660MW超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的工藝研發(fā)

楊建，程亞軍，李瑩

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

660MW超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的工藝研發(fā)

楊建，程亞軍，李瑩

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了一種超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸鑄鋼件的鑄造工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)此內(nèi)缸壁厚大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在鑄件內(nèi)部設(shè)置“C”型補(bǔ)貼、明冒口，在鑄件側(cè)面設(shè)計(jì)冷鐵，以確保鑄件的順序凝固。建立鑄件的三維實(shí)體模型，運(yùn)用MAGMA鑄造模擬軟件進(jìn)行鑄件凝固過程模擬。模擬結(jié)果表明，缺陷全部處在冒口中，實(shí)現(xiàn)了順序凝固，消除了鑄件內(nèi)部鑄造缺陷，獲得了合理的鑄造工藝方案。

高壓內(nèi)缸；超超臨界機(jī)組；數(shù)值模擬

超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是一種先進(jìn)、高效的發(fā)電技術(shù)，它比超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的熱效率高出約4%，與常規(guī)燃煤發(fā)電技術(shù)相比其優(yōu)勢就更加明顯。超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的工作壓力為26.5 MPa，工作溫度接近600℃，均明顯高出常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)。高壓內(nèi)缸是整個(gè)超超臨界蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，普通汽輪機(jī)材質(zhì)ZG15Cr1Mo1V在超超臨界的高溫蒸汽下，材質(zhì)的高溫蠕變強(qiáng)度不能滿足產(chǎn)品的實(shí)際使用需求［1］。針對超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)更高性能的要求，目前已經(jīng)研發(fā)出新型高合金材質(zhì)ZG1Cr10MoWVNbN以滿足工況要求。660 MW超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的尺寸、NDT、成分、性能要求非常嚴(yán)格，本文主要介紹此高壓內(nèi)缸的研發(fā)過程。

1　產(chǎn)品介紹

高壓內(nèi)缸鑄件重12.8 t，輪廓尺寸2 970 mm ×2 380 mm×1 108 mm，最大壁厚為345 mm，平均壁厚為150 mm，屬于厚壁鑄鋼件，具體產(chǎn)品形狀見圖1，成分要求見表1.

圖1　高壓內(nèi)缸產(chǎn)品圖

表1　化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2　鑄造工藝設(shè)計(jì)

高壓內(nèi)缸近似C型結(jié)構(gòu)，整體壁厚大、壁厚變化小。此種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致鑄件在凝固過程中，缸壁自補(bǔ)縮困難；鑄件內(nèi)腔空間小，根據(jù)模數(shù)法計(jì)算的保溫冒口尺寸超過內(nèi)腔尺寸，增加了鑄造工藝的難度；鑄件壁厚大造成在凝固過程中體收縮大，成分偏析傾向嚴(yán)重，生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)縮松、縮孔、偏析、裂紋等缺陷；材質(zhì)屬于高合金鋼，鋼液流動性差、高溫氧化性強(qiáng)，夾渣缺陷傾向大。

因此，從結(jié)構(gòu)和材質(zhì)綜合分析鑄件易產(chǎn)生縮松、裂紋、夾渣缺陷，解決此類問題是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1造型方案的確定

高壓內(nèi)缸屬于“軸瓦”型汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，其法蘭厚度與缸壁近似一致，內(nèi)腔有一個(gè)循環(huán)氣道，其截面如圖2.依據(jù)鑄鋼件重力補(bǔ)縮的特點(diǎn)，高壓內(nèi)缸造型方案采用法蘭朝上的方案，如圖3.該方案將冒口設(shè)置在法蘭上部，利用大氣壓力和冒口自身重力的雙重作用提高鑄件鋼液補(bǔ)縮能力；將內(nèi)澆口設(shè)置在內(nèi)缸弧頂處，采用完全底注式澆注系統(tǒng)，有利于鋼液快速充型，氧化渣容易上浮至明冒口處，解決高合金材質(zhì)夾渣問題；造型采用外模加吊胎造型方法，使用同一模樣，無需設(shè)置拔模斜度，無需單獨(dú)制作內(nèi)腔砂芯，提高砂型的尺寸精度。

圖2　高壓內(nèi)缸截面圖

圖3　高壓內(nèi)缸工藝圖

2.2冒口及補(bǔ)貼工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是鑄件補(bǔ)縮工藝設(shè)計(jì)和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要通過冒口、補(bǔ)貼、冷鐵的配合使用使得鑄件在澆注后實(shí)現(xiàn)各個(gè)補(bǔ)縮區(qū)域的順序凝固，最終得到符合質(zhì)量要求的鑄件。模數(shù)法計(jì)算補(bǔ)縮工藝分為三部分：1）通過計(jì)算產(chǎn)品不同部位的模數(shù)確定冷鐵位置、尺寸、數(shù)量，將鑄件劃分為多個(gè)凝固區(qū)域，確定每個(gè)區(qū)域的冒口尺寸、數(shù)量；2）依據(jù)鑄件模數(shù)與明冒口模數(shù)之間的關(guān)系M明冒口＞1.2M件確定冒口型號；3）校核冒口的補(bǔ)縮液量，冒口補(bǔ)縮液量G冒口必須大于鑄件毛重G件［5］.

圖4　鑄件截面圖

高壓內(nèi)缸的徑向、軸向截面如圖4，各截面顯示鑄件沒有特殊熱節(jié)部位。缸壁壁厚均勻鑄件其本身近似同一幾何模數(shù)，補(bǔ)縮梯度差；內(nèi)腔尺寸小，應(yīng)用“滾圓法”計(jì)算得出的保溫冒口尺寸超過了內(nèi)腔尺寸，無法設(shè)置冒口；為保證鑄件弧頂處能順利補(bǔ)縮，此處設(shè)置了“C”型補(bǔ)貼，補(bǔ)貼上部設(shè)置明冒口，如圖3；水平補(bǔ)縮通過冒口間設(shè)置冷鐵，增加人為末端區(qū)來劃分補(bǔ)縮區(qū)域，提高了冒口的補(bǔ)縮效率，補(bǔ)縮能力。

通過計(jì)算M件=9cm，M冒口=11cm，M明冒口＞1.2M件，將所有明冒口補(bǔ)縮液量進(jìn)行計(jì)算：G冒口=15.4 t、G件=14.2 t，G冒口＞G件.通過模數(shù)比例和補(bǔ)縮液量校核，所選用冒口是合理的。

大型鑄鋼件充型過程需要快速、平穩(wěn)，采用全開放式澆注系統(tǒng)。澆口位置設(shè)置在鑄件底部，保證充型過程中氣體、氧化渣順利排出，澆注系統(tǒng)具體比例為滑動水口∶直澆口∶橫澆口∶內(nèi)澆口= 1∶1.2∶3∶5.8.

3　數(shù)值模擬

3.1Magma軟件仿真模擬

超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸鑄件，屬于高合金產(chǎn)品，噸位大，為保證鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，降低生產(chǎn)過程中的缺陷風(fēng)險(xiǎn)，對工藝進(jìn)行了鑄造過程仿真模擬。本文采用德國模擬軟件MAGMA5.3仿真模擬鑄件凝固過程溫度場、固液相分?jǐn)?shù)、凝固孔隙率、充型溫度場等，通過porosity、Niyama等判據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，為工藝優(yōu)化提供有效的預(yù)測結(jié)果［2-4］。

3.2初始方案數(shù)值模擬結(jié)果分析

軟件將實(shí)際生產(chǎn)過程中的熱物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、模擬。圖5是鑄件凝固過程的縮松結(jié)果。對模擬結(jié)果分析，在凝固過程中鑄件最大熱節(jié)處沒有出現(xiàn)孤立液相，縮孔、縮松全部轉(zhuǎn)移到冒口中，凝固通道通暢，鑄件在凝固過程實(shí)現(xiàn)了順序凝固，解決了縮松缺陷。

圖5　模擬結(jié)果

4　熔煉工藝

根據(jù)鑄件材質(zhì)，確定冶煉工藝為EAF+LF+VOD+氬氣保護(hù)澆注工藝；鑄件的檢測要求較高，冶煉過程應(yīng)注重鋼液夾雜物、氣體含量的控制，故采用VD處理，凈化鋼液。為防止鋼液的二次氧化造成鑄件夾渣，在澆注過程中，采取氬氣保護(hù)措施，減少鋼液的氧化。

5　結(jié)論

采用如上的鑄造工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以下效果：

1）采用實(shí)樣造型，解決了鑄造合箱過程中型、芯錯(cuò)偏的問題，提高了砂型尺寸控制精度同時(shí)提高了生產(chǎn)效率；

2）在鑄件內(nèi)腔中設(shè)置“C”型補(bǔ)貼連通了冒口、鑄件的補(bǔ)縮通道，既可以進(jìn)行補(bǔ)縮，又解決了冒口超過內(nèi)腔尺寸的問題；

3）冒口之間設(shè)置冷鐵，進(jìn)行人為劃分補(bǔ)縮區(qū)域，提高了冒口補(bǔ)縮能力、效率；

4）采用模擬仿真技術(shù)，通過虛擬仿真預(yù)測縮松、裂紋、夾渣缺陷的分布位置，進(jìn)而優(yōu)化工藝，提高實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質(zhì)量；

5）澆注過程中采用氬氣保護(hù)減少鋼液充型過程中的二次氧化渣。

［1］張亞才.姜文杰，白云龍.600MW超臨界汽輪機(jī)機(jī)組高壓內(nèi)缸研制［J］.鑄造，2006，55（6）：649-651.

［2］孫遜，安閣英，蘇仕方.鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬發(fā)展現(xiàn)狀［J］.鑄造，2000（2）：84-88.

［3］楊弋濤.金屬凝固過程數(shù)值模擬及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］王翠華.計(jì)算機(jī)模擬在鑄鋼件鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2001（5）：26-27.

［5］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編.鑄造手冊［M］.鑄造工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Development of High Pressure Inner Casing for 660MW Ultra-super Critical Steam Turbines

YANG Jian，CHENG Ya-jun，LI Ying
（Kocel Steel Foundry CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The casting method of high pressure（HP）inner casing steel casting for super critical steam turbines was introduced. According to the heavy thickness structural characteristics of the HP inner casing，the C-type padding and the open riser were adopted and the chills were designed on the side of the casting to ensure progressive solidification.The 3D model of the casting was built and the Magma casting simulation software was employed to simulate the solidification process of the steel casting.The simulation showed that the shrinkage only appeared at the riser when the progressive solidification was achieved，the shrinkage in the casting were avoided.Then the reasonable casting process was obtained.

high pressure inner casing，ultra-super critical steam turbines，numerical simulation

TG260，TP319

A

1674-6694（2016）04-0011-02

2016-04-27

楊建（1980-），男，山西大同人，工程師，主要從事鑄造工藝技術(shù)管理工作。