超超临界汽轮机缸体铸造工艺的研究

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60万KW超超临界汽轮机高、中压外缸是在高温状态下工作的压力容器，工作温度566℃，工作压力170kg/cm2。缸体的验收条件很严格，不但要求其常温状态下的机械性能，而且要求高温状态下的性能。具体要求是对缸体的全部内、外表面进行超声波和磁粉探伤检查，并需打压试验。为保证缸体的内、外质量，我们从造型方案的确定，造型材料的选择，水、冒口的布置，外冷铁的安放，浇注速度及生产过程的控制等方面，围绕着保证缸体内部及外部质量统一考虑，并加以试制。

1、缸体的技术条件

超超临界缸体分为上下两个部分，上半缸体的图号CCH01A.012.3Z，外形尺寸为5618×3762×2005，净重为38.1吨；下半缸体的图号CCH01A.012.4Z，外形尺寸为6645×3762×2043，净重为42.8吨。主要壁厚为108mm，最大壁厚400mm多，结构复杂。

1.1化学成分与机械性能

汽缸体的材质是ZG15Cr1Mo1，为珠光体的耐热钢，具有良好的综合机械性能，高温强度、抗蠕变性能及耐腐蚀性能。其化学成分见表1，机械性能见表2。

1.2探伤验收条件

汽缸体双面100%磁粉、超声波探伤检测。

1.3外形质量要求

1.3.1非加工面尺寸公差及铸件壁厚公差应符合JB-2580-1997《铸钢件机械加工余量、尺寸偏差和重量偏差》标准的二级精度的规定。

1.3.2铸件不允许有裂纹、粘砂、缩孔、冷隔等铸造缺陷。如发现上述缺陷应彻底清除，若清除后壁厚超过允许公差值应进行补焊。

1.3.3在机械加工不可能去除的部位，不准用内冷铁和铸工顶。

2、缸体铸造工艺方案的拟定

超超临界汽缸体是首次生产，选取以前生产汽缸体的成功经验进行试制。

2.1铸造方案的分析和选定

2.1.1对木型的要求：

木型必须依照工艺卡操作，特别注意以下两点：

种类：实样；缩尺：可定缩尺长1.0%，宽和高1.5%；机械加工余量：25mm。

①木型刻出中心线。目的：造型在作型时，有利的找到中心位置，正确下芯。检察员在检查木型时，更方便。

②所有壁厚向外侧加3-5mm。作用：汽轮机外壳做出后，在清砂清理时易把壁厚清薄，或在造型时的失误，使壁厚变薄。

2.1.2对造型的要求：

传统铸造方案是中分法兰向上，在上面设置随型圈冒口，并在局部热节处设置外冷铁，主芯为吊梁挂芯。其工艺简图见图1。

确定此方案的原因如下：

①创造良好的补缩条件是保证铸件内部质量达到探伤要求的关键，由于该件是由缸底向缸口（中分法兰）逐渐变大的，把冒口设置在中分法兰面上，极有利于顺序凝固。

②缸底及其侧壁上存在一些局部热节，用大型外冷铁，调节其温度场也可以解决其凝固顺序问题，且便于生产操作。

③钢水进入型腔时，不可避免地要卷入夹渣，使其上浮到冒口中去是保证缸体内部质量的关键，所以随型圈冒口是解决补缩和浮渣的条件。

④由于缸体件不准使用铸工顶，所以内腔泥芯只能通过吊梁悬挂于砂箱上面，并加以固定。

2.1.3工艺补正量

由于缸体造型时，中间芯子不准用铸工顶固定泥芯，故只能通过吊梁挂芯，所以大芯子内芯铁必须牢固、可靠，这就要使芯子的收缩应力增大，考虑到这种情况在相应部位设置了工艺补正量。

2.1.4组芯合箱

缸体铸型的中间大芯是通过吊梁担放在砂箱上，其合箱操作比较困难，实际操作中在主断面上采用下芯样板，配合泥样验皮等方法来实现组芯合箱。

2.1.5浇注系统的确定

根据以前生产经验，浇注系统如图所示。

2.2清砂生产过程与铸后热处理

2.2.1气割水冒口

为防止缸体气割水冒口时产生裂纹。在切割冒口前对该件进行一次消除应力，改善铸后组织性能的退火处理。

退火出炉后在180～250℃时热割冒口，冒口去除后为防止切口处产生裂纹，应及时进行最终正回火处理。

2.2.2热处理

此件在热处理时，第一个阶段时消除铸造应力和改善铸态组织性能的退火处理，在切割冒口之前进行，它的作用是在切割冒口时避免出现裂纹。消除缸体在缺陷处理过程中组织应力，保证缸体在正、回火后得到满足技术要求的综合机械性能。曲线的第二、三阶段是正、回火处理，在气割掉冒口后进行。风冷的目的是为了加强冷却速度，此阶段是得到合格的各项性能指标的根本保证。

2.2.3缺陷处置

汽轮机缸体的作为大型铸钢件，由于铸造过程复杂，出现质量问题后的缺陷处理十分重要，同时也是保证缸体质量的重要手段。具体处理方法规定如下：

①表面缺陷用砂轮磨光，经磁粉探伤检查无裂纹等铸造缺陷后进行补焊，内部缺陷在预热温度大于200℃的条件下用气割方法清理缺陷，并用砂轮磨光，经磁粉检查合格后施焊。

②补焊时整体预热，并在施焊部位加热保温大于200℃。

③焊修后缺陷部位及时保温处理，盖石棉板等，整体缸体施焊后，入炉中进行补焊后的去应力处理。

④去应力处理后的铸件，重新用砂轮打磨精整达到同整体表面一致，并重新进行磁粉及超声波探伤检查。

3、结论

3.1经过生产超超临界汽轮机缸体，发现树脂砂做造型材料，生产铸件，对木型质量要求高，表面必须光滑，圆角做出，不涂漆，刷脱模剂。并且要有良好的起模吊具。

3.2我们生产的超超临界汽轮机缸体在质量上达到了预期效果。

3.3探伤合格、机械性能、NDT和力学性能达到了的要求。

3.4在铸造后，没有不良后果。

3.5此项汽轮机缸体生产的成功，为我公司将来生产类似铸件，提高了宝贵的经验。

3.6我公司在铸造汽轮机缸体领域中处于领先地位。