1000 MW核电机组高压调节阀壳铸造工艺优化设计

陆加见 秦永强 刘光永 张卫星

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

调节阀组件是汽轮机中最关键、最重要的部件之一，它起到调节机组进汽量大小的作用，能保证汽轮机在设定工况下安全可靠地运行。因此，要求铸件有较高的内部质量。

1 零件结构及生产难点分析

我公司百万千瓦等级核电高压调节阀壳零件外形如图1所示。零件轮廓尺寸为1 675 mm×1 666 mm×1 590 mm，由主体腔室，法兰及进、出汽管口构成。阀座部位最大壁厚280 mm，属于厚大件；其中法兰、出汽管口与主体腔室偏心，交界处型线极其复杂，模型制作困难；其径向尺寸相对较大， 热节分散，搭子较多，主体部分为均匀壁厚仅75 mm，铸件补缩困难；材料为G20Mo5，属于低合金钢，为国外牌号，理化检验标准均为国外标准，以往无生产经验，并且冶炼、热处理工艺参数未知；铸件需进行100%MT、UT检测，进出汽管口还要求RT检测，内部质量要求高。我们以往生产过结构类似的燃气轮机阀壳，其质量不好控制，特别是厚大的阀座部位容易出现缩松问题；管口与主体相接的R部位易出现裂纹缺陷；管口容易出现气孔、夹杂类缺陷，不易通过RT检测。另外，该阀壳后期还要通过水压试验等，因而其制造难度较大。

图1 零件结构Figure 1 Part structure

2 原工艺情况

2.1 原工艺及存在的问题

原工艺采用我公司传统的阀壳铸造工艺方案：取管口中心线所在平面为分型面，平做。在进汽管口、大法兰、阀座处分别设置冒口进行分区补缩，冒口设置在上箱，配合冷铁实现顺序凝固。侧面的大搭子通过设计一处2#补贴由2#冒口进行补缩，具体见图2。实际生产的铸件在大法兰、侧面搭子处存在缩松缺陷，其中最严重的一件侧面大搭子处的缺陷尺寸约为(350 mm×200 mm×120 mm)，造成大量补焊。

2.2 对原工艺的分析

侧面大搭子处使用2#补贴，配合搭子下面设置的冷铁，通过2#冒口进行补缩，因2#补贴从主腔室中心开始，斜向2#冒口中心处，相对较长，补缩通道不畅通不利于补缩。经计算该搭子处热节圆接近230 mm，所以易在搭子内部出现缩松缺陷，具体见图3。大法兰为等壁环形结构，可以看成长的杆状，径向尺寸相对较大，虽然设计端面的1#冷铁和内圆面的2#冷铁配合1#冒口建立补缩通道，但冷铁激冷能力有限，冒口无法对其完全补缩而造成缺陷，具体见图4。

图2 原工艺方案Figure 2 Original process scheme

图3 原方案2#补贴 Figure 3 2# patch of original scheme

图4 原方案1#冒口 Figure 4 1# riser of original scheme

3 工艺优化设计

首批铸件生产后，根据铸件实际情况，相关人员对原工艺产生问题的原因进行分析讨论，决定进行工艺优化。浇注方式不变，在侧面大搭子处单独设计一个冒口配合新设计的补贴进行补缩；在大法兰内部设计牛角形补贴，以形成自上而下的补缩通道，配合上部的冒口完成补缩。工艺设计后，进行三维建模，运用MAGMA软件进行了凝固模拟，并结合模拟结果，进一步修正了工艺参数。

3.1 补贴、冷铁及冒口设计

该阀壳腔室部位属于环形均匀壁厚件且径向尺寸相对较大，需要设计补贴和冷铁配合冒口才能形成足够的补缩通道，保证铸件质量。

3.1.1 1#冒口及补贴设计

如图5所示，在大法兰底部120°范围内仍设计1#、2#冷铁，形成人为末端区，然后采用热节圆法在内圆设计1#补贴，保证足够的补缩通道，并配合1#冒口完成该部分的补缩。然后采用模数法计算冒口尺寸，根据模数计算结果，1#冒口选用400 mm×600 mm×560 mm保温冒口。

图5 1#冒口设计 Figure 5 1# riser design

3.1.2 2#冒口及补贴设计

如图6所示，侧面大搭子处采用热节圆法设计2#补贴，上口扩大保证补缩通道畅通，最后利用模数法计算2#冒口，为便于切割，2#冒口选用∅350 mm×950 mm的圆保温冒口。因起始热节圆从搭子下部开始，故不需要设置冷铁。

3.1.3 3#、4#、5#冒口设计

在进汽管口处，按原工艺方案，底部设计冷铁，外圆设计补贴，配合3#暗保温冒口补缩。阀座部位断面尺寸很大，同时该处质量要求高，为减少气割量，将原方案的460 mm×690 mm×645 mm腰型明保温冒口改为∅450 mm×600 mm的圆保温冒口，并在底部设置冷铁，以确保该处质量。出汽管口距阀座较近，在其内孔设置冷铁，利用阀座处的明保温冒口一并补缩。中间∅100 mm小圆搭子超出阀壳外壁近100 mm，为保证其质量，单独设计5#小木模冒口，主要起排气作用。

图6 2#冒口设计 Figure 6 2# riser design

3.2 浇注系统的设计

因为铸件尺寸较大，主要壁厚较大，所以采用开放式的底返浇注系统，内浇口分散，保证金属液平稳进入型腔，并在最短的时间内充满。浇注时间采用钢液上升速度计算公式来计算。

t=GL/Nnv包

(1)

式中t——浇注时间；

GL——浇注重量；

N——同时浇注的浇包数量；

n——每个浇包的包孔数；

v包——钢液的浇注速度。

查阅有关资料，v包取120 kg/s，N、n均取1，则t≈80 s。

结合车间实际，浇注系统全部使用陶管浇口，直浇口∅100 mm，横浇口2-∅80 mm，内浇口6-∅60 mm(扁口)。浇口比例ΣA直∶ΣA横∶ΣA内≈1∶1.3∶2，完全开放。

钢液上升速度采用下列公式计算，

vL=hc/t

(2)

式中t——浇注时间；

hc——件高。

计算出vL≈17 mm/s，达到该类件最小上升速度15 mm/ s的要求。故该浇注系统合理。

3.3 工艺概况

为提高铸件质量，同时减小冒口切割面积以方便后期清理气割及修型，1#、2#、4#冒口均采用FOSECO保温板形成。最终工艺参数为毛重5 700 kg，浇注重量9 900 kg，实收率57.5%，具体见图7。

3.4 凝固模拟

在铸造工艺设计完成后，进行三维造型并运用MAGMA软件进行了凝固模拟，结果如图8、图9所示。

图7 新工艺方案 Figure 7 New process scheme

图8 缩孔(松)率Figure 8 Shrinkage and porosity

图9 补缩效率 Figure 9 Feeding efficiency

从模拟结果可以看出，原工艺方案存在问题的侧面大搭子处、大法兰下部、厚大的阀座部位基本无缩孔(缩松)缺陷显示，各冒口安全高度均在合理范围内。在主体腔室处，壁厚中间部位有一些缩松显示，分析原因应该是该部位为等壁厚，两边距冒口较远，凝固过程中补缩通道不畅通造成的缺陷。因此工艺上采用设置冷铁以形成人为末端区的方式进行处理，并对工艺参数进行了局部的修正。从最终铸件实际生产结果看，与模拟结果相近，所以该工艺设计方案基本是合理的。

4 生产质量控制

铸件生产过程中，严格做到“三按”生产，控制好各工序质量。模型制作过程中，主要是保证模型尺寸、型线满足设计要求并配好一些成型冷铁。冶炼工序主要控制钢水纯净度并合理控制残余元素含量以确保性能达到要求。造型工序控制好砂型、砂芯的质量，特别是表面质量和涂料涂刷质量。在各热节处放置铬铁矿砂防止粘砂，严格按工艺要求设置浇注系统、放置冷铁并设置排气措施，以防止出现气孔类缺陷。现已成功生产多件高压调节阀壳铸件。

5 结束语

实际生产结果证明，采用优化工艺生产的铸件质量大幅度提高，原工艺方案存在问题的侧面大搭子处和大法兰位置无超标缺陷显示。工艺优化后的首件产品UT检测时，仅在浇注位置的最下面∅100 mm小圆搭子处存在缺陷，分析原因可能是扣箱时少量浮砂未吹净，钢水浇注后聚集在该处造成的，可以通过加强造型过程质量控制来解决。总的来说，类似铸件因凸台、搭子较多，造成热节分散，在设计工艺时就应分别考虑，照顾各处热节，采用冷铁、补贴形成足够的补缩通道，再配合冒口完成铸件补缩，就可以得到高质量的铸件。另外在新产品铸造工艺开发过程中，为缩短试制时间并保证一次成功，模拟软件的应用也是十分必要的。

[1] 陈国桢，肖柯则，姜不居.铸件缺陷和对策手册.北京：机械工业出版社，1996.8.

[2] 李魁盛.铸造工艺及原理.北京：机械工业出版社，1989.6.

[3] 陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼. 北京：机械工业出版社，1996.10.

[4] 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册(第5卷).北京：机械工业出版社，2006.1.