CAP1400 示范工程核電站配套超大型高壓外缸鑄件鑄造工藝研發

馬 斌，李永新，馮周榮，郭小強，蘇志東，李彩虹，王新軍

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

0 前言

新能源產業是衡量一個國家和地區高新技術發展水平的重要依據，也是新一輪國際競爭的戰略制高點，世界發達國家和地區都把發展新能源作為順應科技潮流、推進產業結構調整的重要舉措。隨著電力工業的迅猛發展和電網峰谷差的日趨增大以及國家能源政策的調整和環境保護的增強，大幅度開發和利用核電等潔凈能源成為必然要求。核電發展的水平，已成為當今一個國家科技創新水平的重要標志。具有自主知識產權的三代百萬千瓦級核電技術，是最能代表中國高端制造業走向世界的兩張“名片”之一。核電具有輸出功率大、電源穩定可靠、清潔低碳的特點，是我國實現碳達峰和碳中和目標的重要手段之一。

我國《新能源產業發展規劃》明確提出在2011-2020 年將投資3 萬億元用于發展先進核能、風能、太陽能等新能源技術；《戰略性新興產業發展規劃》中要求：加快核電技術的消化吸收和再創新，掌握先進核電技術，提高成套裝備制造能力，實現核電發展自主化。

CAP1400 型壓水堆核電機組是在消化、吸收、全面掌握我國引進的第三代先進核電AP1000 非能動技術的基礎上，通過再創新開發出我國具有自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組。其安全指標和技術性能達到了國際三代核電技術的先進水平，具有完整自主知識產權，填補國內技術空白。

建成壓水堆重大專項CAP1400 示范工程核電站，是我國三代核電技術自主創新的標志，同時也是三代核電技術創新發展不可或缺的試驗、驗證平臺。

本文研發的超大型核電高壓外缸鑄件，產品由核電高壓外缸上半、下半組成，單半重量超過90t，缸體巨大，具有成型技術復雜、充型以及凝固補縮困難等難點。

1 產品介紹

本文研發CAP1400 核電項目配套超大型高壓外缸鑄鋼件的制造技術，項目產品如圖1 所示，由高壓外缸上部、下部組成。上部輪廓尺寸為8500mm×5000mm×2500mm，鑄件凈重為90t；下部輪廓尺寸為8000mm×5500mm×2600mm，鑄件凈重為92t，材質為GX8CrNi12，屬于高合金缸。

圖1 核電高壓外缸示意圖

2 鑄造工藝設計

2.1 鑄件熱節的模擬分析

根據上述鑄造方案，結合MAGMA 軟件的模擬，確定鑄件的熱節分布，如圖2 所示。

圖2 鑄件熱節及縮松分布圖

從模擬結果可以看出，鑄件的熱節主要集中在結合面法蘭、貓爪、龍門檔弧頂、管壁等部位。

2.2 冒口、補貼設計

冒口采用模數計算法進行設計。模數是指凝固體體積與散熱表面面積之比，計算公式為：

式中，M 為模數；V 為凝固體體積；A 為凝固體散熱表面面積[1]。

一般先計算出鑄件熱節處的模數，再計算冒口的模數，其模數關系為：M冒=1.2～1.4M鑄（明冒口取1.2，暗冒口取1.4）。

從鑄件結構建立補縮梯度，打通獨立熱節處的補縮通道。為確保鋼液澆注凝固時的有效補縮，在凝固末端區域設置合適冷鐵，調整補縮區域和溫度場，有利于補縮末端區的延長和鋼液的順序凝固，確保內部組織致密，無超標缺陷。

CAP1400 核電高壓外缸需要承受高溫高壓，汽缸鑄件管口部位需要進行焊接對接管件等，要求管口部位不允許有鑄造縮松、夾渣、裂紋等缺陷。汽缸鑄件管管壁部位UT 無損檢測要求二級，管口結合面部位UT 無損檢測要求一級，因此汽缸鑄件關鍵部位為管口，現有技術中管口部位鑄造時，設置一圈冷鐵，冷鐵之間存在縮松、夾渣等鑄造缺陷，需要專項制定措施防止管口部位產生鑄造缺陷。

圖3 凝固過程數值模擬圖示

圖4 管口熱節分布圖

通過結構分析，汽缸鑄件管口部位結構為圓周結構，設置十字形狀冒口頸可以實現冒口對管口部位的多通道補縮方案，有效解決管口部位補縮問題，解決了由于管口部位壁厚薄無法設置澆口的問題。并在汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補縮重合區域的端面部位設置分區冷鐵，汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補縮重合區域的端面部位中間錯位設置冷鐵，冷鐵之間的中間對應的汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補縮重合區域外周部位設置冷鐵，實現外周部位冷鐵對端面冷鐵中間區域的激冷作用，防止端面冷鐵中間形成縮松缺陷。

圖5 管口凝固模擬結果

圖6 缸體上半充型過程數值模擬圖示

2.3 澆注系統設計

澆注系統設計采用開放式，在十字形狀冒口頸根部設置內澆口，可避免鋼液直接沖刷管口部位，并設計澆冒系統，防止鋼包中最后不干凈鋼水流入鑄件。

澆注系統設計使用模擬軟件計算澆注過程關鍵參數，考慮鑄件結構及工藝信息，設計直澆道、橫澆道和內澆口，保證澆注、充型過程快速、平穩。通過先進的模擬軟件檢驗澆注充型過程平穩性，解決鑄件沖砂、夾渣夾砂缺陷，達到滿足顧客產品要求。

采用鑄造過程充型、凝固仿真模擬技術，解決了超大型核電高壓外缸充型及凝固補縮難點，采用管口“十字補貼”補縮技術，保證了CAP1400 核電高壓外缸管口質量。

3 成型工藝

圖7 缸體下半充型過程數值模擬圖示

本文所研發高壓外缸鑄件，由于其缸體巨大，造型用砂箱輪廓達9m×7m×5m，采用傳統的成型方法，翻箱重量超重，且翻箱時底箱澆注系統極易變形和損壞，造成跑火等事故以及沖砂、夾渣等鑄件缺陷，所以，常規翻箱造型無法實現該鑄件的成型。本文擬采用逆向成型思路（圖8～10），通過研究超大型缸體類鑄件的模型組裝、表面強度、防變形規律和措施，以及缸體類產品反向填砂操作等關鍵技術，最終順利實現CAP1400 高壓外缸鑄件的成型。

圖8 成型示意圖

傳統成型采用中圈、下箱整體填砂造型，在此基礎上分別翻箱，最后進行上箱造型的成型流程。此方法適合常規小噸位產品，由于CAP1400 核電外缸輪廓尺寸大，所用砂箱大，采用傳統的造型翻箱模式，超出翻箱重量，無法成型。本項目采用先成型下箱，單獨翻箱，中圈在下箱翻箱后，采用反向填砂的方式成型，澆注系統采用澆注系統芯，預留澆注定位，最終在合箱時將澆注系統芯裝配至下箱，再進行澆注系統二次填砂，最終避開了整體翻箱超重的問題。

本文實施超大型核電外缸主體砂型位于中砂箱內，造型時，只翻轉重量較輕的下砂箱，解決翻箱時天車承載能力不足的問題，并且做為形成鑄件主體的中砂箱，不需要翻箱，可以進一步保證鑄件質量，避免因翻箱造成鑄件主體部位的開裂、扭曲等變形。另外，在造型方法實施中，形成鑄件主體結構的中砂箱不翻箱，中砂箱造型時的流砂方向與傳統技術中需要翻箱的中砂箱造型結構的流砂方向相反，新技術的流砂方向，主體模具承重低，可以避免主體模具承受擠壓變形而引起的鑄件尺寸不符，從而進一步保證鑄件的尺寸。

圖9 組芯、合箱示意圖

圖10 獨立澆注系統砂芯

通過以上成型技術應用，成功解決了超大型核電高壓外缸成型及翻箱難點。

4 生產驗證

對實際生產出來的鑄件進行驗證：無損檢測無超標缺陷；鑄件整體尺寸良好，均在公差范圍內。通過驗證結果可以看出，此鑄造凝固補縮方案和成型方案是合理的，鑄件綜合性能均達到客戶要求。