李永新，郭小強，錢振龍，謝厚霓

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

第三代核電AP1000型機組高壓外缸鑄件研發(fā)

李永新，郭小強，錢振龍，謝厚霓

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了第三代核電AP1000型機組高壓外缸鑄件的研發(fā)，基于鑄件較高的化學成分和力學性能要求，完成鑄件鑄造、化學成分、冶煉、熱處理、焊接工藝設(shè)計，并經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品各項力學性能達標，鑄件研發(fā)成功。

AP1000型機組；高壓外缸；鑄鋼件

AP1000、華龍一號、CAP1400、法國核電技術(shù)(EPR)以及俄羅斯核電技術(shù)(VVER)是當前世界上主流的三代核電技術(shù)[1]。其中AP1000核電技術(shù)是美國西屋公司研發(fā)的一種先進的“非能動型壓水堆核電技術(shù)”，是目前世界市場現(xiàn)有的最安全、最先進、經(jīng)過驗證的核電站[2]。

我公司研發(fā)的核電AP1000型機組配套鑄鋼件材質(zhì)ZG245-480，主要包括高壓外缸和調(diào)節(jié)閥兩部分，其中技術(shù)難度最大的高壓外缸鑄件分為上下兩半，本文研究其工藝設(shè)計。

1 產(chǎn)品簡介

核電AP1000型機組高壓外缸上半鑄件輪廓尺寸為5510 mm×3770mm×1936mm，重量為49.5t；下半鑄件輪廓尺寸為7206mm×3770mm×2120mm，重量為61 t.上、下半鑄件示意分別如圖1、圖2所示，材質(zhì)化學成分及力學性能指標分別如表1、表2所示。

圖1 AP1000核電高壓外缸上半鑄件示意圖

圖2 AP1000核電高壓外缸下半鑄件示意圖

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 力學性能

2 工藝設(shè)計

2.1 鑄造工藝設(shè)計及模擬

核電AP1000型機組高壓外缸為U型結(jié)構(gòu)，在鋼水凝固收縮時，型砂有阻礙作用，造成鑄件各部分鋼水凝固收縮的不同，易發(fā)生張口變形。針對此問題，通過增加漸變貼量和反變形量的方法來調(diào)整各部分的尺寸，解決鑄件變形及管口中心偏移的問題。鑄件的法蘭結(jié)構(gòu)如圖3所示，法蘭結(jié)構(gòu)與我公司其他核電產(chǎn)品及蒸汽輪機外缸鑄件不同，尤其是法蘭部分上窄下寬，法蘭厚度近700 mm，結(jié)構(gòu)不利于凝固和補縮。為了滿足補縮要求，在法蘭外側(cè)上增加補貼，以保證鋼液能順利補縮，如圖4所示。

圖3 鑄件法蘭結(jié)構(gòu)

圖4 鑄件法蘭外側(cè)補貼

產(chǎn)品鑄造工藝如圖5所示，同時應(yīng)用MAGMA凝固模擬與模數(shù)計算相互驗證，如圖6、圖7所示，設(shè)計冒口及冒口補貼尺寸規(guī)格，確定合理的補縮梯度，補縮末端區(qū)設(shè)置冷鐵，調(diào)整補縮區(qū)域和溫度場，實現(xiàn)順序凝固和有效補縮，確保內(nèi)部組織致密。

工藝一般采用型腔外側(cè)實樣模型造型，型腔內(nèi)側(cè)芯盒出芯的方案，以保證造型和制芯同時進行，縮短生產(chǎn)周期，但此方案易在合箱操作時造成配合錯位，帶來尺寸偏差。因此，本文采用外側(cè)增加補貼，內(nèi)側(cè)一體成型的方法進行造型，避免尺寸的偏差。

2.2 熔煉工藝設(shè)計

根據(jù)鑄件材質(zhì)，確定冶煉工藝為EAF+LF+VD+氬氣保護澆注工藝；鑄件的最大壁厚處達700 mm，為了保證后續(xù)的力學性能，在冶煉過程中加入定量的鈦鐵，以達到細化晶粒的目的。同時，因顧客對鑄件的檢測要求較高，冶煉過程應(yīng)注重鋼液夾雜物、氣體含量的控制，故采用VD處理，凈化鋼液。為防止鋼液的二次氧化造成鑄件夾渣，在澆注過程中，采取氬氣保護措施，減少鋼液的氧化。

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

AP1000型核電機組高壓外缸鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噸位大，為防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)卷氣、夾渣、沖砂等問題，通過應(yīng)用公司從奧地利奧鋼聯(lián)公司引進的GS-100澆注軟件模擬計算，對澆注系統(tǒng)設(shè)計進行優(yōu)化，以保證內(nèi)澆口進流速度均勻，型腔內(nèi)液面上升平穩(wěn)快速，避免澆注紊流和返鋼。

圖5 鑄造工藝圖

圖6 凝固過程模擬圖

圖7 模數(shù)模擬

下半鑄件澆注系統(tǒng)計算結(jié)果如下：澆注重量130 t，澆注時間120 s，澆注溫度1 575℃，澆注速度0.65 m/s；采用兩包合澆，共3個φ120 mm的滑動水口，24個φ120 mm的內(nèi)澆口，確定直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口的總截面積比例關(guān)系符合公司∑F直：∑F橫：∑F內(nèi)=1：1.5～2.0：4～5的設(shè)計原則。利用MAGMA模擬軟件，對鋼液充型過程進行模擬，顯示金屬液平穩(wěn)快速上升，無紊流、飛濺和卷氣現(xiàn)象，證明澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。

2.4 熱處理工藝設(shè)計

表3 熔煉化學成分控制（質(zhì)量分數(shù)，%）

表4 鑄件力學性能指標

通過Stecal、MAGMA模擬軟件結(jié)合過去相近材質(zhì)工藝性能數(shù)據(jù)及生產(chǎn)前該產(chǎn)品試塊大量的試驗結(jié)果，最終確定的熱處理工藝。本產(chǎn)品冒口較大，鑄造應(yīng)力大，在冒口切割前需要對鑄件整體進爐預(yù)熱，預(yù)熱溫度400℃～450℃，保溫時間按最大冒口計算，需要≥37 h.為了得到較高的力學性能，必須對鑄件正火且采用強風冷卻，經(jīng)過計算，保溫時間≥25 h，以此使厚壁心部鑄態(tài)組織完全奧氏體化，以便后期組織轉(zhuǎn)化。通過正火，細化了鑄態(tài)粗大晶粒，消除了鑄態(tài)不良魏氏組織，使不均勻的原始偏析組織得到均勻化。采用足夠時間的高溫回火，使正火組織得到軟化，塑韌性提高，同時厚壁的心部也得到充分的回火改善，最終得到高的綜合力學性能。為了保證多次焊后熱處理后性能不會下降太大，焊后熱處理保溫溫度比最終回火溫度低15℃～25℃左右。

2.5 焊接工藝設(shè)計

鑄件本體材質(zhì)為碳鋼材質(zhì)，但是性能要求和NDT檢測要求極為嚴格，導(dǎo)致焊接難度增大。采用手工焊和氣體保護焊兩種焊接方法進行工藝評定認證，并且驗證各項性能。焊接時采用專用設(shè)備，分道焊接，控制熱輸入保證熔合性，采用每層錘擊加打磨的方法進行熔合性缺陷控制。對于關(guān)鍵部位進行不銹鋼耐腐蝕層的堆焊，采用手工焊焊接，利用進口焊條，以滿足各項性能工藝評定要求。

3 生產(chǎn)驗證

經(jīng)過實際生產(chǎn)并檢測，產(chǎn)品化學成分、力學性能等各項質(zhì)量指標均達到顧客標準及相關(guān)規(guī)范要求。如表3所示為鑄件熔煉化學成分控制，表4為鑄件實測力學性能指標。

［1］我國第三代核電技術(shù)一覽[OL].三海一核科普網(wǎng).

［2］胡亞蕾.第三代核電技術(shù)——非能動安全先進核電站AP1000［J］.科技資訊.2010.09:118.

·征訂啟示·

《鑄造設(shè)備與工藝》

《鑄造設(shè)備與工藝》雜志，1979年創(chuàng)刊，雙月刊，國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN14-1352/TG，國際標準刊號ISSN1674-6694，國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)郵發(fā)代號22-154，國外發(fā)行代號：4845BM，每期定價12.00元，全年72元。全國各地郵局均可訂閱，也可直接到本刊編輯部隨時訂閱，平郵免收郵資費。

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Research on High Pressure Cylinder of the Third Generation Nuclear Power AP1000 Type Units

LI Yong-xin，GUO Xiao-qiang，QIAN Zhen-long，XIE Hou-ni
（Kocel Steel Foundry CO.LTD.，yinchuan Ningxia 750021，China）

The paper introduces the developed high pressure outer cylinder casting in the third generation AP1000 nuclear power.on higher requirements of chemical composition and mechanical properties of castin casting，chemical composition，smelting，heat treatment，welding process design，were completed The actual production verfied the casting mechanical properties reached the standard and the development was successful.

the third generation of AP1000 nuclear power plant，high pressure cylinder，steel

TG249

A

1674-6694（2015）05-0020-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.006

2015-06-20

李永新（1972-）男，工程師，工學學士，寧夏固原人，主要從事大型鑄鋼件鑄造技術(shù)研究工作。