核控制棒驅(qū)動機構(gòu)線圈室鑄件鑄造技術(shù)研究

劉 鵬 甄立軍 岳 明 羅 超

(東方汽輪機有限公司鑄造事業(yè)部，四川618000)

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是壓水堆核電站核島主要組成部件之一，用來使控制棒組件在堆芯內(nèi)提起、插入或保持在適當(dāng)?shù)奈恢靡詫崿F(xiàn)反應(yīng)性的控制。控制棒驅(qū)動機構(gòu)是一種步進式的提升機構(gòu)，由驅(qū)動棒、銷爪部件、壓力外殼、操作線圈和位置指示線圈五個主要部件組成。

操作線圈的線圈室類部件是磁軛材料，要求具有高磁導(dǎo)率，該類線圈室部件質(zhì)量等級要求很高，同時也是制造難度比較高的關(guān)鍵設(shè)備之一。我公司生產(chǎn)的控制棒驅(qū)動機構(gòu)部件原先基本依靠進口，沒有任何相關(guān)的研究經(jīng)驗。為提高國產(chǎn)化率，并掌握關(guān)鍵部件的制造技術(shù)，提出了對該線圈室類鑄件進行鑄造技術(shù)專項研究，并實現(xiàn)線圈室鑄件的自主生產(chǎn)，這對制造控制棒驅(qū)動機構(gòu)具有積極的意義。

1 表面狀態(tài)及材料要求

1.1 表面狀態(tài)

(1)表面狀態(tài)必須符合第三套粗糙度對比試塊中18號試板要求。零件表面應(yīng)達到潔凈，不能有任何顯微缺陷包括顯微針孔等，對金相組織的要求也很苛刻。

(2)液體滲透檢測要求

粗糙表面按相關(guān)規(guī)定進行液體滲透檢測。其表面狀態(tài)應(yīng)滿足：

1)無各種裂紋或裂縫；

2)無各種最大長度大于最小寬度3倍的線性顯示；

3)無各種直徑大于2 mm的顯示；無兩處顯示之間的距離小于6 mm的連續(xù)性顯示；

4)在面積為40 cm2的范圍內(nèi)直徑≥1 mm的孔隙的數(shù)量和顯示不超過10個。

1.2 材料要求

(1) 力學(xué)性能

材料力學(xué)性能要求見表1。

表1 線圈室類鑄件材料力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical property requirements of coil housing casting material

(2) 磁導(dǎo)率檢查

根據(jù)磁場的變化，在該件上實施絕對磁導(dǎo)率測試(分別在200 A/m、300 A/m、400 A/m、500 A/m、600 A/m、750 A/m、1 500 A/m、3 000 A/m、5 000 A/m進行測試)。磁場發(fā)生變化時所取得的絕對磁導(dǎo)率的最大值≥1.8×10-3H/m。

2 熔煉工藝技術(shù)研究

核控制棒驅(qū)動機構(gòu)線圈室類鑄件采用材質(zhì)為EN-GJS-400-15的鐵素體球墨鑄鐵制造。根據(jù)采購規(guī)范及相關(guān)技術(shù)要求，該鑄件材料要進行磁導(dǎo)率檢測和液體滲透檢測。我公司沒有任何相關(guān)磁導(dǎo)率的技術(shù)資料及生產(chǎn)經(jīng)驗可借鑒，而且根據(jù)球墨鑄鐵基體組織存在球狀石墨的特點，液體滲透檢測對球墨鑄鐵來說也是一個技術(shù)難點。

相關(guān)資料[3]研究表明，鐵素體球墨鑄鐵與珠光體球墨鑄鐵相比，磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度較大。在鐵素體球墨鑄鐵中，主要元素對材料的力學(xué)性能及相關(guān)物理性能方面有相當(dāng)大的影響。主要元素影響及作用如下：

C：一定的含碳量會影響石墨球數(shù)量，含碳量高，則析出的石墨數(shù)量多，石墨球數(shù)多，球徑尺寸小，圓整度增加。適當(dāng)?shù)奶岣吆剂靠梢詼p少縮孔的體積，減少縮松面積，使鑄件組織致密。同時根據(jù)碳量對鑄態(tài)和退火態(tài)鎂球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響曲線可以看出，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近3.0%時，會出現(xiàn)最高的抗拉強度。同時C元素對磁導(dǎo)率有減弱影響。

Si：是促進石墨化元素，球墨鑄鐵中由于Si的孕育作用，使珠光體和鐵素體的比例改變，起到使基體組織中鐵素體增加的作用。一定含量范圍內(nèi)的Si元素有提高球墨鑄鐵的抗拉強度Rm與屈服強度RP0.2等作用。同時適當(dāng)?shù)腟i元素含量對材料磁導(dǎo)率有很好的增強作用。

2.1 磁導(dǎo)率方面技術(shù)攻關(guān)

按照目前所生產(chǎn)的風(fēng)電鑄件球墨鑄鐵EN-GJS-400-18U-LT進行熔煉試驗，磁導(dǎo)率只達到(1.1～1.4)×10-3H/m，距離標(biāo)準(zhǔn)要求還差很遠(yuǎn)。通過分析各元素對球墨鑄鐵EN-GJS-400-15材質(zhì)性能及磁導(dǎo)率的影響以及參考相關(guān)技術(shù)資料，并根據(jù)前面C和Si元素對材料磁性能的影響規(guī)律，我們決定采用低C高Si的原則。為驗證其合理性，我們?nèi)圆扇》纸M試驗法對球墨鑄鐵鑄態(tài)及高溫球化退火熱處理后的磁導(dǎo)率進行研究。

熱處理工藝采取兩階段退火，高溫階段消除滲碳體等，低溫階段由奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體，最終獲得以鐵素體為主的基體組織。鐵素體具有較低的磁滯損耗和較高的磁導(dǎo)率，通過熱處理工藝可以有效提高該材料的磁導(dǎo)率。其熱處理工藝見圖1所示。相關(guān)試驗結(jié)果如表2所示。

圖1 線圈室類鑄件磁導(dǎo)率試驗熱處理工藝圖Figure 1 The drawing of heat treatment process for magnetic permeability test of coil housing casting

項目編號化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)鑄態(tài)力學(xué)性能CSiRP0.2/MPaRm / MPaA5(%)鑄態(tài)磁導(dǎo)率(×10-3 H/m)熱處理磁導(dǎo)率(×10-3 H/m)123456789103.23.23.13.12.92.92.82.82.62.62.62.52.62.42.62.52.62.52.72.529529031031030028532535530531542042042041041544044045049043016151891618111120111.761.851.491.71.931.871.911.41.751.362.792.83.062.983.013.052.933.173.223.28

根據(jù)以上結(jié)果，我們對鑄態(tài)及熱處理后的磁導(dǎo)率進行分析，隨含碳量的變化磁導(dǎo)率變化曲線如圖2所示。

通過對熱處理及鑄態(tài)磁導(dǎo)率結(jié)果對比分析，C含量為2.8%～3.1%時磁導(dǎo)率檢測值比較穩(wěn)定，同時結(jié)合C含量對鑄態(tài)和退火態(tài)鎂球墨鑄鐵力學(xué)性能影響曲線可知，C含量約為3.0%時抗拉強度比較高，如圖3所示。因此我公司在確定成分時選取C：2.8%～3.0%， Si：約為2.6%，同時要求基體中鐵素體比例要大于95%，才能滿足磁導(dǎo)率的基本要求。

2.2 液體滲透檢測技術(shù)攻關(guān)

對鑄造非加工面進行液體滲透檢測(PT，工作溫度10～50℃)。滲透檢測主要是用來檢查鑄件表面各種開口缺陷，諸如表面存在的微裂紋、表面針孔及部分不可見微觀缺陷等的形態(tài)及其分布。檢查結(jié)果顯示鑄件表面有嚴(yán)重的大面積缺陷，如圖4所示。

對典型顯示部位進行局部分析發(fā)現(xiàn)：打磨拋光后再對鑄件表面進行目視檢查，鑄件表面已無肉眼可見缺陷，如圖5(a)所示，或有少量肉眼可見針尖狀黑色小孔，如圖5(b)所示。對缺陷位置進行液體滲透檢測發(fā)現(xiàn)有連續(xù)線性及點狀缺陷顯示，如圖6(a)、6(b)所示。

圖2 隨含碳量的變化磁導(dǎo)率變化曲線Figure 2 The curve of magnetic permeability along with carbon content

圖3 碳含量對鎂球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響Figure 3 The influence of carbon content on mechanical property of magnesium nodular cast iron

圖4 線圈室類鑄件液體滲透檢測缺陷顯示圖Figure 4 The PT defects of coil housing casting

圖5 典型部位打磨后目視檢查結(jié)果Figure 5 Visual teat results of typical positions after grinding

圖6 典型部位打磨后液體滲透檢測結(jié)果Figure 6 PT results of typical positions after grinding

圖7 石墨呈絮狀顯微形貌 100×Figure 7 Microstructure of graphite in flocculent form 100×

圖8 石墨堆積及孔類顯微形貌100×Figure 8 Microstructure of graphite accumulation and holes 100×

圖9 無缺陷位置顯微形貌100×Figure 9 Microstructure of position without defect 100×

材料研究中心對鑄件表面進行弧面顯微技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)鑄件表面有石墨球化不良、球化衰退，石墨呈菊花狀及絮狀等現(xiàn)象，如圖7所示，部分位置存在石墨堆積及類似孔類缺陷，如圖8所示。

通過分析，發(fā)現(xiàn)在鑄件表面存在顯微縮松、組織疏松、球化不良、石墨堆積等缺陷。顯微縮松缺陷體積很小，只有在顯微鏡下才可以看到。產(chǎn)生這些缺陷的原因在于該材料的碳含量較低，鐵水凝固時縮松縮孔傾向較大；鐵液成分控制不當(dāng)；澆冒口及冷鐵設(shè)置不當(dāng)；球化孕育效果不好；澆注溫度及熔煉操作控制不好等多方面因素。

同時我們對滲透檢測無缺陷及缺陷較少的面進行顯微觀察發(fā)現(xiàn)石墨呈球狀，石墨球比較圓整，如圖9所示。

由以上試驗結(jié)果來看，石墨球的圓整度及基體組織的致密程度對液體滲透檢測有很大影響。這對熔煉提出了更高要求，要求球墨鑄鐵的球化等級必須達到2級及以上，同時要求鑄件組織要非常致密才可以達到液體滲透檢測要求。為此，在熔煉澆注過程中應(yīng)采取以下措施：

(1)嚴(yán)格控制鐵水成分?？刂畦F液中的含S量，防止球化不良。S是主要反球化元素，含量高會嚴(yán)重影響球化效果。

(2)加強孕育過程的控制。因為孕育效果差或者孕育衰退均會造成石墨球數(shù)量少，石墨球不圓整。

(3)加強覆蓋與扒渣，縮短鐵液停置時間。球化處理后加覆蓋劑并采取多次扒渣的措施，減少“回硫現(xiàn)象”，同時縮短球化處理后的鐵水停留時間，防止球化衰退。

(4)選取適當(dāng)?shù)臐沧囟?。為防止產(chǎn)生縮孔縮松缺陷，要求鐵水液態(tài)收縮量減小，因此降低澆注溫度是有利的。

(5)鑄造工藝應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施。

3 鑄造工藝技術(shù)研究

鑄造工藝設(shè)計主要是根據(jù)該鑄件的要求、企業(yè)生產(chǎn)條件，對鑄件結(jié)構(gòu)進行分析，最終確定造型、熔煉、澆注工藝方案。

3.1 造型材料選擇

該鑄件表面要求較高，鑄件非加工面需進行全部液體滲透檢測。為了減少打磨量，保證達到表面光潔、棱角清楚、尺寸精度高的要求，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)現(xiàn)狀，工藝設(shè)計時砂型、砂芯均采用樹脂砂造型制芯。砂型、砂芯表面涂刷醇基鋯英粉涂料，涂刷層有一定的厚度以保證鑄件表面質(zhì)量。

樹脂砂砂型(芯)可以達到較高強度。球墨鑄鐵趨于糊狀凝固方式，在凝固過程后期，表層仍不能形成一個完整的硬殼，此時石墨化膨脹有可能向鑄型方向進行。如果提高鑄型剛度可防止球墨鑄鐵件凝固過程中石墨化膨脹時型壁向外移動，因此鑄件生產(chǎn)時通過調(diào)整樹脂和固化劑的加入比例使砂型強度達到1.0 MPa以上，可以有效地消除縮孔、縮松缺陷。

3.2 分型面及澆注位置的選擇

為減少因錯型所造成的尺寸偏差，保證鑄件尺寸精度，選擇將鑄件放在同一箱內(nèi)做出。分型位置及澆注位置如圖10所示。

3.3 冷鐵及冒口設(shè)計

通過試驗分析和生產(chǎn)驗證，未設(shè)置冷鐵和冒口時，在圖11所示的法蘭面和錐面交接及錐面和圓柱交接的位置處常出現(xiàn)縮松裂紋缺陷。粗加工后外表面及內(nèi)腔也存在大量縮孔縮松缺陷。

通過MAGMA軟件在計算機上進行熱節(jié)及凝固缺陷模擬，可以看出熱節(jié)主要處在錐面和法蘭面及錐面和圓柱交接的位置。圖12為放置冷鐵與未放置冷鐵熱節(jié)分布模擬結(jié)果圖。凝固時間模擬結(jié)果見圖13所示。我們可以看出在兩錐面和圓柱面交接區(qū)域放置適當(dāng)大小冷鐵后，在冷鐵的作用下熱節(jié)處冷卻速度明顯加快，鑄件形成均衡凝固狀態(tài)，使此區(qū)域趨于同時凝固，減少了由于熱節(jié)所產(chǎn)生的縮松縮孔缺陷。

圖10 線圈室類鑄件鑄造工藝示意圖Figure 10 Schematic drawing of casting process of coil housing casting

圖11 線圈室類鑄件縮孔縮松缺陷位置Figure 11 Shrinkage defects positions of coil housing casting

試生產(chǎn)結(jié)果證明這個模擬結(jié)果與實際情況相吻合。

3.4 過濾裝置的設(shè)置

由于本鑄件質(zhì)量等級要求高，所以對球鐵的球化等級要求比較高，石墨球要小而圓整。在首次試驗過程中由于未采取鐵水過濾措施，發(fā)現(xiàn)鑄件出現(xiàn)了夾二次渣之類的問題，直接導(dǎo)致滲透檢測不合格。所以鐵水的純凈度對鑄件質(zhì)量有相當(dāng)大的影響。在工藝改進時，增放過濾片裝置，將鐵水中的渣滓在進入橫澆道之前進行充分過濾，保證了鐵水的純凈度。過濾片裝置如圖14所示。通過對鐵水的有效過濾，鑄件表面及內(nèi)在質(zhì)量明顯提高，液體滲透檢測顯示缺陷減少。

圖12 線圈室類鑄件MAGMA模擬熱節(jié)分布圖Figure 12 The drawing of hot section distribution of MAGMA simulation for coil housing casting

圖13 線圈室類鑄件MAGMA模擬凝固時間圖Figure 13 The drawing of solidification time of MAGMA simulation for coil housing casting

圖14 線圈室類鑄件過濾片設(shè)置示意圖Figure 14 Schematic drawing of fliter setting for coil housing casting

4 結(jié)論

(1)核控制棒驅(qū)動機構(gòu)線圈室類鑄件材料選取成分C為2.8%～3.0%， Si約為2.6%的球墨鑄鐵，可以達到磁導(dǎo)率要求，同時采取熱處理獲得以鐵素體為主要基體的球墨鑄鐵，可以有效提高該鑄件磁導(dǎo)率。

(2)球墨鑄鐵的球化等級、組織的致密性、鐵水的純凈度是影響該鑄件液體滲透檢測結(jié)果的主要因素。

(3)通過采取所設(shè)計的整圈冒口和適當(dāng)大小冷鐵改變該線圈室鑄件部分位置的凝固速度，有效防止了鑄件縮松縮孔缺陷，并獲得了組織致密的鑄件實物。

(4)目前已順利研制出4種線圈室，達到采購規(guī)范要求，并成功生產(chǎn)。通過試驗研究已成功掌握此線圈室的核心鑄造技術(shù)，對推進核設(shè)備國產(chǎn)化具有重大意義。

[1] 王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2005.1.

[2] 陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉.北京：機械工業(yè)出版社，2006.7.

[3] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2007.10.

[4] 杜西靈，杜磊.鑄造實用技術(shù)問答.北京：機械工業(yè)出版社，2007.5.