600MW 改进机组高压内缸铸造工艺研发

冯周荣，郭小强，李永新，李文辉，马 瑞

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，当前火电发展增速减慢，但长远来看，在环保技术进步、发电成本降低、电力需求增加等积极因素的推动下，火电行业未来发展前景较为乐观。火电设备的主要发展趋势为：高效率、低污染、低能耗、低造价，工业发达国家广泛应用单机容量为600MW 及以上的大容量超临界机组。顾客针对600MW 机组进行改进，实施节能降耗措施，利用创建整体优化理论，同时将“单耗分析”和“耗差分析”组合应用，大大降低生产成本，提高了机组效率，响应国家发改委上大压小、节能降耗的方针。

1 工艺方案的确定

1.1 铸件基本参数、技术要求及结构特点分析

600MW 改进机组高压内缸是顾客机型改造后国内首次试验性采购，此产品属于汽机承受高压部件，如图1，轮廓尺寸为：2518 mm×2314 mm×1108mm，产品净重单半13.8t，最大壁厚截面尺寸为350mm。化学成分以及机械性能见表1 和表2。

图1 600MW 改进机组高压内缸产品图

NDT 要求：100%UT；内腔及中分面UT 一级区，毛面UT 二级区，焊接部位UT 一级区；100%MT，不允许将内冷铁和芯撑留在铸件内。

热处理要求：950℃高温退火，700～750℃焊后热处理，聚合物淬火，700～720℃回火，该材质铸件焊接后在性能热处理前首次增加了消氢工艺，降低焊接区域氢含量，减少裂纹产生。

1.1.2 铸件结构分析

产品结构特点（具体结构见图1）：

（1）铸件铸造凝固热节多，如图2；

（2）气道管子为放样曲线结构，管口为鸭嘴进气口，鸭嘴气道口窄小只有60mm，且气道管子处于热节中间部位，气道管口芯子四周处于钢水包围之中，气道管子容易粘砂，如图3；

（3）该产品铸件材质为G17CrMoV5-10，材料V 含量高，裂纹开裂倾向大；

激光作为一种高亮度的定向能束，如今已广泛应用于医学、工业、军事等多个领域[1]。激光打孔技术具有加工效率高，适应于各类材料，可获得大的深径比和可批量群孔加工等优点。

表1 化学成分 ωB/%

表2 机械性能

图2 600MW 改进机组高压内缸热结图

图3 600MW 改进机组高压内缸气道管口形状

（4）铸件内腔、中分面全部为加工面，UT 一级检测要求，不能有夹渣、线性裂纹、缩松等缺陷。

通过分析铸件结构热节及气道管子粘砂倾向，再通过MAGMA 模拟铸件结构热节及粘砂情况，分析如下几点需要重点考虑的工艺措施：

（1）热节凝固模拟问题，如图4 MAGMA 热节模拟所示，热节模拟分布分散，尤其在气道管口两侧热节较大，此处壁厚达到350mm，需要设置冒口。

图4 MAGMA 热节模拟

（2）气道槽内粘砂问题，如图5 MAGMA 粘砂模拟分析，气道粘砂风险很高，铸造工艺需要考虑气道，防止粘砂。

图5 MAGMA 粘砂倾向模拟

1.2 工艺方案设计

1.2.1 铸造工艺设计

考虑铸件结构及检测质量要求，为了解决其热节补缩及铸造集渣问题，采用墙冒口为主的冒口设计铸造工艺。其铸造工艺见图6，其冒口计算采用模数计算法：

图6 600MW 改进机组高压内缸铸造工艺图

模数计算：利用冒口补缩梯度关系M2≥1.1M1，明冒口M冒≥1.2M,暗冒口M冒≥1.5M 的关系选择冒口。同时依据冒口补缩区与末端区关系，调整冷铁实现对铸件的补缩。通过MAGMA 模拟调整工艺，模拟结果如图7 所示，对于气道防粘砂问题采用新铬矿砂手工紧实即可满足。

图7 MAGMA 凝固模拟

1.2.3 焊接工艺设计

通过与同类铸件、其他相似结构铸件进行对比，600MW 缸体UT 缺陷不多及根据材质特性，采用手工电弧焊工艺即可满足。对于缺陷焊接，焊接完成后对焊接部位及其周边200mm 范围进行后热，后热要求温度达到250～300℃后保持3h，但最终不得低于120℃；后热完成后用保温棉及绝热布遮盖，以60℃/小时速度进行降温使其缓冷至100～150℃后进行铲磨及缺陷检测返修处理（禁止采用风动工具打磨）。达检测状态后进行高温检测，整个检测返修过程确保温度不得低于80℃。检测合格后立即架火升温至200℃保温直至进炉进行质量热处理。

1.2.4 热处理工艺的设计

铸件材料牌号为G17CrMoV5-10，属于低合金CrMoV 材料，由于铸件含有较多的V（约为0.25%，其凝固偏析系数大，在铸件凝固过程中极易产生偏析，对热处理后产品的组织性能影响很大。同时，V 的偏析，也很容易造成铸件开裂。且该产品气道槽形状不利于NDT、焊接、铲磨等，需要采用结构焊接的方法处理，而铸件V 含量高也对铸件的焊接性有影响，增加焊接难度。因此，该产品的成分设计不仅应考虑产品的性能要求，还需考虑如何应对产品的淬火开裂性和焊接性。

为了提高铸件的焊接性，提高焊接质量，对本项目产品而言，其V 含量应控制在顾客范围下限，以降低V 在凝固过程中的偏析，引起组织和性能的不均匀性。对于C、Si、Mn、Cr 等合金元素，应综合考虑铸件的强度、塑韧性、冲击、可焊性等方面，从Ceq 和淬火开裂性的角度优化成分范围，将Ceq 范围控制在0.6～0.9 之间。为了提高铸件的焊接质量，该材质首次增加了高温退火工艺。退火后的铸件先进行加工、焊接等，最后才进行淬火+回火的性能热处理。同时，该材质铸件焊接后在性能热处理前首次增加了消氢工艺，降低焊接区域氢含量，减少裂纹产生。

2 生产效果

通过铸造工艺的设计及气道口的料焊，成功预防了气道管口内部的粘砂问题，同时墙冒口的设计，有效解决了铸件一级区铸造缺陷问题，铸件化学成分、机械性能均达到顾客规范要求。通过实际生产验证，可以批量生产。

3 结论

通过铸造工艺研发及实际铸件生产验证，得到如下结论：

（1）铸造工艺的设计及气道口的料焊，成功预防了气道管口内部的粘砂问题；

（2）墙冒口的设计，有效解决了铸件一级区铸造缺陷问题；

（3）通过热处理工艺设计有效防止了含V 材质开裂问题；

通过有效工艺设计及过程控制，成功对600MW 改进机组高压内缸成功研发，达到顾客要求。