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      超臨界汽輪機(jī)主氣閥閥體鑄造工藝實(shí)踐

      2016-07-21 06:19:41全世紅
      現(xiàn)代機(jī)械 2016年3期
      關(guān)鍵詞:鑄鋼件鑄型冒口

      全世紅

      (首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司,貴州貴陽550000)

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      超臨界汽輪機(jī)主氣閥閥體鑄造工藝實(shí)踐

      全世紅

      (首鋼貴陽特殊鋼有限責(zé)任公司,貴州貴陽550000)

      摘要:討論了高質(zhì)量、高性能要求厚大鑄件閥體在生產(chǎn)中影響探傷合格率的主要因素,如縮孔、疏松、氣孔、裂紋、多肉等,并對這些因素進(jìn)行了分析。同時(shí)采用酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂、平撞立澆、階梯式澆注系統(tǒng)來優(yōu)化鑄造工藝,并對主要工藝過程進(jìn)行說明,結(jié)果證明所采取的一系列工藝措施是合理的。

      關(guān)鍵詞:高質(zhì)量厚大件閥體鑄造工藝

      隨著我國電力、冶金、造船等行業(yè)的不斷發(fā)展,所需的鑄件也向著厚大化、復(fù)雜化方面發(fā)展,同時(shí)對鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量都有了更高的要求,給生產(chǎn)加工帶來了更大的困難。因此,如何用合理的方法來減少厚大鑄件的缺陷,對穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)鑄件有著重要的意義。

      1汽輪機(jī)閥體基本情況

      超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的主氣閥閥體是汽輪機(jī)上的重要部件,它在使用過程中要承受高溫高壓的作用,因而對部件材料的要求極高,要求材料必須具備很好的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和氧化性能,鑄件本體不允許有裂紋、粘砂、縮孔、冷隔等缺陷存在。由于閥體材料是ZG1Cr10MoWVNbN,屬高溫用馬氏體耐熱不銹鋼[1],鑄造流動性較差,鑄件裂紋傾向大,易產(chǎn)生偏析,工藝控制難度較大。

      2009年來,我公司為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司火電機(jī)組配套生產(chǎn)的汽輪機(jī)主氣閥閥體毛坯鑄件,鑄件內(nèi)外質(zhì)量都要求十分苛刻,需要進(jìn)行100%的超聲波探傷(UT)和磁粉探傷(MT),尺寸要求嚴(yán)格。

      2鑄造工藝方案

      2.1造型材料的選擇

      由于大型鑄鋼件具有厚大斷面和高壓頭,鋼液對鑄型的熱作用,溫度高,持續(xù)時(shí)間長[2],因此對鑄型的高溫力學(xué)性能和型砂材料的抗粘砂能力有著極高的要求[3]。大液態(tài)鋼水澆入鑄型后,由于鑄型的吸熱,金屬溫度的下降,液態(tài)鋼水逐漸凝固,一直固態(tài)冷卻的過程中,發(fā)生體積縮小,就是我們所說的鑄件收縮。在這個(gè)過程之中,鋼水的收縮必然會受到型芯的阻礙,也給型芯以巨大的收縮壓力,造成型芯變形甚至開裂等等,鑄件本體可能產(chǎn)生熱裂、變形、冷裂、夾砂、多肉類缺陷[4-6];并且高溫金屬液有可能與型芯產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生粘砂、夾雜等缺陷。

      閥體的材料是馬氏體耐熱鋼,鑄造收縮率為2.2%,在鑄件成型的過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較大,鑄件本身對質(zhì)量品質(zhì)要求高,因而對型芯的要求比常規(guī)鑄鋼件還要高得多。

      為了減少鑄件在冷卻收縮過程的阻力,結(jié)合實(shí)際的情況,經(jīng)過綜合分析,采用脂硬化堿性酚醛樹脂砂工藝來進(jìn)行鑄件的造型。脂硬化堿性酚醛樹脂砂是一種比較新型的自硬砂,該工藝對原砂無苛刻要求,不含P、S、N等元素,不會產(chǎn)生鑄鋼件的表面滲硫、滲磷等現(xiàn)象;另外,該工藝還有一個(gè)顯著的特點(diǎn),即澆注時(shí)具有其他樹脂不可比擬的熱塑性階段和“二次硬化”現(xiàn)象,能緩解砂子因受熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力,且型芯在較長時(shí)間內(nèi)不易損壞,從而既可防止鑄件產(chǎn)生熱裂和飛刺,又可避免型芯在高溫作用下,由于強(qiáng)度過低,過早潰散而產(chǎn)生的沖砂、夾渣等缺陷[7-8];樹脂本身的高堿性,可適用于多種原砂,適合生產(chǎn)普通鑄件,也可用于生產(chǎn)不銹鋼及高強(qiáng)度合金鑄件等[9];同時(shí),鑄件尺寸精度高,表面質(zhì)量好。脂硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的配比見表1。

      表1 脂硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的

      在鑄件外型及泥芯的重要工作面,熱節(jié)部位,均采用鉻鐵礦砂作為面砂,以減少鋼水與砂型表面產(chǎn)生反應(yīng),提高鑄件的表面質(zhì)量。

      同時(shí),用成型陶管來制作鑄型的澆注系統(tǒng),提高充型金屬液的純凈度,減少因大量鋼水沖刷砂型澆注系統(tǒng)而造成的夾砂、夾雜等缺陷。

      2.2原造型工藝方案

      該主汽閥閥體的產(chǎn)品最大尺寸為2 783 mm×1 350 mm×1 120 mm,鑄件毛坯重量17 800 kg。按照通常采用的鑄造工藝,一般采用的是平澆的方案,澆冒口、補(bǔ)貼重量11 300 kg,工藝出口率61.2%。見圖1。

      但是,采用這個(gè)工藝方案有以下缺點(diǎn):

      圖1 原工藝方案

      1)外皮的增肉量很大,冒口下部的補(bǔ)貼部位全部要靠后期切割、清理修磨出來,因而常常出現(xiàn)多挖現(xiàn)象,焊補(bǔ)及清理打磨工作量很大,鑄件毛坯外觀質(zhì)量較差。

      2)由于冒口在鑄型的中部,因而對兩端遠(yuǎn)離冒口部位的補(bǔ)縮效果不明顯,鑄件內(nèi)頂面易產(chǎn)生縮孔、疏松、氣孔、夾雜、裂紋等缺陷,而產(chǎn)生缺陷的部位多處于鑄件泥芯部位,又很難進(jìn)行挖補(bǔ)處理,給后續(xù)工序帶來了更大的困難。

      3)閥體壁上的補(bǔ)縮主要是周向增肉來增加補(bǔ)縮斜度,但由于補(bǔ)縮距離大,而壁厚尺寸變化又不明顯,無法形成順序凝固的補(bǔ)縮通道,因而在閥體鑄件遠(yuǎn)離增肉補(bǔ)貼的位置都會出現(xiàn)UT缺陷。

      2.3改進(jìn)后的造型工藝方案

      結(jié)合設(shè)備狀況及鑄件本身的結(jié)構(gòu)特性,經(jīng)過綜合分析,決定采用平撞立澆的工藝方案,見圖2。

      采用平撞立澆方案的優(yōu)點(diǎn):

      1)在鑄件外皮上沒有任何增肉、型線,圓角鑄造成型,還可避免因切割冒口、補(bǔ)貼而出現(xiàn)的裂紋,外觀質(zhì)量好。

      圖2 改進(jìn)后工藝方案

      2)如圖2所示,用冷鐵來調(diào)整閥體的三個(gè)凸臺的凝固順序之后,鑄件的其余部份近似一個(gè)上大下小的錐臺,因而在鑄件成型的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)有效的順序凝固,減少鑄件本體縮孔、疏松的可能性,也提高了鑄件本體的致密度。

      3)四層階梯式澆注系統(tǒng),內(nèi)澆口從多角度切線引入鑄型,保證了金屬液自下而上平穩(wěn)地流入鑄型,同時(shí)金屬液在型腔內(nèi)充分旋轉(zhuǎn),減少紊流,使金屬液輕質(zhì)夾雜物、氣泡等絕大部分無阻礙的進(jìn)入鑄件冒口[10]。使鑄件在澆注過程中上部金屬液一直保持最高溫度,提高了鑄件的補(bǔ)縮效率。

      2.4熔煉及澆注控制

      汽輪機(jī)主氣閥閥體的熔煉及澆注是在現(xiàn)場進(jìn)行的,首先用康斯迪爾堿性電弧爐進(jìn)行熔煉及基本成分調(diào)整,之后在鋼包真空爐中進(jìn)行除渣、脫氣及最終成分控制。

      貴陽本地空氣濕度較高,為確保砂型的干燥度,在澆注前2 h,從鑄件冒口部位用180 ℃的熱風(fēng)管對鑄型型腔進(jìn)行加熱、除濕,使鑄件型腔充分干燥,減少鑄件因吸濕而產(chǎn)生氣孔類缺陷的可能。

      閥體用的鋼水出水溫度嚴(yán)格控制在1 650 ℃~1 680 ℃范圍,出水后保溫靜置10 min~15 min,在達(dá)到澆注溫度1 550 ℃~1 570 ℃時(shí)進(jìn)行澆注,澆注過程一次充型完成。之后在冒口頂面覆蓋發(fā)熱劑、保溫劑,提高冒口的補(bǔ)縮效率。

      3兩種造型方案的生產(chǎn)結(jié)果對比

      1)新工藝方案中幾乎沒有毛坯切割面積,其毛坯切割量及清理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于原工藝方案,同時(shí)大大減少了因要切割而產(chǎn)生的裂紋的危險(xiǎn)。

      2)原工藝方案的一個(gè)最大的問題是外壁增肉、補(bǔ)貼的切割清理工作量增大,外壁形狀不易得到保證,最為嚴(yán)重的是圓角部位常出現(xiàn)的切割增肉、補(bǔ)貼等時(shí)的多挖現(xiàn)象,焊補(bǔ)工作量大;而新工藝方案則有效的解決了這一問題,鑄件的表面質(zhì)量粗糙度由Ra25 μm提高到Ra12.5 μm,同時(shí)表面粗糙度一致性非常明顯。

      3)新工藝方案所生產(chǎn)出的閥體鑄件UT缺陷僅為4-6個(gè)點(diǎn),且多在外壁易于處理的部位,鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性大大提高。

      4結(jié)果

      在2009年7月至2011年8月期間,我公司成功造型澆注生產(chǎn)了超臨界ZG1Cr10MoWVNbN汽輪機(jī)主氣閥閥體24件,經(jīng)毛坯檢驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松、冷隔、氣孔等鑄造缺陷,毛坯合格率100%;機(jī)加工結(jié)束后,經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn),平均每件閥體有4-6個(gè)UT缺陷,通過有效的焊補(bǔ)后完全達(dá)到質(zhì)量要求。

      超臨界ZG1Cr10MoWVNbN汽輪機(jī)主氣閥閥體的制造成功,有效的說明了工藝方案的合理,工藝設(shè)計(jì)的正確,工藝措施的切實(shí)可行。

      參考文獻(xiàn)

      [1]趙成志,魏雙勝,武桂香,等. ZG1Cr10MoWVNbN耐熱鋼的斷裂特征與強(qiáng)化機(jī)制[J].材料工程,2008(3):1-4.

      [2]宋會宗,張遠(yuǎn)大.大型鑄鋼件用鎂鋁質(zhì)球形砂的研究[J].鑄造,1999(8)12-16.

      [3]黃天佑,劉小剛,康進(jìn)武,等.我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].鑄造,2007,56(9):899-904.

      [4]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊:第5卷[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2000:771-835.

      [5]劉小剛,康進(jìn)武,黃天佑,等.大型軋鋼機(jī)機(jī)架凝固過程溫度場應(yīng)力場模擬分析[J].鑄造,2006,55(9):922-926.

      [6]陳國楨,肖柯則,姜不居.鑄件缺陷和對策手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:75-489.

      [7]李遠(yuǎn)才. 鑄造材料實(shí)用手冊[M]. 北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2009:288-291.

      [8]李世成,李漢錕,康曉明,等.大型鑄鋼件用酯硬化堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑系統(tǒng)的開發(fā)研究 [J].鑄造,2011,60(8):735-738.

      [9]羅昊,趙丹丹,李世成,等.酯硬化堿性酚醛樹脂舊砂的再生工藝[J].鑄造,2011,60(8):791-793.

      [10]李魁盛. 鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983:90-91.

      中圖分類號:TG244

      文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

      文章編號:1002-6886(2016)03-0071-04

      作者簡介:全世紅(1968-),男,工程師,鑄造專業(yè)本科畢業(yè),長期從事鑄造工藝技術(shù)開發(fā)方面的工作。

      收稿日期:2015-06-10

      Casting techniques of the main valve body of the supercritical steam turbine

      QUAN Shihong

      Abstract:In this paper, we discussed the main factors influencing the quality of high-quality, high-performance, heavy and big valve body castings, such as shrinkage, porosity, blowholes, cracks, casting fins, etc. Then we optimized the casting process by adopting ester cured alkaline phenolic resin sand, and a horizontal moulding, vertical and stepped casting system. The results proved that the techniques chosen were practical.

      Keywords:high quality; heavy and big castings; valve body; casting technique

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