600MWCCH蒸汽轮机外缸铸件铸造工艺优化

付 龙

（共享集团有限责任公司，宁夏 银川 750021）

1 工艺设计方案

1.1 铸件的基本参数及技术要求

蒸汽轮机高中压外缸铸件的材质为铸造低合金钢， 牌号ZG15Cr1Mo1V；重量：上缸52 吨，下缸53 吨，上下部装配见图1；轮廓尺寸：上缸5550*3840*1920，下缸6540*3840*2280；铸造公差：GB/T6414-1999，CT12 级；最大截面壁厚：330mm；最小壁厚：40mm；NDT 要求：100%UT，100%MT，加工面100%PT，管口部位要求100%RT， 按照ASTM A609/A609M 标准进行NDT 检测；首件生产需要按照SGC-002 标准进行RT 检测。 组织要求：回火贝氏体+小于20%共析铁素体；外观要求：所有外观面要达到JB/T4058-1999 中的洁-2 要求。材质为ZG15Cr1Mo1V 具体成分见表1。

表1 化学成分

图1 高中压外缸上下部装配图

1.2 初始铸造工艺设计

从铸件结构分析，确定铸件的分型方案，铸件本身为回转体结构，由汽缸中心线向缸体两侧以3%的壁厚逐渐递增利于顺序凝固，结合面螺栓孔厚大法兰最厚，便于设置冒口，有效补缩，其余部位利用冒口及冷铁，考虑铸件的尺寸公差要求较高，减少出芯子导致铸件的尺寸偏差，采用对撞造型。

按照铸件的结构进行模数计算，设计冒口和冷铁，需要10个椭圆形保温冒口，冒口安全系数1.1。

浇注方式，采用底返式浇注系统，为防止内浇口冲砂导致缺陷，内浇道开设在暗冒口底部或铸件的厚大部位，减少冲砂风险， 经采用浇注系统计算软件设计计算， 确定主要工艺参数如下：浇道断面比：∑孔：∑直：∑横：∑内=1：1.4：3：6.8；浇注重量：85t；浇注时间：110s；液面上升速度：18mm/s；浇注温度：1 570～1 630℃。

2 铸件的典型缺陷

2.1 铸件缺陷

图2 外缸铸件螺栓孔法兰缩松缺陷

图3 外缸铸件螺栓孔法兰R处裂纹缺陷

在实际生产中，按初始工艺进行造型、浇注。 粗加工后在螺栓孔法兰处发现有大量缩松出现， 同时在螺栓孔法兰被面的R处存在连续性的裂纹，如图2、图3。

2.2 缺陷的原因分析

2.2.1 螺栓孔法兰的缩松缺陷分析

铸件粗加工后经过NDT 检测，发现在分型面对应的冒口根部有缩松缺陷，冒口的计算选用模数法。 铸件从浇注冷却到室温的过程中，随着温度的变化，体积要发生三次收缩变化：第一阶段是液态收缩阶段，合金液从浇注温度冷却到液相线温度，金属完全处于液态，金属体积减小，表现为型腔内部液面的降低，称为液态收缩；第二阶段是凝固收缩阶段，自液相线温度冷却到固相线温度，称为凝固收缩；第三阶段固态收缩阶段，自固相线温度冷却到常温，铸件达到工艺要求尺寸，称为固态收缩。 当金属液进入型腔后，靠近型壁的金属液散热快，冷却速度快，而后向铸件中心逐层凝固。 铸件在冷却凝固的过程中，一般液态收缩时可以得到冒口中液态金属的补缩， 这个阶段的收缩对铸件质量影响不大；固态收缩对形成缩孔、缩松缺陷的影响也不大，但如果在凝固收缩时得不到补缩，就会在铸件最后凝固的部位（热节处）形成细小或分散的孔洞，即缩孔、缩松缺陷。 宏观角度上认为600MWCCH 蒸汽轮机外缸结合面螺栓孔法兰壁厚较大，模数较大，工艺设计的冒口较大，从铸件的缩松形态看应该是第三阶段固态收缩时产生的缩松，未能形成良好的楔形补缩通道，导致冒口的垂直有效补缩距离不足， 铸件法兰中心凝固过程中出现缩松。

2.2.2 螺栓孔法兰背面的R 裂纹缺陷分析

（1）铸件裂纹一般分为热裂和冷裂，表现为铸件表面出现很深的裂痕或者在铸件内部形成内裂纹（必须经过UT 才可以发现），铸件表面有单条或多条裂纹，走向扭曲，铸钢件裂口的裂壁呈黑的氧化色。 由于钢液的流动性差，钢液容易氧化，非金属夹杂物很容易混杂在钢水中使铸件在收缩凝固后期产生内热裂或皮下热裂。 根据铸件缺陷的特点， 统计了实际生产的300～1000MW 高中压外缸的相同R 部位的缺陷，如图4，统计了图7左图所示（壁厚比=T/t）与右图裂纹率之间的关系。 当R 一定，浇注温度为1570～1630℃的条件下，随着壁厚比值的增大，裂纹有增加的倾向。在相同的壁厚比值当中裂纹率也存在着差异，分析原因为浇注温度的影响造成的， 浇注温度与裂纹率也有很大的关系，浇注温度越高裂纹率也越高。

图4 壁厚比和裂纹的关系图

（2）防裂筋的设计。 铸件的特殊结构导致铸件法兰同缸体连接的R 部位容易产生裂纹， 由于铸件R 部位壁厚差异大，工艺上设计了防裂筋，防裂筋厚度为铸件壁厚的1/3，拉筋高度按照法向方向垂直于R 设计，减少R 处结构凝固时所产生的收缩应力，以防止热裂风险，但通过实际生产验证，在外缸R 处仍产生很深、很长的裂纹，见图3，考虑到铸件的结构特点，根据铸件的设计壁厚逐渐增加的理念， 使铸件按照顺序凝固的方式逐层凝固， 同时将防裂筋的设计应该尽可能的考虑减少铸件本身的结构带来的收缩应力风险。

3 工艺措施

根据缸体铸件的关键部位的典型缺陷，工艺改进从螺栓孔法兰缩松和R 部位的裂纹发生部位改进，采取工艺措施，保证朝向冒口的揳形补缩通道畅通和减少R 部位的收缩应力导致裂纹风险。

3.1 由于外界的条件的偏差导致工艺设计过于理想化，因此需要提高冒口的安全系数，加大冒口模数，如果增大冒口规格型号，虽然满足了安全系数要求，但增加了冒口的切割面积，增加了清理工时，为保证冒口的安全系数，工艺上通过增加冒口高度进而提高冒口模数而提高安全系数，不增加清理工作量，根据铸件的计算模数，设计冒口的安全系数建议为1.2～1.5，实践证明彻底解决了螺栓孔部位的缩松缺陷。

3.2 在保证铸件充型的条件下， 应该选择低的浇注温度，浇注温度控制在1570～1590℃为宜。

3.3 沿铸件的横截面方向增加防裂筋的斜度，改变铸件R部位的设计，减少收缩应力影响，防裂筋斜度设计为3～5 度。

4 CAE 模拟

将改进后的三维铸造工艺进行三维实体造型， 然后将铸件、浇注系统、冒口、冷铁等三维实体转换成STL 格式文件，导入CAE 凝固模拟软件进行有限差分网格剖分和热分析，通过CAE模拟软件后处理判据中的Feeding、Niyama 虚拟仿真分析， 模拟结果如图5。

图5 模拟结果

从图a 中可以看出蓝色部位为冒口的缩松位置，但是在模拟结果中缩松的安全距离在至少200mm 以上， 法兰中没有缺陷，从图b 中可以看出冒口补缩能力充分，因此可以确定此工艺方案对铸件产生的缩松问题可以完全解决。

[1]陈国桢主编：《铸件缺陷和对策手册》，机械工业出版社，1996.

[2]王春乐.铸钢件缩孔缩松预测方法及判据浅析[J].山西机械2003（121）：7-10.

[3]沈邱农.超超临界汽轮机的特点[J].动力工程2002，第22卷.