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(fā)

馬 斌，李永新，馮周榮，郭小強(qiáng)，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(chǎn)業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把發(fā)展新能源作為順應(yīng)科技潮流、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要舉措。隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展和電網(wǎng)峰谷差的日趨增大以及國(guó)家能源政策的調(diào)整和環(huán)境保護(hù)的增強(qiáng)，大幅度開發(fā)和利用核電等潔凈能源成為必然要求。核電發(fā)展的水平，已成為當(dāng)今一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新水平的重要標(biāo)志。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代百萬(wàn)千瓦級(jí)核電技術(shù)，是最能代表中國(guó)高端制造業(yè)走向世界的兩張“名片”之一。核電具有輸出功率大、電源穩(wěn)定可靠、清潔低碳的特點(diǎn)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的重要手段之一。

我國(guó)《新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出在2011-2020 年將投資3 萬(wàn)億元用于發(fā)展先進(jìn)核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源技術(shù)；《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中要求：加快核電技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，掌握先進(jìn)核電技術(shù)，提高成套裝備制造能力，實(shí)現(xiàn)核電發(fā)展自主化。

CAP1400 型壓水堆核電機(jī)組是在消化、吸收、全面掌握我國(guó)引進(jìn)的第三代先進(jìn)核電AP1000 非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新開發(fā)出我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組。其安全指標(biāo)和技術(shù)性能達(dá)到了國(guó)際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平，具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。

建成壓水堆重大專項(xiàng)CAP1400 示范工程核電站，是我國(guó)三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標(biāo)志，同時(shí)也是三代核電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展不可或缺的試驗(yàn)、驗(yàn)證平臺(tái)。

本文研發(fā)的超大型核電高壓外缸鑄件，產(chǎn)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(shù)復(fù)雜、充型以及凝固補(bǔ)縮困難等難點(diǎn)。

1 產(chǎn)品介紹

本文研發(fā)CAP1400 核電項(xiàng)目配套超大型高壓外缸鑄鋼件的制造技術(shù)，項(xiàng)目產(chǎn)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(zhì)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(shè)計(jì)

2.1 鑄件熱節(jié)的模擬分析

根據(jù)上述鑄造方案，結(jié)合MAGMA 軟件的模擬，確定鑄件的熱節(jié)分布，如圖2 所示。

圖2 鑄件熱節(jié)及縮松分布圖

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

2.2 冒口、補(bǔ)貼設(shè)計(jì)

冒口采用模數(shù)計(jì)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。模數(shù)是指凝固體體積與散熱表面面積之比，計(jì)算公式為：

式中，M 為模數(shù)；V 為凝固體體積；A 為凝固體散熱表面面積[1]。

一般先計(jì)算出鑄件熱節(jié)處的模數(shù)，再計(jì)算冒口的模數(shù)，其模數(shù)關(guān)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(jié)構(gòu)建立補(bǔ)縮梯度，打通獨(dú)立熱節(jié)處的補(bǔ)縮通道。為確保鋼液澆注凝固時(shí)的有效補(bǔ)縮，在凝固末端區(qū)域設(shè)置合適冷鐵，調(diào)整補(bǔ)縮區(qū)域和溫度場(chǎng)，有利于補(bǔ)縮末端區(qū)的延長(zhǎng)和鋼液的順序凝固，確保內(nèi)部組織致密，無(wú)超標(biāo)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(jìn)行焊接對(duì)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(wú)損檢測(cè)要求二級(jí)，管口結(jié)合面部位UT 無(wú)損檢測(cè)要求一級(jí)，因此汽缸鑄件關(guān)鍵部位為管口，現(xiàn)有技術(shù)中管口部位鑄造時(shí)，設(shè)置一圈冷鐵，冷鐵之間存在縮松、夾渣等鑄造缺陷，需要專項(xiàng)制定措施防止管口部位產(chǎn)生鑄造缺陷。

圖3 凝固過程數(shù)值模擬圖示

圖4 管口熱節(jié)分布圖

通過結(jié)構(gòu)分析，汽缸鑄件管口部位結(jié)構(gòu)為圓周結(jié)構(gòu)，設(shè)置十字形狀冒口頸可以實(shí)現(xiàn)冒口對(duì)管口部位的多通道補(bǔ)縮方案，有效解決管口部位補(bǔ)縮問題，解決了由于管口部位壁厚薄無(wú)法設(shè)置澆口的問題。并在汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補(bǔ)縮重合區(qū)域的端面部位設(shè)置分區(qū)冷鐵，汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補(bǔ)縮重合區(qū)域的端面部位中間錯(cuò)位設(shè)置冷鐵，冷鐵之間的中間對(duì)應(yīng)的汽缸鑄件管口十字形狀冒口頸補(bǔ)縮重合區(qū)域外周部位設(shè)置冷鐵，實(shí)現(xiàn)外周部位冷鐵對(duì)端面冷鐵中間區(qū)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(jié)果

圖6 缸體上半充型過程數(shù)值模擬圖示

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用開放式，在十字形狀冒口頸根部設(shè)置內(nèi)澆口，可避免鋼液直接沖刷管口部位，并設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)，防止鋼包中最后不干凈鋼水流入鑄件。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用模擬軟件計(jì)算澆注過程關(guān)鍵參數(shù)，考慮鑄件結(jié)構(gòu)及工藝信息，設(shè)計(jì)直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口，保證澆注、充型過程快速、平穩(wěn)。通過先進(jìn)的模擬軟件檢驗(yàn)澆注充型過程平穩(wěn)性，解決鑄件沖砂、夾渣夾砂缺陷，達(dá)到滿足顧客產(chǎn)品要求。

采用鑄造過程充型、凝固仿真模擬技術(shù)，解決了超大型核電高壓外缸充型及凝固補(bǔ)縮難點(diǎn)，采用管口“十字補(bǔ)貼”補(bǔ)縮技術(shù)，保證了CAP1400 核電高壓外缸管口質(zhì)量。

3 成型工藝

圖7 缸體下半充型過程數(shù)值模擬圖示

本文所研發(fā)高壓外缸鑄件，由于其缸體巨大，造型用砂箱輪廓達(dá)9m×7m×5m，采用傳統(tǒng)的成型方法，翻箱重量超重，且翻箱時(shí)底箱澆注系統(tǒng)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(guī)翻箱造型無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度、防變形規(guī)律和措施，以及缸體類產(chǎn)品反向填砂操作等關(guān)鍵技術(shù)，最終順利實(shí)現(xiàn)CAP1400 高壓外缸鑄件的成型。

圖8 成型示意圖

傳統(tǒng)成型采用中圈、下箱整體填砂造型，在此基礎(chǔ)上分別翻箱，最后進(jìn)行上箱造型的成型流程。此方法適合常規(guī)小噸位產(chǎn)品，由于CAP1400 核電外缸輪廓尺寸大，所用砂箱大，采用傳統(tǒng)的造型翻箱模式，超出翻箱重量，無(wú)法成型。本項(xiàng)目采用先成型下箱，單獨(dú)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(tǒng)采用澆注系統(tǒng)芯，預(yù)留澆注定位，最終在合箱時(shí)將澆注系統(tǒng)芯裝配至下箱，再進(jìn)行澆注系統(tǒng)二次填砂，最終避開了整體翻箱超重的問題。

本文實(shí)施超大型核電外缸主體砂型位于中砂箱內(nèi)，造型時(shí)，只翻轉(zhuǎn)重量較輕的下砂箱，解決翻箱時(shí)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(jìn)一步保證鑄件質(zhì)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(shí)施中，形成鑄件主體結(jié)構(gòu)的中砂箱不翻箱，中砂箱造型時(shí)的流砂方向與傳統(tǒng)技術(shù)中需要翻箱的中砂箱造型結(jié)構(gòu)的流砂方向相反，新技術(shù)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(jìn)一步保證鑄件的尺寸。

圖9 組芯、合箱示意圖

圖10 獨(dú)立澆注系統(tǒng)砂芯

通過以上成型技術(shù)應(yīng)用，成功解決了超大型核電高壓外缸成型及翻箱難點(diǎn)。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的鑄件進(jìn)行驗(yàn)證：無(wú)損檢測(cè)無(wú)超標(biāo)缺陷；鑄件整體尺寸良好，均在公差范圍內(nèi)。通過驗(yàn)證結(jié)果可以看出，此鑄造凝固補(bǔ)縮方案和成型方案是合理的，鑄件綜合性能均達(dá)到客戶要求。