>660 MW汽輪機主汽閥殼鑄造工藝設計

慕　凱　劉為亮

(東方汽輪機有限公司，四川618201)

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>660MW汽輪機主汽閥殼鑄造工藝設計

慕凱劉為亮

(東方汽輪機有限公司，四川618201)

分析了660MW汽輪機主汽閥殼鑄件結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)條件、鑄件制造過程中可能存在的質(zhì)量問題，詳細介紹了660MW汽輪機主汽閥殼的鑄造工藝設計及質(zhì)量控制要點。

主汽閥殼；結(jié)構(gòu)特點；工藝設計；質(zhì)量控制

1　技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點

1.1技術(shù)要求

660MW汽輪機主汽閥殼是東方汽輪機有限公司新設計的汽輪機鑄件(如圖1)，鑄件材質(zhì)為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，工作溫度約600℃左右。

鑄件全部內(nèi)、外可探表面及可探圓弧表面需按《鑄鋼件磁粉探傷方法》對其進行100%磁粉檢測；閥殼需按《鑄鋼件超聲波探傷方法》對其進行100%超聲檢測；裝焊管口需按《汽輪機閥體鑄鋼件采購規(guī)范》進行射線檢測。

主汽閥殼驗收按《汽輪機閥體鑄鋼件采購規(guī)范》和《ZG1Cr10Mo1NiWVNbN鑄鋼件材料規(guī)范》執(zhí)行。

1.2結(jié)構(gòu)特點及分析

鑄件輪廓尺寸為：1 810mm(高)×1 640mm(寬)×2 110mm(長)。該主汽閥殼主要由閥殼本體、三個管口及吊裝筋板三大部分構(gòu)成，如圖2所示。其中閥殼本體壁厚最大處約為370mm(位于大端面一周)，最小處壁厚約為170mm，本體壁厚變化很大；吊裝筋板由兩塊厚度為100mm梯形挖孔板構(gòu)成；三個管口壁厚尺寸各不相同相差很大，分別為220mm、180mm、160mm。主汽閥殼本體內(nèi)外輪廓較復雜，弧面較多，大端面、內(nèi)腔閥座及管口面質(zhì)量要求高，熱節(jié)上下分散無法實現(xiàn)鑄件由下而上的順序凝固，再加其特殊材質(zhì)鑄造流動性較差，鑄造難度相當大。

圖1　主汽閥殼Figure 1　Main stop valve casing

圖2　主汽閥殼結(jié)構(gòu)Figure 2　Structure of main stop valve casing

2　鑄造工藝設計

2.1鑄造位置的確定

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，本鑄件有如下三種鑄造工藝位置方案。

2.1.1鑄造工藝方案一

如圖3所示，進汽管朝下放置，在出汽管及閥殼大端面設置鑄造冒口，在閥殼下半部分周身設置冷鐵。閥殼外表及兩管口部位雖基本能實現(xiàn)順序凝固，但閥殼內(nèi)腔閥座部位和大端面下端有很大的鑄造熱節(jié)(圖4)，無法通過增加補貼實現(xiàn)順序凝固，容易形成鑄造縮松及孔洞。由兩個不連接平板構(gòu)成的吊裝筋板也無法實現(xiàn)順序凝固，其內(nèi)在質(zhì)量很難保證。同時閥殼外大圓弧面(非加工)設置冒口及冒口座后，其后期外觀形線處理難度極大。此工藝方案除以上主要不足外還存在如下不利因素：(1)砂芯在下芯扣箱時，因一端很大另一端很小，對起吊平衡要求高，不易操作。(2)無論采用底注式澆注還是采用階梯式澆注，高溫鋼水在進入型腔后充型上升過程中將對砂芯下平面進行高溫烘烤，砂芯極易烤酥而發(fā)生掉砂，從而產(chǎn)生鑄件夾砂。(3)鋼水在型腔上升過程及澆注完成后，砂芯因結(jié)構(gòu)不均和受力不均，易發(fā)生漂芯導致閥殼本體尺寸形狀變化。

2.1.2鑄造工藝方案二

如圖5所示，將吊裝筋板朝下放置，在出汽管及閥殼大端面頂部設置鑄造冒口。閥殼外表及兩管口部位雖基本能實現(xiàn)順序凝固，但同樣在閥殼內(nèi)腔閥座部位和大端面下端有很大的鑄造熱節(jié)，無法通過增加補貼實現(xiàn)順序凝固，容易形成鑄造縮松及孔洞。同時，由于出汽管長度較長而尺寸小，雖設計鑄造冒口進行補縮，但對閥殼本體的補縮能力很有限。此方案同樣存在方案一的眾多不足，如操作困難、勞動強度大等等。

2.1.3鑄造工藝方案三

如圖6所示，將閥殼豎起，即小端朝下大端朝上放置，在閥殼大端面設置冒口，閥殼下端及出汽管下部設置鑄造冷鐵，并利用閥殼自身補縮通道或在內(nèi)腔適當增加補貼開設補縮通道來實現(xiàn)順序凝固，將閥殼補縮通道打通并延升到冒口。

按圖6、圖7所示的澆注位置鑄件整體位于同箱，且閥殼本體及三管口外形線均由外模樣整體帶出，更容易保證良好的鑄件輪廓形線及尺寸精度。同時鑄件大部分熱節(jié)位于上箱，有利于實現(xiàn)鑄件的順序凝固，減少鑄件的縮松及孔洞發(fā)生。

(a)

(b)圖3　鑄造工藝方案一Figure 3　Scheme No.1 of casting process

圖4　閥殼上的鑄造熱節(jié)示意圖Figure 4　Sketch of casting hot spot on the valve casing

圖5　鑄造工藝方案二Figure 5　Scheme No.2 of casting process

圖6　鑄造工藝方案三Figure 6　Scheme No.3 of casting process

圖7

綜合考慮三種鑄造工藝方案的優(yōu)缺點，第三種鑄造工藝方案較優(yōu)，其實際可操作性大，降低生產(chǎn)成本，并且鑄件質(zhì)量相對來說容易保證，因此選擇第三種澆注工藝方案。

2.2分型面的選擇

澆注方案位置的確定基本就決定了分型面必須是采用立式上、下兩開箱的鑄造工藝，但具體分型面選擇還需結(jié)合造型工人現(xiàn)場可操作性并兼顧成本及安全等因素，結(jié)合此類鑄件分型面設置基本要領，分為如圖8所示的兩種方式。

(1)以進汽管中心為鑄造分型面。將閥殼上下均分為兩半，僅對一個進汽管一分為二分模，兩個出汽管的上部由砂芯帶出，吊裝筋板間隔由一塊砂芯帶出，閥殼本體全部由模型帶出后更容易保證砂型輪廓形線(后期鑄件形線)，其后期閥殼外觀形線更容易保證，從而更多的保證了鑄件本身原始特性需求。同時兩半均分模樣變小后工人操作方便，模樣的運輸受限較小，制作更靈巧，起吊及堆放更安全。

(a)

(b)圖8　鑄造分型面設置方式Figure 8　The setting mode of parting surface

(2)以兩個出汽管中心為鑄造分型面。將兩個出汽管都要一分為二分模，進汽管下部由砂芯帶出，吊裝筋板砂芯設置將很困難(需設置很大砂芯進行組合帶出)。從該分型設置上看出上箱模樣將很大而下箱模樣很小，另為便于起模(脫模)將模型進行多處拆活方式，這將導致后期砂型輪廓形線保證度降低，同時工人勞動強度將變大，模樣使用效率低，因拆活活塊多極易損壞。

綜合分析，以進汽管中心為鑄造分型面能更好保證鑄件產(chǎn)品外觀形線，操作更方便(砂芯數(shù)量少，尺寸小)，勞動強度小，效率高而成本低。

2.3砂芯的設計

根據(jù)鑄件的鑄造工藝方案及分型面選擇，需在兩出汽管上部各設計一塊砂芯，這樣僅設計一塊中間主砂芯(如圖9)，用于形成閥殼內(nèi)腔較大的弧形內(nèi)腔室和進(出)汽管的尺寸及形線，鑄件其他部位均用模樣造型做出。

主砂芯用于形成鑄件的大面積弧形內(nèi)腔室和進(出)汽管的尺寸及形線，其砂芯弧形面質(zhì)量要求高，要有足夠的緊實度以及向上排氣暢通，保證內(nèi)腔室的質(zhì)量。主砂芯為整體砂芯，要求芯盒在管口芯頭部位設置拔模斜度，并要求在內(nèi)腔分段開設舂砂窗口方便砂芯緊實，以便得到較好的砂芯外觀和內(nèi)在質(zhì)量。砂芯芯頭位于下箱，僅起定位作用，因此芯頭沒有必要做的很長，但為保證芯頭模樣不因太薄而發(fā)生變形以及避免鑄造澆注鋼水時發(fā)生漂芯需做大以保證足夠的強度。

圖9　砂芯設計Figure 9　Design of core

圖10　冒口設計Figure 10　Design of riser

2.4冒口的設計

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)及鑄造工藝方案，該主汽閥下部分最主要熱節(jié)分布在兩出汽管和閥座相連接部位，其它部位設置鑄造冷鐵基本可以解決，如圖10。考慮到閥殼大端面很高的質(zhì)量要求，并結(jié)合其閥殼整體的最大部位在大端面，因此在大端面上設置整圈冒口對鑄件進行全面補縮。冒口設計時，先利用模數(shù)法計算公式M=V/A計算出鑄件模數(shù)，再乘以一定的系數(shù)f得冒口的模數(shù)M冒=M×f。先計算閥殼本體閥座部位最大部位熱節(jié)，再計算其到閥殼大端面后熱節(jié)變大量確定冒口寬度，再根據(jù)整個鑄件在凝固過程需要鋼水量和冒口自身的補縮量計算出冒口的高度。

經(jīng)過初步計算，整圈冒口高度在700mm左右，冒口寬度在400mm左右。

2.5冷鐵的設計

通過對閥殼小端面一圈及兩個出汽管下端設計鑄造冷鐵人為地造成激冷末端區(qū)，配合閥殼順序凝固結(jié)構(gòu)加頂端整圈冒口形成順序凝固，確保該閥殼本體(小端、大端)以及進汽管的組織致密度的要求，如圖11。當冷鐵用于控制鑄件凝固方向時，冷鐵的厚度通常為被激冷處壁厚(或熱節(jié)圓直徑)的0.7～1.2倍。同理，在閥座部位，因離頂冒口較遠，也設置了鑄造冷鐵，以確保閥座部位致密度的要求。

圖11　冷鐵設計Figure 11　Design of chiller

2.6澆注系統(tǒng)的設計

根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)特點，采用主要從閥殼小端面開設澆口進行澆注，同時為避免澆注時間過長對砂(芯)型產(chǎn)生過燒而導致掉砂，在分型面增設一層上層澆注系統(tǒng)，這樣有利于鋼水穩(wěn)定進入型腔，并且有利于定向排雜、排氣。該澆注噸位較大，采取單眼澆注。為保證鋼液在澆注過程中平穩(wěn)進入型腔，同時保證鑄件質(zhì)量，采用開放式澆注系統(tǒng)。對于鑄鋼件來說，采用直澆道不充滿的開放式，又考慮到鑄件的對稱性、防止底層過熱影響鑄件的順序凝固，故適當修正各澆道的大小尺寸。

2.7工藝設計

通過以上初步設計后，利用計算機鑄造模擬軟件對其鑄造工藝進行模擬(如圖12)，發(fā)現(xiàn)在出氣管與閥體接觸部位和出氣管存在少許鑄造缺陷。從分析看，冒口及閥殼補縮通道基本通暢，前期設計基本合理，但在順序凝固起始點效果不太理想，這要求在此部位還需進行工藝優(yōu)化。通過分析缺陷部位及大小認為，通過再次在兩出汽管周邊增設冷鐵，同時對冷鐵厚度和冒口高度及寬度進行修正，并結(jié)合生產(chǎn)澆注時采用快速澆注可以將缺陷減少。經(jīng)工藝優(yōu)化后再次用鑄造模擬軟件進行模擬(如圖13)，缺陷顯示大幅減少，在鑄件表皮僅有個別點狀氣孔缺陷。

圖12　鑄造工藝模擬Figure 12　Simulation of casting process

圖13　鑄造工藝優(yōu)化后模擬Figure 13　Simulation of casting process after optimization

2.8工藝出品率

在保證鑄件組織致密的前提下，工藝出品率是衡量鑄造工藝設計水平高低的標志之一。東方汽輪機有限公司鑄鋼件內(nèi)在質(zhì)量要求高，工藝出品率一般較低。

工藝出品率=鑄件重量/(鑄件重量+澆冒口系統(tǒng)重量)×100%。經(jīng)過計算，該鑄件的工藝出品率為60%，符合要求。

2.9其它工藝參數(shù)

機械加工余量10mm～20mm，線收縮率1.5%，芯頭斜度1∶10，醇基快干涂料，涂料厚約1.5mm。

砂箱尺寸：上箱3 300mm×3 000mm×1 750mm，下箱3 300mm×3 000mm×1 750mm。

3　制造過程控制

3.1模樣、芯盒制作

在制作模樣、芯盒時，嚴格按照工藝要求的參數(shù)進行制作。拆活部分均采用燕尾銷方式準確定位，防止拆活部位發(fā)生大的錯位。芯盒內(nèi)弧形表面要求光滑無凹凸，并將筋板一一拆活，以保證砂芯在打制好后能完好的取出。

3.2砂型、砂芯的打制

在砂型、砂芯打制過程中，嚴格控制樹脂及固化劑的加入量。砂芯要求有足夠、均勻的緊實度，并且向下排氣暢通，以保證內(nèi)腔室的質(zhì)量。打制砂型時，成型冷鐵表面光滑，無鐵銹無油漬；混砂均勻，放置草繩等以增加砂型的透氣性；砂型有足夠的緊實度，防止發(fā)生掉砂缺型。砂型、砂芯表面使用耐高溫的醇基快干涂料，涂料涂刷均勻無堆積。主砂芯因整體位于鑄件內(nèi)腔在后期處于鋼水包圍當中處于強熱作用區(qū)，且多處尺寸較小形線復雜，同時為防止閥殼內(nèi)腔發(fā)生粘砂和掉砂，全部采用耐高溫且傳熱性能較高的鉻鐵礦砂打制，使用快干涂料。

3.3扣箱、澆注

在扣箱時要保證砂型、砂芯烘干干燥，砂芯大弧段面無裂紋或破損，澆注系統(tǒng)清潔。扣完箱后，嚴禁移動砂箱或在砂箱上放置其它雜物，防止雜物和砂型破損掉入型腔內(nèi)。澆注時鋼水純凈，嚴格按照鑄鋼件澆注操作指導書要求進行精心操作。為保證在澆注過程中此閥殼材質(zhì)鋼水減少發(fā)生吸氣及氧化現(xiàn)象，在澆注前對型腔吹氬進行保護，澆注過程平穩(wěn)無斷流，采用適度的快澆方式。

4　生產(chǎn)情況

在生產(chǎn)中，嚴格按工藝執(zhí)行，已成功生產(chǎn)多件，均為一次超聲檢測合格，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好無超標縮孔、縮松缺陷。鑄件表面光潔無粘砂、氣孔。打磨量較少，鑄件形線良好，保證了鑄件外觀質(zhì)量。磁粉檢測時僅發(fā)現(xiàn)下面法蘭上部兩處有夾雜夾渣缺陷，鑄件缺陷補焊焊條量在預期的范圍內(nèi)，其主要是由于鋼水質(zhì)量引起的夾渣和型腔未吹凈而造成的夾砂缺陷。

5　結(jié)論

從生產(chǎn)情況及結(jié)果看，該工藝方案設計合理，所取參數(shù)正確，能滿足生產(chǎn)和質(zhì)量要求；方便模樣制作和造型操作，節(jié)約生產(chǎn)成本；鑄件質(zhì)量達到圖紙設計要求，鑄件型線良好。

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編輯杜青泉

CastingProcessDesignofMainStopValveCasingfor660MWSteamTurbine

MuKai,LiuWeiliang

Thestructurecharacteristics,thetechnicalspecificationandthepossiblequalityproblemappearedduringtheproductionprocessofmainstopvalvecasingcastingfor660MWsteamturbinehavebeenanalyzed.Meanwhile,thecastingprocessdesignandthequalitycontrolpointsofmainstopvalvecasingfor660MWsteamturbinehavebeendescribedindetails.

mainstopvalvecasing;structurecharacteristics;processdesign;qualitycontrol

2016—05—13

慕凱(1977—)，男，主要研究汽輪機鑄件工藝設計及管理。

TK264.9B