概述超临界C12A阀体铸造工艺研究

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。

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，

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

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R a=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40mm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

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.