隨著我國(guó)火電機(jī)組技術(shù)日趨發(fā)展，大功率火電項(xiàng)目逐漸成為主流，而大功率火電又在向超臨界、超超臨界發(fā)展，相應(yīng)的工作壓力、工作溫度與常規(guī)的亞臨界機(jī)組相比都有很大程度的提高，這給高溫高壓調(diào)節(jié)閥鑄鋼件提出了更高的要求，要實(shí)現(xiàn)超臨界、超超臨界火電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化必須攻克超臨界、超超臨界機(jī)組所需鑄件的制造技術(shù)[1]。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司熱加工事業(yè)部曾成功生產(chǎn)過(guò)WCB、WC9等亞臨界鍋爐閥門(mén)鑄件，但超臨界C12A閥體鑄件的生產(chǎn)尚屬首次，掌握該產(chǎn)品的鑄造工藝，是今后開(kāi)發(fā)鍋爐閥門(mén)市場(chǎng)的關(guān)鍵。
一、國(guó)內(nèi)外技術(shù)情況比較
C12A鑄鋼材料含較高的鉻，合金元素種類(lèi)多，其合金元素總含量大于10%，屬于高合金鑄鋼，且存在一定的固溶氣體。該鋼種鋼液的流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生冷隔；高溫易氧化，鑄件表面易產(chǎn)生氧化膜褶皺，氧化膜卷入內(nèi)部易形成氧化夾雜物，冶煉難度大；凝固區(qū)間比常見(jiàn)的00Cr13Ni5Mo高，易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，鑄造性能差；導(dǎo)熱性差，熱裂傾向和粘砂傾向大；體收縮量大，收縮應(yīng)力大，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)的難度加大；馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度低，容易產(chǎn)生冷裂，熱處理的難度很大。目前，據(jù)我們了解，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、斯洛文尼亞、韓國(guó)等可以生產(chǎn)這類(lèi)鑄件，但生產(chǎn)難度都比較大。國(guó)內(nèi)某些廠家如鞍鋼、山西長(zhǎng)豐等企業(yè)也生產(chǎn)過(guò)該鋼種鑄件，但廢品率較高，且無(wú)法檢索到相關(guān)資料。
二、技術(shù)難度分析
1、結(jié)構(gòu)方面
該閥體整體結(jié)構(gòu)為三通管狀，主壁厚由70mm增加到110mm，壁厚不均勻，相對(duì)增大了鑄造難度；三通管相貫處存在Φ150mm孤立局部熱節(jié)，易產(chǎn)生縮松和裂紋；熱節(jié)厚大、孤立、分散，不利于實(shí)現(xiàn)順序凝固；鑄造性能有待研究，保證組織致密難度很大，縮尺不易控制。鋼液的流動(dòng)性較差，冒口、澆注系統(tǒng)以及縮尺的設(shè)計(jì)具有一定難度。
2、造型方面
砂型內(nèi)浮砂、氣體，鋼液中夾渣不易排出，內(nèi)腔型砂易燒結(jié)。
3、熔煉澆注
該鋼種首次冶煉，化學(xué)成分控制要求高，冶煉過(guò)程很長(zhǎng)，化學(xué)成分控制難度增加。
4、清理及熱處理
冒口厚大，需整體預(yù)熱切割冒口及冒口處的增肉，鑄件易產(chǎn)生裂紋，冒口不易切割。力學(xué)性能要求高，熱處理工藝制定難度大。缺陷的去除和補(bǔ)焊也是一個(gè)難點(diǎn)。
三、鑄造工藝研究
1、冒口設(shè)計(jì)
根據(jù)以往生產(chǎn)亞臨界閥體的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，最初選定3種工藝方案。
方案1：采用水平造型豎立澆注的工藝方案，主冒口放在鑄件的腹部，支管處放置暗冒口，底部放置外冷鐵，見(jiàn)圖1a。
圖1 方案1
方案2：采用水平造型水平澆注的工藝方案，主冒口放在鑄件的相貫處，支管處放置暗冒口，底部放置外冷鐵，見(jiàn)圖2a。
圖2 方案2
方案3：采用水平造型水平澆注的工藝方案，主冒口放在鑄件的相貫處，取消支管處暗冒口，底部放置外冷鐵，見(jiàn)圖3a。
為驗(yàn)證工藝，我們分別對(duì)這三種工藝方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，見(jiàn)圖1b，圖2b，圖3b。
根據(jù)以上模擬結(jié)果，我們認(rèn)為：方案1的優(yōu)點(diǎn)是芯盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冒口容易切割，鑄件表面形狀完整，缺點(diǎn)是鑄件相貫處存在較大的縮孔（圖1b）；方案2的優(yōu)點(diǎn)是冒口布置合理，對(duì)所有孤立的熱節(jié)都能進(jìn)行補(bǔ)縮，缺點(diǎn)是冒口不易切割，鑄件表面形狀需靠大量的氣刨、打磨來(lái)保證，容易產(chǎn)生裂紋，冒口過(guò)多，造成鑄件的結(jié)構(gòu)薄厚不均，收縮應(yīng)力大，極易產(chǎn)生裂紋缺陷（圖2b）；方案3的優(yōu)點(diǎn)是冒口少，鑄件致密度好，出品率高，后序清理工作量小，鑄件結(jié)構(gòu)合理，通過(guò)冒口與冷鐵，形成合理的溫度梯度，鑄件接近自由收縮，不易產(chǎn)生裂紋缺陷（圖3b），缺點(diǎn)是芯盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯需預(yù)裝后整體下芯。綜合考慮后，我們認(rèn)為方案3最能保證鑄件的質(zhì)量。
圖3 方案3
2、型砂工藝設(shè)計(jì)
面砂采用酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂鉻鐵礦砂，厚度由上箱的15mm過(guò)渡到下箱的30mm，以形成溫度梯度，背砂采用酯硬化堿性酚醛樹(shù)脂石英砂，填充砂為“七○砂”。堿性酚醛樹(shù)脂鉻鐵礦砂含水量小，強(qiáng)度高，高溫軟化點(diǎn)高，激冷效果好，可降低鑄件產(chǎn)生氣孔、砂眼、燒結(jié)等缺陷的可能性。
3、熔煉工藝
利用電弧爐+LF+VOD精煉，采用雙脫硫操作技術(shù)、兩次真空脫氣操作工藝、爐后喂線深脫氧方法，對(duì)爐內(nèi)H、O、N含量進(jìn)行多次取樣分析，確保穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)良的精煉鋼液。
4、熱處理及清理工藝
該鋼種正火溫度在1020~1050℃區(qū)間時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度呈上升的趨勢(shì)，但塑韌性變化不大；在1050~1080℃區(qū)間時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度呈上升的趨勢(shì)，塑韌性趨于變小?；鼗饻囟仍?10~760℃區(qū)間時(shí)，隨溫度的升高，強(qiáng)度降低，但塑韌性升高。
最終我們確定熱處理及清理工藝為：正火1050℃+回火760℃后冷卻至300℃切割冒口及所有冒口增肉，氣刨修形后再次回火。
5、鑄件檢查及缺陷焊補(bǔ)
超臨界Cr-Mo-V材料，可焊性要差些，因此，在焊接材料的選用上采用經(jīng)工藝評(píng)定的專(zhuān)用焊條，焊補(bǔ)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行。內(nèi)圓、端面粗加工，外皮打磨至粗糙度Ra=12.5進(jìn)行MT、UT檢查，按CCH-3二級(jí)執(zhí)行，按圖紙檢查鑄件尺寸，缺陷焊補(bǔ)采用專(zhuān)用焊條96B9。
四、生產(chǎn)過(guò)程控制
砂芯芯骨外纏4根排氣繩，引至砂箱外部，芯子平面劃出排氣通道，所有外皮和芯子的砂型（芯），必須自然硬化到型砂可操作時(shí)間的3倍以后，才允許吹氣硬化；砂芯預(yù)裝后一起下入型腔，砂芯的芯骨焊到一起；上箱的所有2#冷鐵之間留有40 mm的出氣孔，冒口中間外皮最高點(diǎn)處放30mm×100mm的出氣孔；底返澆道不能直接沖擊砂芯，內(nèi)澆道沿型腔方向開(kāi)設(shè)；合箱后仔細(xì)檢查澆道和型腔，吸出浮砂；合箱后用熱風(fēng)機(jī)從澆道對(duì)型腔進(jìn)行烘烤，溫度在100℃左右，澆注前停止；5天后冒口根部測(cè)溫，80℃以下打箱，落砂時(shí)不允許澆水。
五、結(jié)論
針對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的要求，從冒口、型砂、冶煉、熱處理、補(bǔ)焊等方面進(jìn)行了充分的工藝論證，并在生產(chǎn)過(guò)程中采取了一系列有效過(guò)程控制措施，該鑄件現(xiàn)已成功生產(chǎn)。通過(guò)C12A閥體鑄件生產(chǎn)上的應(yīng)用研究，我們基本掌握了這種材質(zhì)的相關(guān)鑄造性能，為開(kāi)發(fā)鍋爐閥門(mén)市場(chǎng)積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。
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