超临界C12A喷嘴室铸造工艺研究*

张健

(兰州兰石铸造有限责任公司，甘肃兰州 730050)

0 引言

随着我国火电机组技术日趋发展，大功率火电项目日渐成为主流，而大功率火电机组又在向超临界、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，这给高温高压的喷嘴室铸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］。兰州兰石铸造有限责任公司曾成功生产过ZG20CrMoV材质的汽轮机喷嘴室铸件，但超临界C12A材质的汽轮机喷嘴室铸件的生产尚属首次，掌握该产品的铸造工艺是今后开发汽轮机铸件市场的关键。

1 技术难度分析

1.1 材质

该喷嘴室材质为C12A，属Cr－Mo－V系列高合金钢，铬含量要求9.1%～10%，且含有一定的固溶气体，流动性差，易产生冷隔;高温易氧化，铸件表面易产生氧化膜褶皱，氧化膜卷入钢水易形成氧化夹杂物，冶炼难度大;该钢种凝固区间大，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，导致工艺设计难度加大。该件为大型汽轮机的关键铸件，壁厚由50 mm增加到110 mm，壁厚不均匀，相对增大了铸造难度;支撑筋与主管交接处有孤立局部热节，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，缩尺不易控制。

1.2 质量要求

该件要求按某汽轮机厂标准进行100%MT，不能进行MT检查的部位要进行100%PT检查，喷嘴口及中分法兰要按某汽轮机厂标准进行RT，其余部位进行100%UT检查，达到某汽轮机厂标准Ⅰ级要求。铸造公差按GB/T6414－2009 CT11级要求。表面质量要求高，外表面粗糙度全部达Ra50，内表面全部达Ra 25要求。

1.3 造 型

该件属于半圆管与圆管错层交接状，中心高差为70 mm，交接部位分型困难。砂芯排气及表面质量问题，钢液中的夹渣不易排出。

1.4 熔 炼

该钢种在兰石铸造有限责任公司尚属首次冶炼，化学成分又要求极其严格，冶炼过程很长，化学成分控制难度很大。

1.5 清 理

该件表面要求高，冒口厚大，冒口及补贴增肉需预热切割，铸件易产生裂纹，冒口不易切割。缺陷清除和焊补也是一个难点。

1.6 热处理工艺

该钢种马氏体转变终了温度低，易产生冷裂，热处理难度很大。力学性能和组织要求高，热处理工艺制定难度大。

2 铸造工艺研究

2.1 冒口设计

先按常规水平浇注位进行冒口设计，按模数法在进气管上方设计一个冒口，该铸件为对称件，为便于数值模拟研究比较，在两个法兰各设计一个相同模数的冒口，一个圆形，一个随形;冒口之间半圆管上部各设计一个相同模数的集渣排气暗冒口，一个腰形，一个圆形。工艺方案如图1。对上述工艺方案，利用华铸CAE软件，进行数值模拟研究，模拟结果如图2～4所示。

图1 改进前工艺方案

图2 模拟结果1－1

图3 模拟结果1－2

图4 模拟结果1－3

从模拟结果看，同模数的圆形冒口补缩效果优于腰形冒口;同模数腰形冒口集渣效果优于圆形冒口。喷嘴室本体有很多缩松，无法满足铸件探伤要求。

根据模拟情况改进冒口，两个法兰部位采用模数大一号的圆形冒口，冒口之间半圆管上部设计一个，与模拟冒口相同模数，高度低一级的腰形集渣排气暗冒口，加大覆盖面。重新设计外冷铁布局。该方案模拟结果如图5～8所示。

图5 模拟结果2－1

图6 模拟结果2－2

图7 模拟结果2－3

图8 模拟结果2－4

从模拟结果看，改进后的工艺消除了喷嘴室本体缩松，探伤优化了冒口补缩效果。

2.2 砂型工艺设计

砂芯全部采用新制铬矿自硬树脂砂，芯骨绕3根排气绳，芯子刷3遍醇基锆英粉涂料。铸型面砂用新制铬矿自硬树脂砂，多扎排气眼，型腔刷3遍醇基锆英粉涂料。冷铁工作面打磨光滑，露出金属光泽，然后刷醇基稀薄锆英粉涂料1遍。

2.3 冶炼及浇注工艺设计

采用电弧炉与AOD精炼炉相结合的冶炼技术，利用炉前快速光谱分析技术，确保化学成分满足要求。浇注前AOD精炼炉出钢时从浇口给铸型充氩1.5～2 min。采用全流快速浇注，确保充型平稳饱满，不断流变流。

2.4 热处理及清理工艺

该钢种正火温度在1 020～1 050℃时，随温度的升高，强度呈上升趋势，但塑性韧性变化不大;在1 050～1 080℃时随温度的升高，强度呈上升的趋势，塑性韧性趋于变小。回火温度在710～760℃时，随温度的升高，强度降低，但塑性韧性升高［3］。

根据兰州兰石铸造有限责任公司的实际情况，我们最终采取的热处理及清理工艺为1 050℃正火(喷雾)+760℃回火后冷却至350℃切割冒口及补贴，气刨修形后再次回火。

2.5 铸件检查及缺陷焊补

粗加工后碳弧气刨各飞边、毛刺、粗糙不平处，然后打磨达探伤要求，进行UT、MT检查，碳弧气刨清除所有UT及MT超标缺陷，打磨所有缺陷面，磨除富碳层，整体预热至350℃以上，用石棉布包裹非焊接位置，焊补清缺位置，全部焊补完成后去应力退火，然后喷砂，打磨焊补部位，送检RT。如果有超标RT缺陷，则重复以上清缺打磨焊补热处理工艺。

3 结语

利用华铸CAE软件，对工艺方案进行模拟论证，冒口设计，砂型工艺设计，冶炼浇注工艺设计，热处理及精整工艺设计都充分考虑了铸件的结构特点，并且采取了一系列措施，使得该件各项性能指标及所有无损探伤检查全部达到该汽轮机厂验收标准，使该件成功批量生产，为开发大型汽轮机关键铸件市场积累了生产经验和工艺参数设计数据。

［1］ 吴 英，李凤玉，王立滨，等.超临界C12A阀体铸造工艺研究［J］.铸造，2009(6):629－631.

［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.

［3］ 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.