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概述超临界C12A阀体铸造工艺研究

0 引言

随着我国火电机组技术日趋发展,大功率火电项目逐渐成为主流,而大功率火电又在向超临界、超超临界发展,相应的工作压力、工作温度与常规的亚临界机组相比都有很大程度的提高,这给高温高压调节阀铸钢件提出了更高的要求,要实现超临界、超超临界火电机组的国产化必须攻克超临界、超超临界机组所需铸件的制造技术[1]。哈尔滨电机厂有限责任公司热加工事业部曾成功生产过WCB、WC9等亚临界锅炉阀门铸件,但超临界C12A阀体铸件的生产尚属首次,掌握该产品的铸造工艺,是今后开发锅炉阀门市场的关键。

1 国内外技术情况比较

C12A铸钢材料含较高的铬,合金元素种类多,其合金元素总含量大于10%,属于高合金铸钢,且存在一定的固溶气体。该钢种钢液的流动性差,容易产生冷隔;高温易氧化,铸件表面易产生氧化膜褶皱,氧化膜卷入内部易形成氧化夹杂物,冶炼难度大;凝固区间比常见的00Cr13Ni5Mo高,易产生缩松、缩孔缺陷,铸造性能差;导热性差,热裂倾向和粘砂倾向大;体收缩量大,收缩应力大,导致工艺设计的难度加大;马氏体转变终了温度低,容易产生冷裂,热处理的难度很大。目前,据我们了解,美国、日本、德国、英国、斯洛文尼亚、韩国等可以生产这类铸件,但生产难度都比较大。国内某些厂家如鞍钢、山西长丰等企业也生产过该钢种铸件,但废品率较高,且无法检索到相关资料。

2技术难度分析

2.1结构方面

该阀体整体结构为三通管状,主壁厚由70mm增加到110mm,壁厚不均匀,相对增大了铸造难度;三通管相贯处存在Φ150mm孤立局部热节,易产生缩松和裂纹;热节厚大、孤立、分散,不利于实现顺序凝固;铸造性能有待研究,保证组织致密难度很大,缩尺不易控制。钢液的流动性较差,冒口、浇注系统以及缩尺的设计具有一定难度。

2.2造型方面

砂型内浮砂、气体,钢液中夹渣不易排出,内腔型砂易烧结。

2.3熔炼浇注

该钢种首次冶炼,化学成分控制要求高,冶炼过程很长,化学成分控制难度增加。

2.4清理及热处理

冒口厚大,需整体预热切割冒口及冒口处的增肉,铸件易产生裂纹,冒口不易切割。力学性能要求高,热处理工艺制定难度大。缺陷的去除和补焊也是一个难点。

3铸造工艺研究

3.1冒口设计

根据以往生产亚临界阀体的经验和教训,最初选定3种工艺方案。

方案1:采用水平造型竖立浇注的工艺方案,主冒口放在铸件的腹部,支管处放置暗冒口,底部放置外冷铁,见图1a。

图1 方案1

方案2:采用水平造型水平浇注的工艺方案,主冒口放在铸件的相贯处,支管处放置暗冒口,底部放置外冷铁,见图2a。

图2 方案2

方案3:采用水平造型水平浇注的工艺方案,主冒口放在铸件的相贯处,取消支管处暗冒口,底部放置外冷铁,见图3a。

为验证工艺,我们分别对这三种工艺方法进行计算机模拟,见图1b,图2b,图3b。

根据以上模拟结果,我们认为:方案1的优点是芯盒结构简单,冒口容易切割,铸件表面形状完整,缺点是铸件相贯处存在较大的缩孔(图1b);方案2的优点是冒口布置合理,对所有孤立的热节都能进行补缩,缺点是冒口不易切割,铸件表面形状需靠大量的气刨、打磨来保证,容易产生裂纹,冒口过多,造成铸件的结构薄厚不均,收缩应力大,极易产生裂纹缺陷(图2b);方案3的优点是冒口少,铸件致密度好,出品率高,后序清理工作量小,铸件结构合理,通过冒口与冷铁,形成合理的温度梯度,铸件接近自由收缩,不易产生裂纹缺陷(图3b),缺点是芯盒结构复杂,砂芯需预装后整体下芯。综合考虑后,我们认为方案3最能保证铸件的质量。

图3 方案3

3.2 型砂工艺设计

面砂采用酯硬化碱性酚醛树脂铬铁矿砂,厚度由上箱的15mm过渡到下箱的30mm,以形成温度梯度,背砂采用酯硬化碱性酚醛树脂石英砂,填充砂为“七○砂”。碱性酚醛树脂铬铁矿砂含水量小,强度高,高温软化点高,激冷效果好,可降低铸件产生气孔、砂眼、烧结等缺陷的可能性。

3.3 熔炼工艺

利用电弧炉+LF+VOD精炼,采用双脱硫操作技术、两次真空脱气操作工艺、炉后喂线深脱氧方法,对炉内H、O、N含量进行多次取样分析,确保稳定生产优良的精炼钢液。

3.4 热处理及清理工艺

该钢种正火温度在1020~1050℃区间时,随温度的升高,强度呈上升的趋势,但塑韧性变化不大;在1050~1080℃区间时,随温度的升高,强度呈上升的趋势,塑韧性趋于变小。回火温度在710~760℃区间时,随温度的升高,强度降低,但塑韧性升高。

最终我们确定热处理及清理工艺为:正火1050℃+回火760℃后冷却至300℃切割冒口及所有冒口增肉,气刨修形后再次回火。

3.5 铸件检查及缺陷焊补

超临界Cr-Mo-V材料,可焊性要差些,因此,在焊接材料的选用上采用经工艺评定的专用焊条,焊补过程应严格按照焊接工艺规程进行。内圆、端面粗加工,外皮打磨至粗糙度Ra=12.5进行MT、UT检查,按CCH-3二级执行,按图纸检查铸件尺寸,缺陷焊补采用专用焊条96B9。

4 生产过程控制

砂芯芯骨外缠4根排气绳,引至砂箱外部,芯子平面划出排气通道,所有外皮和芯子的砂型(芯),必须自然硬化到型砂可操作时间的3倍以后,才允许吹气硬化;砂芯预装后一起下入型腔,砂芯的芯骨焊到一起;上箱的所有2#冷铁之间留有40 mm的出气孔,冒口中间外皮最高点处放30mm×100mm的出气孔;底返浇道不能直接冲击砂芯,内浇道沿型腔方向开设;合箱后仔细检查浇道和型腔,吸出浮砂;合箱后用热风机从浇道对型腔进行烘烤,温度在100℃左右,浇注前停止;5天后冒口根部测温,80℃以下打箱,落砂时不允许浇水。

5 结束语

针对铸件的结构和技术的要求,从冒口、型砂、冶炼、热处理、补焊等方面进行了充分的工艺论证,并在生产过程中采取了一系列有效过程控制措施,该铸件现已成功生产。通过C12A阀体铸件生产上的应用研究,我们基本掌握了这种材质的相关铸造性能,为开发锅炉阀门市场积累了大量的生产经验和数据。

参考文献:

[1] 顾红星,郭军,赵丽,等.9-12Cr缸体铸钢件热处理工艺与力学性能的研究[J].大型铸锻件,2003(3):25-26.
[2] 刘建勇,陈昆.超临界主汽阀、调节阀铸造技术研究[J].东方汽轮机,2007(3):37-41.