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合面圓角容易開裂的問題,通過對應力、組織、性能及尺寸結構等方面的分析，找出了問題的主要原因，采取加大排氣孔筋板與中法蘭結合面處圓角并在其兩側增加小拉筋的措施,有效地解決了開裂的問題，提高了鑄件質量，同時降低了成本。

關鍵詞：汽輪機；大型鑄鋼件；筋板；開裂

稿件編號:1512-1144

0 前言

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

1 問題概述

本產品屬于Cr2Mo1系列低合金鋼材質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 ℃。

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

2 原因分析

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

圖1 鑄件筋板開裂照片

2.1 筋板開裂受力分析

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

將上述模擬結論與現場鑄件目前斷裂的情形進行對比，模擬拉應力最大的筋板正是實際生產的鑄件最容易發生斷裂的筋板。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。從金相組織來看，屬于典型的鑄態組織，主要為貝氏體+網狀先共析鐵素體+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。因此，當鑄件打箱落砂后，鑄件內部組織屬于鑄態組織，呈脆性狀態，當鑄件表面有缺陷或局部地方應力集中并且超過鑄態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，這類材質鑄件在做完正回火后，基本沒有開裂的情況發生。

表1 鑄態和正回火后力學性能對照

2.3 開裂處尺寸結構分析

橫向對比與本文所述系列其它類產品后可發現，其它同系列產品并沒有如此典型的斷裂問題。對比各產品，發現本文所述產品輪廓尺寸和噸位相對較大,但筋板與法蘭結合面的圓角卻不是很大，拉筋與法蘭內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力集中。另外，該產品筋板厚度約50 mm，與其它同系列產品筋板厚度相近。經過結構對比可知本文所述的產品筋板與法蘭結合面的圓角過小過薄，從而導致這個產品筋板承受了較其它產品約2倍多的應力，因此也更容易開裂。

通過鑄件應力模擬、成分、金相組織、力學性能及開裂處筋板尺寸結構等綜合分析可知，本文所述產品，筋板和法蘭結合面圓角易產生開裂的內在原因是筋板與法蘭結合面圓角過小且筋板厚度相對較薄，導致局部應力集中且承載外力的能力變弱，加上鑄件鑄態組織及性能不良，使得筋板與法蘭結合面圓角處開裂。

3 改進措施

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

4 結論

通過對大型汽輪機類某鑄鋼件產品筋板與法蘭結合面圓角處容易開裂的現象進行應力、組織、性能及結構的分析，問題改進及批量生產驗證，可得出：

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

(2)該類型產品鑄態組織主要為貝氏體+網狀先共析鐵素體+少量魏氏體，組織不良，對應的力學性能中塑性很差；

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

參考文獻

[1] 張素心，楊其國，王為民.我國汽輪機行業的發展與展望[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機組汽輪機冷端參數優化與主要輔機選型[R].浙江省電力設計院.2003.5.

[3] 李瑩，黃僑，唐海紅.焊接工字梁應力集中的有限元分析[J].哈爾濱工業大學學報.2008.12，1999-2002.

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

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

MA Jin，FENG 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.