李遙 楊曉兵 肖章玉 林平 岳磊 呂友清 鄧琴 方遷 張川 雷小波

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618013)

我國“相對富煤、缺油、少氣”的能源稟賦,決定火電將長期作為電源結(jié)構(gòu)主體。根據(jù)國家“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃要求,著力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。而提高煤電發(fā)電效率,大力發(fā)展大容量高參數(shù)超超臨界電站是實現(xiàn)“雙碳”目標的其中一項重要方案。在所有提高燃煤發(fā)電機組的效率的方法中,提高蒸汽的進汽初溫無疑是最有效的方法之一[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展,蒸汽溫度參數(shù)不斷提高,汽缸等汽輪機部件用高溫鑄件材料也已經(jīng)從Cr-Mo鋼發(fā)展成各類9%～12%Cr鐵素體鋼[2]。2023年8月31日,大唐鄆城630℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目建設(shè)啟動,計劃安裝兩臺國產(chǎn)自主研發(fā)的新一代馬氏體耐熱鋼新型材料發(fā)電機組[3],機組參數(shù)達到35 MPa/615℃/630℃/630℃[4]。

研究表明,鐵素體/馬氏體鋼已不能滿足超過630℃超超臨界汽輪機高溫汽缸熱強度和抗腐蝕性的要求,材料是制約燃煤發(fā)電技術(shù)提升的關(guān)鍵。為實現(xiàn)更高等級先進超超臨界機組的用材需求,國內(nèi)外正在開展高溫耐熱合金的研發(fā)工作,擬采用鎳基合金、鐵鎳基合金以及馬氏體不銹鋼等材料進行替代。美國在650℃主蒸汽的325 MW機組(Eddystone1)汽缸使用鑄造316系列奧氏體不銹鋼,但使用時面臨很多問題,例如熱疲勞裂紋等,使得工業(yè)上停止使用316奧氏體不銹鋼。英國Goodwin公司參與了歐洲的高參數(shù)電站機組研發(fā)計劃,采用MARBN馬氏體鋼澆注了9 t的試驗閥殼鑄件[5],但存在諸多問題,包括高溫持久強度不足,長期組織穩(wěn)定性差,抗高溫蒸汽氧化性能不佳,且大型鑄件的可焊性尚未驗證。由ORNL和Capterpillar在347H(CF8C)基礎(chǔ)上通過優(yōu)化析出相和組織穩(wěn)定性,開發(fā)了CF8C-Plus,但該合金僅用于燃機端蓋鑄件制造,大型鑄件制造及其性能尚未驗證。Goodwin公司開發(fā)了11.5 t級IN625鎳基合金汽缸鑄件,但未進行相關(guān)實驗考核。日本三菱開發(fā)了適用于鑄件的LTES700,但其大型鑄件制造及其性能均未進行驗證。由此可見,目前國際上關(guān)于650℃超超臨界汽輪機高溫汽缸用鎳基耐熱合金及鑄件仍處于研發(fā)階段。

中國科學院金屬研究所開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)、高溫性能良好的鑄造鎳基高溫合金,并與二重裝備合作,開展該材料在12～20 t級超大型超高壓內(nèi)缸鑄件試制研究工作。本文介紹了相關(guān)研究工作及生產(chǎn)制造數(shù)據(jù),為該材料后續(xù)的工程化應(yīng)用及推進我國更高參數(shù)燃煤機組制造提供參考。

1 技術(shù)要求及制造難點分析

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)信息介紹

超高壓內(nèi)缸鑄坯最大輪廓尺寸為2007 mm×1660 mm×1133 mm,缸體主體為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),壁厚290～370 mm,缸背帶有一變截面的狹小汽道,汽道壁厚為140 mm,背面有230 mm厚大凸臺。中分面氣道位置兩側(cè)均有340 mm厚法蘭。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析,主要有以下5個鑄造難點:(1)汽道空間狹小,該位置砂芯的制造及強度保障難度大,砂芯在高溫下變形風險高。(2)產(chǎn)品壁厚厚大,蓄熱量大,汽道空間狹小,散熱條件差,易產(chǎn)生燒結(jié)、粘砂缺陷。(3)缸壁厚大,凝固過程芯部溫度梯度小,中心區(qū)域趨于糊狀凝固,易產(chǎn)生中心疏松缺陷。(4)汽道的底部凸臺厚大,缸壁薄,熱節(jié)所處位置不利于補縮,易產(chǎn)生疏松缺陷。(5)缸體的汽道與各位置法蘭、凸臺、缸壁的壁厚差異大,凝固收縮應(yīng)力較大,裂紋風險較高。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 超高壓內(nèi)缸鑄坯三維結(jié)構(gòu)

1.2 鑄件材料要求

該材料屬于鎳基高溫合金,其性能指標要求苛刻。從熔煉及凝固特性分析,主要有以下3個方面的難點:(1)材料的化學成分控制難度大,其中元素C、氣體元素O、N和極易氧化元素B的含量均要求低,鋼水冶煉過程需要脫碳去氧。(2)材料性能受雜質(zhì)元素、夾雜物的影響較大,對鋼液純凈度及澆注過程質(zhì)量的控制要求極高。(3)該材質(zhì)在如此大型復雜結(jié)構(gòu)的凝固補縮特性未有相關(guān)制造經(jīng)驗可借鑒,保證鑄件內(nèi)部的致密度是產(chǎn)品制造的一大難點。

1.3 鑄件無損檢測及尺寸控制要求

鎳基高溫合金因其易出現(xiàn)晶粒粗大、混晶[6],超聲檢測無法評判缺陷大小和位置,鑄件需要進行100%RT檢測以評判其內(nèi)部質(zhì)量狀況,因RT檢測目前僅能發(fā)現(xiàn)缺陷而無法實現(xiàn)缺陷的定位,加之鑄件本身壁厚厚大,使得缺陷返修難度高,對鑄件的內(nèi)部質(zhì)量提出更高要求。

鎳基合金加工困難,其主要表現(xiàn)為:(1)常溫和高溫強度高,切削力大;(2)熱導率低,加工過程中切削溫度高;(3)加工硬化傾向大,切削困難。鑄件除汽道、法蘭位置為毛坯面外,其余全為加工面,加工量大。因此對尺寸的精準控制,減小加工余量,對鑄件的原始尺寸提出了更高的控制要求。

2 冶煉與鑄造工藝設(shè)計

2.1 冶煉工藝設(shè)計

由于本次鎳基合金鋼液量達到22 t,鋼液化學成分要求嚴苛,冶煉需要解決鋼液脫碳、脫氣以及易氧化元素B添加、純凈度控制等難點。在鋼水冶煉工藝中采取以下措施進行控制:(1)采用EF→LF→澆注的鋼水冶煉流程,從而有效地對鋼液進行脫碳、脫氣,通過LF真空處理過程實現(xiàn)夾雜物上浮,提高鋼水純凈度[7]。(2)鋼水精煉過程中持續(xù)進行擴散脫氧,保持鋼液處于較低的氧含量,保證了B鐵添加后的收得率。(3)為了預防鋼液澆注過程與空氣接觸產(chǎn)生增氧,鋼包水口進行吹氬保護,降低鋼水增氧[8]。

2.2 鑄件澆注位置確定

根據(jù)澆注位置選擇原則,面積較大的薄壁部分應(yīng)置于鑄型下部或垂直、傾斜位置,截面較厚的部分置于上部或側(cè)面,便于安放冒口,使鑄件自下而上(朝冒口方向)定向凝固。超高壓內(nèi)缸鑄坯的汽道位置法蘭厚大,且上端面為大平面,便于設(shè)置冒口,對鑄件集中補縮,缸背壁薄有汽道,適合置于鑄型底部。綜上,確定以中分面向上作為產(chǎn)品的澆注位置,見圖2。

圖2 澆注位置

2.3 鑄件縮尺、加工、補正余量的設(shè)計

該材料的體積收縮大,結(jié)合軟件模擬分析,縮尺取2.3%,加工量取15 mm,中分面考慮浮渣,加工量取20 mm,毛坯面不放量。

2.4 鑄死及補貼設(shè)計

汽道直段位置設(shè)計寬度66 mm,放置加工余量后極其狹小,燒結(jié)風險大,另外該位置砂型為薄片狀,砂型強度差,易損壞或被鋼液沖刷掉,質(zhì)量風險高,故考慮將該位置鑄死,后序加工成型。從鑄件的結(jié)構(gòu)分析,鑄件的主要熱節(jié)為缸體法蘭位置及汽道背面凸臺處。底部凸臺為孤立熱節(jié),需從側(cè)面設(shè)置工藝補貼進行補縮。缸壁整體厚度大,中分面到缸背補縮距離為5M件(M為模數(shù)),根據(jù)經(jīng)驗,該補縮距離為有效補縮距離,鑄件內(nèi)部不設(shè)置補貼,如圖3所示。

圖3 鑄死位置及工藝補貼

2.5 冒口、冷鐵設(shè)計

按照順序凝固的思路,在結(jié)合面兩個最大熱節(jié)位置分別設(shè)置冒口進行分區(qū)集中補縮,冒口間采用冷鐵隔斷形成人為末端區(qū)。為提高材料的利用率,冒口優(yōu)先選取補縮效率高的保溫磚或發(fā)熱冒口套,補縮效率取20%～25%,小冒口取上限,大冒口取下限。按M件∶M冒≈1∶(1～1.1),確定冒口大小。

冒口補縮量計算:

G冒=G件×S/(η-S)

(1)

S=kC

(2)

式中,G冒為冒口重量;G件為鑄件重量;S為凝固收縮值(%);η為冒口補縮效率;k為收縮系數(shù),C為合金含量(質(zhì)量分數(shù),%)。

經(jīng)核算,所選取規(guī)格的保溫磚冒口重量滿足鑄件凝固收縮所需要的鋼液。

根據(jù)順序凝固原則,加強末端區(qū)激冷效果,同時考慮可操作性,在汽道背面和缸背底部設(shè)置隔斷外冷,如圖4所示。

圖4 冒口及冷鐵設(shè)計方案

2.6 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)本文1.2、1.3條中制造難度的分析,控制澆注質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵點,澆注系統(tǒng)的設(shè)計需考慮兩點,一是通過合理設(shè)計澆注系統(tǒng)開放度,控制澆注速度,避免鋼液在澆注過程中產(chǎn)生沖砂、噴射。二是內(nèi)水口入水位置和入水方式合理設(shè)計,避免澆注過程中產(chǎn)生紊流。結(jié)合生產(chǎn)實際情況,采用單包?80 mm單包眼澆注,橫水口?120 mm,內(nèi)水口2-?100 mm(含其他試驗料水口)。∑F包眼∶∑F橫∶∑F內(nèi)≈1∶2∶3(F為橫截面面積)。為了實現(xiàn)平穩(wěn)澆注,避免內(nèi)水口位置產(chǎn)生孤立熱節(jié)導致缺陷,采用底返水口,內(nèi)水口接在厚大的缸壁兩端位置,澆注系統(tǒng)設(shè)計見圖5。

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計方案

圖6 鑄件降溫模擬

2.7 澆注溫度及保溫時間

該材料流動性較差,但產(chǎn)品屬于大型厚壁鑄件,充型冷隔風險較小,綜合考慮過熱度的影響,澆注溫度高出液相線60～100℃。

根據(jù)鑄件的最大模數(shù)及材料特性分析,結(jié)合模擬產(chǎn)品的降溫曲線,確定采用常規(guī)打箱方式,產(chǎn)品澆注后約240 h吊去蓋箱并松動鑄件,本體溫度約300℃吊出鑄件。

2.8 軟件模擬分析鑄件工藝

運用MAGMA軟件模擬,對產(chǎn)品進行充型、凝固、應(yīng)力多場耦合仿真計算,對比調(diào)整多個方案后,最終確定的工藝方案模擬結(jié)果見圖7～圖11。

圖7 縮孔

圖8 縮松

圖9 熱節(jié)

圖10 補縮通道

圖11 鋼液澆注入水速度

圖12 尺寸收縮變形模擬

(1)運用Soundness分析宏觀縮孔結(jié)果,缺陷主要集中在冒口內(nèi),產(chǎn)品內(nèi)部無顯示。根據(jù)相關(guān)研究,Niyama判據(jù)可以較準確的預測出顯微縮松產(chǎn)生的區(qū)域[9],運用Niyama值分析產(chǎn)品內(nèi)部顯微縮松情況,過濾≥0.5的Niyama值,鑄件內(nèi)部無缺陷顯示,根據(jù)經(jīng)驗,可保障鑄件內(nèi)部組織的致密性。

(2)充型模擬結(jié)果顯示,入水速度約為0.5 m/s,根據(jù)制造經(jīng)驗,不會對砂型造成沖刷,同時該方式充型平穩(wěn),無噴射、憋氣,鑄件表面無二次氧化渣缺陷顯示。

2.9 模型、造型方案設(shè)計

考慮制芯及下芯操作的方便,造型方案共分1個主芯+3個副芯+蓋箱的方式。為了保證工藝設(shè)計要求和尺寸精度,缸體模型采用“三維結(jié)構(gòu)設(shè)計+全數(shù)控成型”的制作方式來保證模型整體質(zhì)量。首先結(jié)合工藝圖紙設(shè)計出外型和芯盒數(shù)模,對外型及芯盒的砂芯形狀進行模擬下芯驗證,確保外型和芯盒在下工序造型操作的可行性。之后對外模和芯盒進行“模塊化”結(jié)構(gòu)設(shè)計、毛坯結(jié)構(gòu)設(shè)計、毛坯數(shù)字化排版批量下料等技術(shù)操作,快速實現(xiàn)高強度、低余量毛坯制作,最后通過全數(shù)控化加工、組裝成型,并經(jīng)三維檢測驗證尺寸合格后推序。如圖13所示。

圖13 全數(shù)控加工成型

3 過程檢控

3.1 鋼水質(zhì)量控制

通過工藝的合理設(shè)計及冶煉所需金屬原材料的合理選用,實現(xiàn)鋼水的氧含量小于50×10-6、氮含量小于100×10-6,成品化學成分均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求,見表1。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

3.2 鑄件尺寸控制

因缸體加工難度大,為減小加工余量,精準控制缸體毛坯尺寸,對產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程進行如下控制:(1)對模型采用數(shù)控加工,工藝設(shè)計裝配活料間隙0.5 mm,并對組裝好的模型采用三維檢測核實模型尺寸精度。(2)造型完成涂刷涂料后對砂型采用三維檢測,確定涂刷涂料后砂型尺寸與理論尺寸的符合度。(3)下芯采用樣板檢測和三維檢測相結(jié)合的方式,精確控制下芯尺寸。(4)通過Magma軟件開仿真模擬,產(chǎn)品凝固收縮尺寸變形情況,預判產(chǎn)品的收縮值及變形趨勢,過程控制尺寸檢測結(jié)果見圖14～圖16。

圖14 模型三維檢測數(shù)據(jù)

圖15 砂型三維檢測報告

圖16 下芯三維檢測數(shù)據(jù)

通過各工序?qū)Τ叽绲木_控制,鑄件模型、造型、下芯尺寸檢測滿足要求。打箱后,通過對鑄件毛坯三維尺寸檢測,檢驗結(jié)果表明:(1)鑄件的主體尺寸與設(shè)計偏差±2 mm,鑄件的縮尺合適。(2)汽道背面缸壁余量達6 mm,該位置未收縮。(3)中分面法蘭位置尺寸余量-5 mm,該位置的收縮較大,需要對工藝補正量細化調(diào)整。鑄件毛坯檢驗尺寸見圖17所示。

圖17 鑄件毛坯三維檢測報告

3.3 鑄件表觀質(zhì)量控制

結(jié)合本文結(jié)構(gòu)特點分析,針對粘砂等表面缺陷,采取了針對性的預防措施:

(1)模型表面刮膩子,對表觀進行打磨,使用表面光潔度儀器對模型表觀質(zhì)量進行檢測(見圖18),表面光潔度滿足模型表觀質(zhì)量使用要求。

圖18 模型表面光潔度測量

(2)造型外型及主芯采用面背砂工藝,面砂選用鉻鐵礦砂,厚度控制在30～40 mm范圍,背砂選用石英砂。造型過程使用緊實工具緊實,避免表面緊實不到位導致粘砂。

(3)汽道芯模型采用分段設(shè)計,便于汽道芯內(nèi)部的緊實,同時為了避免內(nèi)部燒結(jié),砂芯采用耐火度更高的鉻鐵礦砂制造,經(jīng)表面緊實度及目視檢驗,砂芯質(zhì)量滿足使用要求。

(4)涂料的滲入深度越大,對抑制燒結(jié)的出現(xiàn)越有利[10]。為防止厚大件表面粘砂,采用多遍不同波美度的涂刷工藝。第一遍采用波美度較小的涂料,便于涂料滲入砂型,中間取波美度較高的保障涂層厚度,最后一遍取波美度小的涂料涂刷消除刷痕,涂層厚度控制≥0.8 mm。

鑄件打箱落砂后,鑄件表觀質(zhì)量良好。汽道內(nèi)部砂潰散性好,未發(fā)生粘砂、燒結(jié),其余厚大位置也未發(fā)生粘砂情況,產(chǎn)品的表觀質(zhì)量滿足要求,見圖19。

圖19 鑄件未產(chǎn)生粘砂和燒結(jié)缺陷

3.4 澆注質(zhì)量控制

澆注是產(chǎn)品質(zhì)量控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),澆注質(zhì)量的控制至關(guān)重要。對澆注采取了以下措施:

(1)澆注系統(tǒng)預接立體水口,接頭位置封膠帶,防止放砂時砂流入接頭位置澆注系統(tǒng)內(nèi),從而產(chǎn)生夾砂缺陷。

(2)澆注前型腔充氬氣,澆注過程采用氬氣保護罩通氬氣保護澆注,避免澆注過程鋼液與空氣接觸發(fā)生氧化,形成二次氧化渣缺陷。

(3)澆注前對包眼引流,嚴格控制澆注速度和澆注溫度,實現(xiàn)鋼液平穩(wěn)澆入型腔。通過澆注速度及澆注質(zhì)量的控制,鑄件未見沖砂造成的“鼓包”現(xiàn)象,表面無二次氧化渣缺陷。

4 結(jié)束語

目前該大型鎳基超高壓內(nèi)缸鑄件已完成毛坯制作,經(jīng)檢驗,鑄件的化學成分、尺寸以及表觀質(zhì)量均滿足要求,總結(jié)如下。

(1)通過EF→LF→澆注的工藝路線,嚴控冶煉原材料質(zhì)量,采取持續(xù)擴散脫氧及吹氬保護澆注等控制方法,保障鋼液化學成分滿足要求。

(2)模型通過合理的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)控成型、表面光潔度的控制,確保了狹小汽道的砂型緊實和取模。造型通過面砂鋪設(shè)30～40 mm鉻鐵礦砂以及涂料涂刷波美度、厚度的控制,能夠有效防止厚大結(jié)構(gòu)形成的狹小空腔內(nèi)砂型的燒結(jié)、粘砂,鑄件表觀質(zhì)量良好。

(3)根據(jù)產(chǎn)品鋼液澆注重量的大小,通過采用底返澆注的方式,澆注系統(tǒng)開放度設(shè)置為∑F包眼∶∑F橫∶∑F內(nèi)≈1∶2∶3,澆注入水速度為0.5 m/s,可有效的控制鋼液的流速、流態(tài),避免造成沖砂及二次氧化渣缺陷。

(4)通過Magma軟件應(yīng)力數(shù)值模擬,結(jié)合各工序過程尺寸的采集,掌握了模型、造型、下芯尺寸控制精度及鑄件凝固階段的尺寸變形和收縮規(guī)律,實現(xiàn)尺寸的精準控制。