大型高合金耐高温阀壳铸件铸造工艺研发探讨.docx

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1、大型高合金耐高温阀壳铸件铸造工艺研发探讨摘要：本文主要介绍了大型高合金耐高温阀壳铸件铸造工艺研发过程.首先根据其材料要求、结构及技术要求进行相对应的工艺策划;然后进行铸造工艺设计,通过合理设置浇、冒口、冷铁等措施解决其缩松缺陷;通过应用MAGMA模拟软件,优化铸造工艺设计.应用优化后的工艺进行生产布置,可以提高铸造工艺设计质量并降低过程生产成本.关键词：高合金；耐高温阀壳；缩松随着蒸汽参数的不断提高，汽缸等汽轮机部件用高温铸件材料已经从耐高温580的Cr-Mo-V钢发展成各类耐高温600CfiJCr质量分数在9%12%和耐高温620的ZG13Cr9Mo2ColNiVNbNB高合金耐热马氏体不锈

2、钢。本文研究的铸钢件产品为高压主汽调节联合阀，材质为ZGicrlOMoWVNbN-II,达到了耐高温600C材料等级。其工作环境处于高温、高压状态之下，对性能要求极高。该铸件属于大型阀类铸件，浇注水口较多，热节较大，内腔加工部位容易出现铸造夹渣、裂纹、偏芯等缺陷。解决铸造缩松、夹渣、裂纹、偏芯问题是该类铸件生产的技术难点。1工艺方案的确定1.1铸件基本参数及技术要求分析本文研究的高压主汽调节联合阀如图1所示，材质为ZGICrIoMoWVNbN,铸件轮廓尺寸3705mm2880mm2453mm,左阀重31.6t,右阀重31.53铸件最大壁厚305mm.a）左脚h）右阀图1CCH01E高压主汽调节

3、联合阀铸件的化学成分、力学性能要求如表1,表2所示。表1铸件化学成分要求（质量分数，%）CSiMnPSAlCrMoVNbor0.14o.2(0.500.4-20.02W0.010.0292-10.20.9(-1.050.17-0.250.05-090.10I1.05表2铸件力学性能要求抗拉强度,MPa屈服强,l1,a延伸率A/%断面收缩率Z%硬度（HB）AJJ本体焊接顾客标准680-850N520N15N4026030026内控标准700-820N560N17N50210-258280N21高压主汽调节联合阀铸件在工艺设计及生产过程中存在以下难点：1）本产品结构更杂,且有一段直径200mm,长

4、度130Omm的轴孔，铸造及加工过程难度较大。且属于高合金阀壳铸件，铸造时极易产生夹渣、缩松、裂纹等缺陷。2）该阀壳为由主汽阀、调节阀以及补气阀组成的整体式结构铸件，在主汽阀以及调节阀加工部位壁厚较大，最大壁厚约为305mm,铸件在钢液凝固补缩过程中容易形成应力集中，在铸件固态收缩时受到阻碍产生铸造内应力，这种铸造内应力会引起铸件产生变形和裂纹。3）精加工面UT检测级别为1级，并且还需RT检测，其他焊接部位需100%UT检测。4）铸件属于高合金材质，短时高温持久要求比较高，需要满足在670高温，98MPa压力下，断裂时间300h,所以铸件中的P、S、CU及0、H等有害气体元素需控制在非常低的范

5、围。此材质W质量分数为1%,而铛铁属于高熔点、高密度合金，所以提高1.F炉伺铁的回收率也是冶炼本产品的难点之一,5）本铸件强度硬度要求高，属于高强度高硬度系列产品。在三组高温短时持久试验标准中，第三组（670C8MPa）的标准要求300h,目前国内生产厂家还不能平稳达到，符合率大概在60%左右。国外最好水平在80%左右。6）铸件属于横纵交错狂杂结构件，热处理过程中铸件极易变形；铸件的碳当量和开裂敏感指数高，铸件在打箱、切割、气刨及热处理过程中易开裂。1.2 铸造难点分析及解决措施本产品结构复杂、壁厚差距大、应力集中明显，且属于高合金铸件，铸造时极易产生夹渣、缩松、裂纹等缺陷，铸造工艺需要设计合

6、理的冒口、补贴、防裂筋等，以保证铸件组织致密，防止在应力集中处产生贯穿性裂纹，导致铸件报废；对直径200mm,长度1300mm的轴孔，需重点解决补缩以及漂芯、粘砂等问题。针对以上问题制定如下铸造工艺措施：1）铸造工艺设计时，对铸件模数等进行详细计算，保证冒口可以提供充足的补缩液量;2）易裂部位设置防裂拉筋；3）对浇注系统进行严密设计，保证浇注充型过程钢水的平稳进流和利于渣子的上浮；4）为便于芯子支撑以及铸件的补缩，造型方法上采取铸件平躺的形式，在管口端面设置芯头，对悬空的芯子采取标芯方式进行固定。5）对直径200mm,长度1300mm的轴孔，铸造时芯骨采用l20mm圆钢棒子固定支撑，芯头全部焊

7、接标芯，防止漂芯。芯子中缠绕吹冷气管，浇注后对芯子吹冷气，快速降温,防止轴孔内腔粘砂；6）该产品由左阀和右阀组成，铸造工艺设计时，采取了模型通用、造型时模型翻转180。、局部换料等成型方案设计。1.3 工艺方案设计131造型方案的确定该产品造型方案采取“实体模型+内腔出芯的成型方案，即在砂型铸造成型时，采用与铸件外部轮廓一致的实体模样成型，铸件内腔部位采用砂芯成型。为了节约模型费用，对左阀和右阀采取主体模型通用、脐子等活料换料成型的方案，如图2所示。外植村图2高压主汽调节联合阀造型方案由于内腔芯子多为悬空状态，如图3所示，成型方案中，管口部位设置芯头，且合箱时芯头均与外部砂型焊接相连，便于支撑

8、芯子。垂直于分型面的芯子，采取标芯措施，固定至下箱中。芯r的固定图3芯子固定方案设计1.3.2 铸件的冒口及补贴的设计采用MAGMA软件计算机模拟与模数计算相互验证，对照冒口、保温板及冒口颈参数标准表，设计选用与铸件结构模数相吻合的冒口规格型号，从铸件毛坯结构上建立补缩梯度，打通各部位补缩通道。为确保钢液浇注凝固时的有效补缩，在补缩末端区设置冷铁，调整补缩区域和温度场，有利于补缩末端区的延长和钢液的顺序凝固，确保内部组织致密，无超标缺陷。图4为凝固过程模拟，图4a）为模数模拟，通过分析铸件结构，应用软件自动计算铸件各部位模数大小，以便进行铸件补缩设计；图4b）为补缩梯度模拟，通过对铸件补缩梯度

9、进行模拟，可以查看补缩梯度是否利于铸件凝固补缩，对于梯度较差的结构可以通过添加补贴等改良铸件梯度；图4c）为热节模拟，通过对铸件结构分析，确定热节的分布所在，从而可以针对热节进行补缩设计；图4d）为缩松模拟，是通过对铸造工艺进行模拟后，评判铸件是否有缩松缺陷以及确定缺陷的大小，可分析出铸造工艺是否合理,从而进行优化等。图4凝固过程模拟图5内腔砂芯结构1.3.4浇注系统的设计根据规范要求及MAGMA模拟检测标准，确认其模拟合格后，铸造工艺可以保证铸件质量要求。1.3.3 防粘砂、夹渣设计制作砂芯时，采用先进的自硬树脂砂技术，型芯的涂料选用耐高温的错英粉水基涂料；内腔主芯骨采用整体式圆钢棒组成，钢

10、棒直径12Omm140mm,需确保芯骨刚度，防止折弯。芯头部位焊接标芯方钢，便于合箱时将芯子与外侧砂型连接固定。芯砂采用新辂矿砂+氧化铁粉+新型EAR树脂制作，并铺设冷气管道，浇注后吹压缩空气降温，有效解决了铸件内腔狭小空间黏砂问题，其他较小砂芯采用标芯措施，防止了漂芯问题的发生，如图5所示。铸钢件浇注系统设计过程中，要保证钢液平稳、迅速且连续流入型腔；防止钢水卷气，造成钢水二次氧化夹渣；浇口设置避免应力集中、裂纹易发区域；浇口应设置均匀，保证铸件的温度场、应力场分布，利于铸件补缩。应用GS1.00计算软件设计浇注系统，并进行模拟优化。浇注系统设计如图6所示。使用60#钢包，1个巾120mm+

11、l个lmm的滑动水口，4个l40mm+8个l20mm内浇口。浇铸速度0.6ms,浇铸时间90s,浇注系统设计采用均分法设计，保证浇铸平稳上升。利用MAGAM模拟软件，对浇注系统进行模拟优化改进。内浇道仃浇道横浇道图6浇注系统设计1.3.5熔炼工艺设计铸件材质属于高合金耐热不锈钢，为确保高温短时持久性、满足铸件力学性能，并且提高1.F炉鹤铁的回收率，熔炼浇注工艺设计方案为：备料+EAF炉+1.F炉+VOD+浇注。备料：此产品由于对高温持久性要求比较严格，备料时不得加入含CU的返回料，最终投炉料为CrM。返回料、废钢、生铁，质量分数比为3：5：2.EAF过程：EAF炉脱碳量(质量分数)必须0.4%

12、,确保夹杂物跟有害气体N、H的去除。1.F过程：由于此系列产品对S含量要求非常严格，所以1.F首要任务是造渣脱硫，钢水到达1.F炉后先加入一定量的Al粒和AICa合金球还原钢液,氧活性W5lO6后加入活性石灰,加大氨气搅拌力度，Iomin后取样分析，若(三)0.005%后开始加合金。此产品要求W质量分数为0.96%1.04%,而铝铁不仅密度大，而且熔点极高，加入到钢液如果不能及时熔化，将会沉到钢包底部，不仅影响W的回收率，而且极易导致产品报废。所以，在加鸨铁前首先将钢液温度升至1620C,负气压力调整为06MPa0.8MPa,并且每批次加入量不大于20kg,加入后负气搅拌IOmin后再取样分析

13、化学成分，Cr.Mo、W含量达到要求后，温度升至16O（TC左右进VOD.由于此产品C质量分数内控要求为0.115%0.138%,范围非常狭窄,所以钢液从VoD出来后确保钢液充分还原后再加合金。第一次先将C质量分数配至0.08%左右，待其余所有合金都满足要求，温度达到1620C以上时再将C配至0.12%以上，防止送电电极增碳。化学成分都合格后，温度控制在1585C左右出钢浇注。浇注过程：浇注前Ih开始往型腔中吹氨，浇注时使用气体检测仪器对型腔中的氧气进行检测，若氧气含量0.06%,开始浇注。钢包水口下沿距离浇口杯距离小于100mm防止钢液二次氧化。浇注时水口应在浇口杯正中间，防止钢流冲刷直浇道

14、产生夹杂物。1.F炉出钢距离浇注时间间隔应尽量缩短，防水钢水降温过快造成低温浇注。136热处理工艺设计由于顾客对产品的屈服强度和冲击韧性要求较高（可参考表2）,并且对高温短时持久有严格的指标要求。为了确保铸件的力学性能，必须严格进行热处理工艺。同时，铸件在后序处理过程中经过热切割、焊接等，积蓄较大应力，易导致铸件开裂，需进行消应力热处理。热处理工艺确定为：高温退火+正火+高温回火。热处理工艺曲线如图7所示。利用经验公式确定了该材料的相变点温度：AC1=84O0C,AC3=942C,为达到组织均匀化及相变转变完全，铸件正火的保温温度确定为AC3以上（120-150）C、通过试验验证确定正火冷速需

15、要风冷来实现，回火保温温度为ACl以下（70110）C.通过合理的回火次数和回火温度，常温力学性能和高温持久值能很好满足顾客要求且较为稳定，最终热处理工艺曲线如图7图7热处理工艺曲线2生产效果通过铸造工艺的研发、生产过程的严格管理与控制，经检测，实际铸件化学成分、力学性能、几何尺寸等各项质量指标均达到顾客标准规范要求，如表3所示，产品研发获得成功,可以批量生产。表3指标完成情况3结论本文通过对该产品进行铸造工艺研发以及对实际铸件生产验证,利用MAGMA模拟以及模数计算，完成超大壁厚、结构免杂阀壳铸造工艺冒口补缩工艺的研发，其主要有如下结论:1）设计新铭矿砂+氧化铁粉+新型EAR树脂+吹压缩空气方案，解决铸件内腔粘砂问题;厚壁深长孔采用整体式圆钢芯骨，保证了芯骨强度，并防止漂芯；2）左、右阀壳采用通用模型，通过模型翻转180。，局部换料措施，实现了模型通用，节省模型成本。3）熔炼浇注工艺方案为：备料+EAF炉+1.F炉+VOD+浇注；热处理工艺确定为：高温退火+正火+高温回火。保证了铸件常温力学性能及高温持久值。对高合金、耐高温产品进行铸造工艺研发，可以有效推动高