紋，見圖3，考慮到鑄件的結構特點，根據鑄件的設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， 同時將防裂筋的設計應該盡可能的考慮減少鑄件本身的結構帶來的收縮應力風險。

3 工藝措施

根據缸體鑄件的關鍵部位的典型缺陷，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 部位的收縮應力導致裂紋風險。

3.1 由于外界的條件的偏差導致工藝設計過于理想化，因此需要提高冒口的安全系數，加大冒口模數，如果增大冒口規格型號，雖然滿足了安全系數要求，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，工藝上通過增加冒口高度進而提高冒口模數而提高安全系數，不增加清理工作量，根據鑄件的計算模數，設計冒口的安全系數建議為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部位的設計，減少收縮應力影響，防裂筋斜度設計為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、冒口、冷鐵等三維實體轉換成STL 格式文件，導入CAE 凝固模擬軟件進行有限差分網格剖分和熱分析，通過CAE模擬軟件后處理判據中的Feeding、Niyama 虛擬仿真分析， 模擬結果如圖5。

圖5 模擬結果

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》，機械工業出版社，1996.

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

[3]沈邱農.超超臨界汽輪機的特點[J].動力工程2002，第22卷.