一種汽輪機類大型鑄鋼件開裂問題的分析改進

馬進，馮周榮，唐鐘雪（共享鑄鋼有限公司 寧夏銀川 750021）

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一種汽輪機類大型鑄鋼件開裂問題的分析改進

馬進，馮周榮，唐鐘雪
（共享鑄鋼有限公司 寧夏銀川 750021）

摘要：針對一種汽輪機類大型鑄鋼件排氣孔筋板與中法蘭結(jié)合面圓角容易開裂的問題,通過對應(yīng)力、組織、性能及尺寸結(jié)構(gòu)等方面的分析，找出了問題的主要原因，采取加大排氣孔筋板與中法蘭結(jié)合面處圓角并在其兩側(cè)增加小拉筋的措施,有效地解決了開裂的問題，提高了鑄件質(zhì)量，同時降低了成本。

關(guān)鍵詞：汽輪機；大型鑄鋼件；筋板；開裂

稿件編號:1512-1144

0 前言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球能源消耗持續(xù)增長。電能作為全球主流能源一直供不應(yīng)求，帶動了發(fā)電設(shè)備市場需求的持續(xù)旺盛。作為發(fā)電設(shè)備主力機型的汽輪機仍是21世紀動力設(shè)備的核心，其配套的鑄鋼件有著廣闊的市場前景[1]。發(fā)展百萬千瓦級超超臨界機組是火力發(fā)電節(jié)約能源、改善環(huán)保和提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的必然趨勢[2]。

1 問題概述

本產(chǎn)品屬于Cr2Mo1系列低合金鋼材質(zhì)的大型超超臨界汽輪機鑄件，最大輪廓尺寸為4 400× 3 200×1 500(mm),鑄件毛坯總質(zhì)量40 t，最大壁厚250 mm，最小壁厚50 mm。采用樹脂砂造型方法，鋼液采用EAF+LF的冶煉工藝，澆注溫度為1 560～1 570 ℃。

生產(chǎn)中，澆注后的鑄件在打箱落砂時發(fā)現(xiàn)有開裂的現(xiàn)象發(fā)生。具體開裂位置主要為筋板與法蘭結(jié)合面的圓角處，約占開裂的80%。從斷裂位置區(qū)域及裂紋特點看，開裂基本屬于打箱后的冷裂。這種開裂增加了返修成本，嚴重時有可能導(dǎo)致鑄件報廢。

2 原因分析

本產(chǎn)品的前序正常生產(chǎn)流程是：造型-澆注-箱內(nèi)冷卻-高溫打箱-緩慢冷卻-落砂-預(yù)熱-切割冒口-性能熱處理。因為在落砂時鑄件發(fā)生開裂，開裂嚴重的會直接導(dǎo)致鑄件報廢，開裂在允許范圍之內(nèi)的，就要對裂紋進行氣刨、預(yù)熱焊接和消應(yīng)力熱處理。無論哪種情況，都是一種成本浪費和生產(chǎn)效率的降低。發(fā)生這種開裂的本質(zhì)原因為斷裂區(qū)域的應(yīng)力超過了金屬自身的強度，導(dǎo)致金屬被拉裂。因此需要從開裂處的受力和開裂處的金相組織及力學(xué)性能等方面進行失效原因分析，找出主要原因并采取相應(yīng)措施。

圖1 鑄件筋板開裂照片

2.1 筋板開裂受力分析

利用 Magma模擬軟件進行應(yīng)力分析。根據(jù)分析結(jié)果，鑄件凝固后筋板的鑄造應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且各個筋板所受拉應(yīng)力不完全相同，容易開裂的筋板所受拉應(yīng)力最大，約300 MPa。對每個筋板來說，最大拉應(yīng)力發(fā)生在筋板與結(jié)合面的圓角部位。

將上述模擬結(jié)論與現(xiàn)場鑄件目前斷裂的情形進行對比，模擬拉應(yīng)力最大的筋板正是實際生產(chǎn)的鑄件最容易發(fā)生斷裂的筋板。模擬與實際情況吻合。

2.2 材料成分、組織性能分析

從斷裂處取樣進行成分、金相組織和力學(xué)性能檢測分析。其中各成分元素含量，包括P、S含量，均在顧客要求的范圍之內(nèi)。從金相組織來看，屬于典型的鑄態(tài)組織，主要為貝氏體+網(wǎng)狀先共析鐵素體+少量魏氏體（圖2所示）。

對斷裂處的樣塊進行力學(xué)性能試驗檢測，主要檢測拉伸和硬度。

圖2 筋板斷裂處金相組織

從表1檢測結(jié)果看，強度、硬度均偏高，而延伸率A和斷面收縮率Z這兩個塑性值均很低。從所檢測的力學(xué)性能值及拉伸試樣的宏觀斷口形貌顯示，落砂后鑄件呈顯著的脆性狀態(tài)。因此，當(dāng)鑄件打箱落砂后，鑄件內(nèi)部組織屬于鑄態(tài)組織，呈脆性狀態(tài)，當(dāng)鑄件表面有缺陷或局部地方應(yīng)力集中并且超過鑄態(tài)組織所具有的強度極限時，很容易造成缺陷延伸開裂或鑄件表面直接被拉裂。而該類型鑄件經(jīng)過正常正火、回火熱處理（簡稱NT）后強度、硬度適中，塑性也很好。

因此，這類材質(zhì)鑄件在做完正回火后，基本沒有開裂的情況發(fā)生。

表1 鑄態(tài)和正回火后力學(xué)性能對照

2.3 開裂處尺寸結(jié)構(gòu)分析

橫向?qū)Ρ扰c本文所述系列其它類產(chǎn)品后可發(fā)現(xiàn)，其它同系列產(chǎn)品并沒有如此典型的斷裂問題。對比各產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)本文所述產(chǎn)品輪廓尺寸和噸位相對較大,但筋板與法蘭結(jié)合面的圓角卻不是很大，拉筋與法蘭內(nèi)圓之間幾乎沒有明顯的圓角過渡，這容易在筋板與法蘭處造成應(yīng)力集中。另外，該產(chǎn)品筋板厚度約50 mm，與其它同系列產(chǎn)品筋板厚度相近。經(jīng)過結(jié)構(gòu)對比可知本文所述的產(chǎn)品筋板與法蘭結(jié)合面的圓角過小過薄，從而導(dǎo)致這個產(chǎn)品筋板承受了較其它產(chǎn)品約2倍多的應(yīng)力，因此也更容易開裂。

通過鑄件應(yīng)力模擬、成分、金相組織、力學(xué)性能及開裂處筋板尺寸結(jié)構(gòu)等綜合分析可知，本文所述產(chǎn)品，筋板和法蘭結(jié)合面圓角易產(chǎn)生開裂的內(nèi)在原因是筋板與法蘭結(jié)合面圓角過小且筋板厚度相對較薄，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中且承載外力的能力變?nèi)酰由翔T件鑄態(tài)組織及性能不良，使得筋板與法蘭結(jié)合面圓角處開裂。

3 改進措施

根據(jù)以上原因分析，最容易實現(xiàn)的改進措施就是將該產(chǎn)品容易開裂的筋板與法蘭結(jié)合面圓角加大，將有效地降低應(yīng)力的集中[3]，同時在容易開裂的筋板兩側(cè)加一個強化小拉筋。鑄件質(zhì)量熱處理后，通過氣刨可將強化小拉筋以及筋板與法蘭結(jié)合面圓角處多余的金屬刨除；在采取了以上改進措施后，該產(chǎn)品批量生產(chǎn)中再沒有發(fā)現(xiàn)筋板開裂的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過對大型汽輪機類某鑄鋼件產(chǎn)品筋板與法蘭結(jié)合面圓角處容易開裂的現(xiàn)象進行應(yīng)力、組織、性能及結(jié)構(gòu)的分析，問題改進及批量生產(chǎn)驗證，可得出：

(1)經(jīng)常開裂的筋板相對其它筋板所受應(yīng)力較大，且最大應(yīng)力部位在筋板與法蘭結(jié)合面處圓角處；

(2)該類型產(chǎn)品鑄態(tài)組織主要為貝氏體+網(wǎng)狀先共析鐵素體+少量魏氏體，組織不良，對應(yīng)的力學(xué)性能中塑性很差；

(3)通過實際生產(chǎn)驗證，加大筋板與法蘭結(jié)合面處圓角并在其兩側(cè)增加強化小拉筋，即可有效地解決此處容易開裂的問題，提高了鑄件質(zhì)量，同時降低了生產(chǎn)成本。

參考文獻

[1] 張素心，楊其國，王為民.我國汽輪機行業(yè)的發(fā)展與展望[J].熱力透平.2003.3(1)：1-5.

[2] 沈又幸.百萬千瓦級超超臨界國產(chǎn)機組汽輪機冷端參數(shù)優(yōu)化與主要輔機選型[R].浙江省電力設(shè)計院.2003.5.

[3] 李瑩，黃僑，唐海紅.焊接工字梁應(yīng)力集中的有限元分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2008.12，1999-2002.

[4] 侯華玲.我國與發(fā)達國家汽輪機鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)對比分析[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2001(6).

Analysis and improvements for cracking of a class of large-scale turbine castings

MA Jin，F(xiàn)ENG ZhouRong，TANG ZhongXue
（Kocel Steel Foundry Co., Ltd.，Yinchuan 750021,Ningxia,China)

Abstract:Stress, organizational, performance and size structure analysis for turbine of large-scale steel casting vent ribs and fl ange rounded corners easy cracking, Find out the cause of the problem, Measures taken to increase rounded corners of vent ribs and the fl ange junction , and design a small stretch on both sides of rounded corners, Effectively solving the problem of cracking , improving casting quality while reducing costs.

Keywords:turbine ; large steel castings; rib; cracking

中圖分類號：TG260；

文獻標(biāo)識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0041-02

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.012

收稿日期:2015-12-03

作者簡介：馬進（1979—），男，工程師,從事鑄造工藝的研究與開發(fā).