1000 MW核電機(jī)組高壓調(diào)節(jié)閥殼鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

陸加見 秦永強(qiáng) 劉光永 張衛(wèi)星

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

調(diào)節(jié)閥組件是汽輪機(jī)中最關(guān)鍵、最重要的部件之一，它起到調(diào)節(jié)機(jī)組進(jìn)汽量大小的作用，能保證汽輪機(jī)在設(shè)定工況下安全可靠地運(yùn)行。因此，要求鑄件有較高的內(nèi)部質(zhì)量。

1 零件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)難點(diǎn)分析

我公司百萬千瓦等級核電高壓調(diào)節(jié)閥殼零件外形如圖1所示。零件輪廓尺寸為1 675 mm×1 666 mm×1 590 mm，由主體腔室，法蘭及進(jìn)、出汽管口構(gòu)成。閥座部位最大壁厚280 mm，屬于厚大件；其中法蘭、出汽管口與主體腔室偏心，交界處型線極其復(fù)雜，模型制作困難；其徑向尺寸相對較大， 熱節(jié)分散，搭子較多，主體部分為均勻壁厚僅75 mm，鑄件補(bǔ)縮困難；材料為G20Mo5，屬于低合金鋼，為國外牌號，理化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為國外標(biāo)準(zhǔn)，以往無生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并且冶煉、熱處理工藝參數(shù)未知；鑄件需進(jìn)行100%MT、UT檢測，進(jìn)出汽管口還要求RT檢測，內(nèi)部質(zhì)量要求高。我們以往生產(chǎn)過結(jié)構(gòu)類似的燃?xì)廨啓C(jī)閥殼，其質(zhì)量不好控制，特別是厚大的閥座部位容易出現(xiàn)縮松問題；管口與主體相接的R部位易出現(xiàn)裂紋缺陷；管口容易出現(xiàn)氣孔、夾雜類缺陷，不易通過RT檢測。另外，該閥殼后期還要通過水壓試驗(yàn)等，因而其制造難度較大。

圖1 零件結(jié)構(gòu)Figure 1 Part structure

2 原工藝情況

2.1 原工藝及存在的問題

原工藝采用我公司傳統(tǒng)的閥殼鑄造工藝方案：取管口中心線所在平面為分型面，平做。在進(jìn)汽管口、大法蘭、閥座處分別設(shè)置冒口進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)縮，冒口設(shè)置在上箱，配合冷鐵實(shí)現(xiàn)順序凝固。側(cè)面的大搭子通過設(shè)計(jì)一處2#補(bǔ)貼由2#冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，具體見圖2。實(shí)際生產(chǎn)的鑄件在大法蘭、側(cè)面搭子處存在縮松缺陷，其中最嚴(yán)重的一件側(cè)面大搭子處的缺陷尺寸約為(350 mm×200 mm×120 mm)，造成大量補(bǔ)焊。

2.2 對原工藝的分析

側(cè)面大搭子處使用2#補(bǔ)貼，配合搭子下面設(shè)置的冷鐵，通過2#冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，因2#補(bǔ)貼從主腔室中心開始，斜向2#冒口中心處，相對較長，補(bǔ)縮通道不暢通不利于補(bǔ)縮。經(jīng)計(jì)算該搭子處熱節(jié)圓接近230 mm，所以易在搭子內(nèi)部出現(xiàn)縮松缺陷，具體見圖3。大法蘭為等壁環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以看成長的桿狀，徑向尺寸相對較大，雖然設(shè)計(jì)端面的1#冷鐵和內(nèi)圓面的2#冷鐵配合1#冒口建立補(bǔ)縮通道，但冷鐵激冷能力有限，冒口無法對其完全補(bǔ)縮而造成缺陷，具體見圖4。

圖2 原工藝方案Figure 2 Original process scheme

圖3 原方案2#補(bǔ)貼 Figure 3 2# patch of original scheme

圖4 原方案1#冒口 Figure 4 1# riser of original scheme

3 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

首批鑄件生產(chǎn)后，根據(jù)鑄件實(shí)際情況，相關(guān)人員對原工藝產(chǎn)生問題的原因進(jìn)行分析討論，決定進(jìn)行工藝優(yōu)化。澆注方式不變，在側(cè)面大搭子處單獨(dú)設(shè)計(jì)一個冒口配合新設(shè)計(jì)的補(bǔ)貼進(jìn)行補(bǔ)縮；在大法蘭內(nèi)部設(shè)計(jì)牛角形補(bǔ)貼，以形成自上而下的補(bǔ)縮通道，配合上部的冒口完成補(bǔ)縮。工藝設(shè)計(jì)后，進(jìn)行三維建模，運(yùn)用MAGMA軟件進(jìn)行了凝固模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果，進(jìn)一步修正了工藝參數(shù)。

3.1 補(bǔ)貼、冷鐵及冒口設(shè)計(jì)

該閥殼腔室部位屬于環(huán)形均勻壁厚件且徑向尺寸相對較大，需要設(shè)計(jì)補(bǔ)貼和冷鐵配合冒口才能形成足夠的補(bǔ)縮通道，保證鑄件質(zhì)量。

3.1.1 1#冒口及補(bǔ)貼設(shè)計(jì)

如圖5所示，在大法蘭底部120°范圍內(nèi)仍設(shè)計(jì)1#、2#冷鐵，形成人為末端區(qū)，然后采用熱節(jié)圓法在內(nèi)圓設(shè)計(jì)1#補(bǔ)貼，保證足夠的補(bǔ)縮通道，并配合1#冒口完成該部分的補(bǔ)縮。然后采用模數(shù)法計(jì)算冒口尺寸，根據(jù)模數(shù)計(jì)算結(jié)果，1#冒口選用400 mm×600 mm×560 mm保溫冒口。

圖5 1#冒口設(shè)計(jì) Figure 5 1# riser design

3.1.2 2#冒口及補(bǔ)貼設(shè)計(jì)

如圖6所示，側(cè)面大搭子處采用熱節(jié)圓法設(shè)計(jì)2#補(bǔ)貼，上口擴(kuò)大保證補(bǔ)縮通道暢通，最后利用模數(shù)法計(jì)算2#冒口，為便于切割，2#冒口選用?350 mm×950 mm的圓保溫冒口。因起始熱節(jié)圓從搭子下部開始，故不需要設(shè)置冷鐵。

3.1.3 3#、4#、5#冒口設(shè)計(jì)

在進(jìn)汽管口處，按原工藝方案，底部設(shè)計(jì)冷鐵，外圓設(shè)計(jì)補(bǔ)貼，配合3#暗保溫冒口補(bǔ)縮。閥座部位斷面尺寸很大，同時該處質(zhì)量要求高，為減少氣割量，將原方案的460 mm×690 mm×645 mm腰型明保溫冒口改為?450 mm×600 mm的圓保溫冒口，并在底部設(shè)置冷鐵，以確保該處質(zhì)量。出汽管口距閥座較近，在其內(nèi)孔設(shè)置冷鐵，利用閥座處的明保溫冒口一并補(bǔ)縮。中間?100 mm小圓搭子超出閥殼外壁近100 mm，為保證其質(zhì)量，單獨(dú)設(shè)計(jì)5#小木模冒口，主要起排氣作用。

圖6 2#冒口設(shè)計(jì) Figure 6 2# riser design

3.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因?yàn)殍T件尺寸較大，主要壁厚較大，所以采用開放式的底返澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口分散，保證金屬液平穩(wěn)進(jìn)入型腔，并在最短的時間內(nèi)充滿。澆注時間采用鋼液上升速度計(jì)算公式來計(jì)算。

t=GL/Nnv包

(1)

式中t——澆注時間；

GL——澆注重量；

N——同時澆注的澆包數(shù)量；

n——每個澆包的包孔數(shù)；

v包——鋼液的澆注速度。

查閱有關(guān)資料，v包取120 kg/s，N、n均取1，則t≈80 s。

結(jié)合車間實(shí)際，澆注系統(tǒng)全部使用陶管澆口，直澆口?100 mm，橫澆口2-?80 mm，內(nèi)澆口6-?60 mm(扁口)。澆口比例ΣA直∶ΣA橫∶ΣA內(nèi)≈1∶1.3∶2，完全開放。

鋼液上升速度采用下列公式計(jì)算，

vL=hc/t

(2)

式中t——澆注時間；

hc——件高。

計(jì)算出vL≈17 mm/s，達(dá)到該類件最小上升速度15 mm/ s的要求。故該澆注系統(tǒng)合理。

3.3 工藝概況

為提高鑄件質(zhì)量，同時減小冒口切割面積以方便后期清理氣割及修型，1#、2#、4#冒口均采用FOSECO保溫板形成。最終工藝參數(shù)為毛重5 700 kg，澆注重量9 900 kg，實(shí)收率57.5%，具體見圖7。

3.4 凝固模擬

在鑄造工藝設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行三維造型并運(yùn)用MAGMA軟件進(jìn)行了凝固模擬，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖7 新工藝方案 Figure 7 New process scheme

圖8 縮孔(松)率Figure 8 Shrinkage and porosity

圖9 補(bǔ)縮效率 Figure 9 Feeding efficiency

從模擬結(jié)果可以看出，原工藝方案存在問題的側(cè)面大搭子處、大法蘭下部、厚大的閥座部位基本無縮孔(縮松)缺陷顯示，各冒口安全高度均在合理范圍內(nèi)。在主體腔室處，壁厚中間部位有一些縮松顯示，分析原因應(yīng)該是該部位為等壁厚，兩邊距冒口較遠(yuǎn)，凝固過程中補(bǔ)縮通道不暢通造成的缺陷。因此工藝上采用設(shè)置冷鐵以形成人為末端區(qū)的方式進(jìn)行處理，并對工藝參數(shù)進(jìn)行了局部的修正。從最終鑄件實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果看，與模擬結(jié)果相近，所以該工藝設(shè)計(jì)方案基本是合理的。

4 生產(chǎn)質(zhì)量控制

鑄件生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格做到“三按”生產(chǎn)，控制好各工序質(zhì)量。模型制作過程中，主要是保證模型尺寸、型線滿足設(shè)計(jì)要求并配好一些成型冷鐵。冶煉工序主要控制鋼水純凈度并合理控制殘余元素含量以確保性能達(dá)到要求。造型工序控制好砂型、砂芯的質(zhì)量，特別是表面質(zhì)量和涂料涂刷質(zhì)量。在各熱節(jié)處放置鉻鐵礦砂防止粘砂，嚴(yán)格按工藝要求設(shè)置澆注系統(tǒng)、放置冷鐵并設(shè)置排氣措施，以防止出現(xiàn)氣孔類缺陷?，F(xiàn)已成功生產(chǎn)多件高壓調(diào)節(jié)閥殼鑄件。

5 結(jié)束語

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果證明，采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量大幅度提高，原工藝方案存在問題的側(cè)面大搭子處和大法蘭位置無超標(biāo)缺陷顯示。工藝優(yōu)化后的首件產(chǎn)品UT檢測時，僅在澆注位置的最下面?100 mm小圓搭子處存在缺陷，分析原因可能是扣箱時少量浮砂未吹凈，鋼水澆注后聚集在該處造成的，可以通過加強(qiáng)造型過程質(zhì)量控制來解決?？偟膩碚f，類似鑄件因凸臺、搭子較多，造成熱節(jié)分散，在設(shè)計(jì)工藝時就應(yīng)分別考慮，照顧各處熱節(jié)，采用冷鐵、補(bǔ)貼形成足夠的補(bǔ)縮通道，再配合冒口完成鑄件補(bǔ)縮，就可以得到高質(zhì)量的鑄件。另外在新產(chǎn)品鑄造工藝開發(fā)過程中，為縮短試制時間并保證一次成功，模擬軟件的應(yīng)用也是十分必要的。

[1] 陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.8.

[2] 李魁盛.鑄造工藝及原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.6.

[3] 陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.10.

[4] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊(第5卷).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1.