铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法.pdf

本发明涉及一种铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，该方法通过对钢水钢水成分的控制、浇注方式、及热处理过程的改进，达到了以铸代锻的目的，大大降低了生产成本。浇注方式采用底返式浇注，直立状态，冒口设置在浇注位置的上部，并在冒口外部采用保温套。热处理过程进行淬火处理和二次回火处理工艺。为了获得组织致密的铸件，铸件中间空腔全部进行钢水浇注，空腔铸满，然后将心部的轴线缩松缺陷部位采用深孔钻加工掉，并且进行再加工使铸件的中部空腔尺寸满足要求。铸件产品的机械性能为屈服强度σ0.2≥520MPa，抗拉强度σb≥680-850MPa，伸长率δ5≥15％，断面收缩率Ψ≥40％，冲击吸收功AkU≥30J。

1、  铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，包括工装准备、钢水熔炼、钢水成分控制、浇注、凝固收缩、冷却开箱、热处理、加工、检验，其特征在于，成分控制后的钢水化学成分为：按重量百分比计，C 0.11-0.14、Si 0.20-0.40、Mn 0.80-1.00、P≤0.02、S≤0.01、Cr 9.10-10.0、Mo 0.90-1.05、W 0.95-1.05、V 0.18-0.25、Ni0.50-0.75、Nb 0.04-0.08、N 0.04-0.07、Al<0.02，余量为Fe，各成分总和为100％。

2、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，所述的浇注方式采用底返式浇注，钢水平稳上升；浇注的位置选择直立状态，冒口设置在浇注位置的上部，并在冒口外部采用保温套。

3、  根据权利要求2所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，所述的冒口形状为圆形，其体积及大小要满足有足够的钢液补缩铸件的条件。

4、  根据权利要求3所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，所述的冒口不易补缩到的地方放置冷铁。

5、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，所述的工装准备过程中，采用卧舂???的方式制型。

6、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，所述的热处理过程是：开箱后马上将铸件进行高温扩散热处理，进行淬火处理和二次回火处理；
1)淬火处理：在炉温200℃的条件下，铸件入炉，以≤60℃/h的升温速度升温至650±10℃，保温6-8小时，然后，以≤80℃/h的升温速度升温至1100±10℃，保温20-24小时，然后进行油冷，≤300℃时将铸件从油中取出，铸件冷却至常温的时间是1-2小时；
2)回火处理；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-28小时，然后，空气自然冷却至常温；
3)二次回火；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-24小时，然后，炉冷至常温，≤200℃的条件下出炉。

7、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，其特征在于，为了获得组织致密的铸件，铸件中间空腔全部进行钢水浇注，空腔铸满，然后将心部的轴线缩松缺陷部位采用深孔钻加工掉，并且进行再加工使铸件的中部空腔尺寸满足要求。

8、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法生产的产品，其特征在于，该方法进行工艺方案初步确定后，通过华铸CAE模拟软件进行模拟，按照铸造工艺方案建立铸件的三维模型，然后用华铸CAE铸造凝固分析计算机软件进行模拟，使凝固过程可视化，验证冒口的尺寸，预测缺陷；通过凝固过程的演示，调整铸件的技术参数。最后，经过模拟过程，方案确认后，进行生产。

9、  根据权利要求1所述的铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法生产的产品，其特征在于，所述的产品的机械性能为屈服强度σ_0.2≥520MPa，抗拉强度σ_b≥680-850MPa，伸长率δ₅≥15％，断面收缩率Ψ≥40％，冲击吸收功AkU≥30J。

铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法
技术领域
本发明涉及一种核电机组用超超临界主汽调节阀的制造方法，特别是一种铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法。
背景技术
现有技术中，超超临界调节阀大都以锻件为主，采购周期长，制造成本高。随着汽轮机技术的发展和大功率超超临界火电机组的不断建设，该阀体的市场需求量将大幅度增加市场前景极为广阔。
从2003年开始，我国开始了超超临界机组的研究开发，但机组参数的提高，对材料的要求也进一步提高。超超临界汽轮机的工作温度较常规火电高，就这给汽轮机铸件提出了更高的要求。主汽调节阀是超超临界机组的重要部件，材质为ZG1Cr10MoWVNbN，该件由于生产难度大，国内尚无厂家生产，一直以锻造为主。
核电机组用超超临界主汽调节阀的铸造生产的主要技术难点体现在以下几个方面：
1、化学成份控制要求严格，除P≤0.020，S≤0.010外，N、Nb等也是主控元素。Cr含量在9.1～10.00，由于控制元素多，导致冶炼时间长。增加了冶炼难度。
2、铸造方面，由于热节大，钢水流动性差，给铸造的冒口、浇道、补贴、缩尺设计带来一定困难。
3.该材料性能要求极高，为保证性能，热处理是一道难关，国内没有可借鉴的经验，必需要做大量的试验才能掌握该材料的热处理核心技术。
生产核电机组用超超临界主汽调节阀的，以铸代锻工艺的研制，将大大缩短采购周期，降低生产成本。同时，这一项目的开发成功，填补了国内空白。并且“以铸代锻”超超临界铸钢件产品工艺的研发项目实施，将有利于提高资源利用率，对节能降耗、改善环境有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，该方法通过严格控制钢水化学成分、改变铸造工艺和热处理工艺参数，实现大大降低核电机组用超超临界主汽调节阀的制造成本的目的，并且铸件完全满足成品技术要求。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
铸造生产核电机组用超超临界主汽调节阀的方法，包括工装准备、钢水熔炼、钢水成分控制、浇注、凝固收缩、冷却开箱、热处理、加工、检验，其特征在于，成分控制后的钢水化学成分为：按重量百分比计，C 0.11-0.14、Si 0.20-0.40、Mn 0.80-1.00、P≤0.02、S≤0.01、Cr 9.10-10.0、Mo 0.90-1.05、W 0.95-1.05、V 0.18-0.25、Ni 0.50-0.75、Nb 0.04-0.08、N 0.04-0.07、Al<0.02，余量为Fe，各成分总和为100％。
所述的浇注方式采用底返式浇注，钢水平稳上升；浇注的位置选择直立状态，冒口设置在浇注位置的上部，并在冒口外部采用保温套。
所述的冒口形状为圆形，其体积及大小要满足有足够的钢液补缩铸件的条件。
所述的冒口不易补缩到的地方放置冷铁。
所述的工装准备过程中，采用卧舂的方式制型。
所述的热处理过程是：开箱后马上将铸件进行高温扩散热处理，进行淬火处理和二次回火处理；
1)淬火处理：在炉温200℃的条件下，铸件入炉，以≤60℃/h的升温速度升温至650±10℃，保温6-8小时，然后，以≤80℃/h的升温速度升温至1100±10℃，保温20-24小时，然后进行油冷，≤300℃时将铸件从油中取出，铸件冷却至常温的时间是1-2小时；
2)回火处理；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-28小时，然后，空气自然冷却至常温；
3)二次回火；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-24小时，然后，炉冷至常温，≤200℃的条件下出炉。
为了获得组织致密的铸件，铸件中间空腔全部进行钢水浇注，空腔铸满，然后将心部的轴线缩松缺陷部位采用深孔钻加工掉，并且进行再加工使铸件的中部空腔尺寸满足要求。
该方法进行工艺方案初步确定后，通过华铸CAE模拟软件进行模拟，按照铸造工艺方案建立铸件的三维模型，然后用华铸CAE铸造凝固分析计算机软件进行模拟，使凝固过程可视化，验证冒口的尺寸，预测缺陷；通过凝固过程的演示，调整铸件的技术参数。最后，经过模拟过程，方案确认后，进行生产。
所述的产品的机械性能为屈服强度σ₀₂≥520MPa，抗拉强度σ_b≥680-850MPa，伸长率δ₅≥15％，断面收缩率Ψ≥40％，冲击吸收功AkU≥30J。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与现有技术中的锻造法生产核电机组用超超临界主汽调节阀相比，大大缩短了采购周期，并大大降低了生产成本。同时，这一项目的开发成功，填补了国内空白。并且“以铸代锻”超超临界铸钢件产品工艺的研发项目实施，将有利于提高资源利用率，对节能降耗、改善环境有很重要的意义。
附图说明
图1是超超临界主汽调节阀的三维模型图；
图2是超超临界主汽调节阀的三维模型图；
图3是冒口位置的设计示意图；
图4是冷铁的位置示意图；
图5是华铸CAE模拟凝固过程示意图；
图6是华铸CAE模拟缺陷分析示意图。
图中：1-铸件空腔 2-冒口 3-冷铁 4-华铸CAE模拟凝固过程的钢水
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的铸造方法。
该方法包括工装准备、钢水熔炼、钢水成分控制、浇注、凝固收缩、冷却开箱、热处理、加工、检验过程。首先进行工艺方案初步确定后，通过华铸CAE模拟软件进行模拟，在理论上验证工艺的合理性。首先按照铸造工艺方案建立铸件的三维模型，然后用华铸CAE铸造凝固分析计算机软件进行模拟，使凝固过程可视化，验证冒口的尺寸，预测缺陷；通过凝固过程的演示，调整铸件的技术参数。最后，经过模拟过程，方案确认后，进行生产。
见图1、图2，该铸件外形结构属于大的厚实件，在冒口下易产生偏析，影响铸件质量，并且凝固时的液态收缩和凝固收缩值都较大，容易补缩不充分，产生缩孔。因其工作条件需要承受高温高压，所以质量要求非常严格，需要确定合理的浇注位置和合适的冒口(图3)，以创造较好的补缩条件，满足铸件的使用性能要求。
为了获得组织致密的铸件，中间空腔全部进行钢水浇注，空腔铸平，保证铸件顺序凝固，心部的轴线缩松缺陷部位采用深孔钻加工掉，并且进行再加工使铸件的中部空腔尺寸满足要求。浇注位置选择直立状态，以便增高补缩压头，减少铸件的组织疏松程度。冒口设置在浇注位置的上部，采用保温套，保证冒口是铸件的最后凝固部位。冒口的形状选择补缩效率高的圆形，尺寸合理，需要计算验证冒口体积，保证有足够的钢液补缩铸件，使铸件能够顺序凝固。
具体方案叙述如下：
1、本发明的关键过程是钢水化学成分控制、铸造过程控制和热处理过程控制。
2、控制后的钢水化学成分为：按重量百分比计，C 0.11-0.14、Si 0.20-0.40、Mn0.80-1.00、P≤0.02、S≤0.01、Cr 9.10-10.0、Mo 0.90-1.05、W 0.95-1.05、V 0.18-0.25、Ni 0.50-0.75、Nb 0.04-0.08、N 0.04-0.07、Al<0.02，余量为Fe，各成分总和为100％。
3、为保证铸件顺序凝固，利于补缩，在铸件顶部放置一个冒口，并在冒口外部采用保温套。冒口形状为圆形，其体积及大小要满足有足够的钢液补缩铸件的条件。冒口不易补缩到的地方放置冷铁。
4、浇注方式采用底返式浇注，钢水平稳上升；浇注的位置选择直立状态。
5、工装准备过程中，采用卧舂的方式制型。
6、热处理过程是：超超临界易裂，且合金元素多，偏析相对较大，因此打箱后要马上进行高温扩散热处理，消除偏析和铸造应力，然后按要求进行调质处理，调节常温和高温性能。包括淬火处理和二次回火处理；
1)淬火处理：在炉温200℃的条件下，铸件入炉，以≤60℃/h的升温速度升温至650±10℃，保温6-8小时，然后，以≤80℃/h的升温速度升温至1100±10℃，保温20-24小时，然后进行油冷，≤300℃时将铸件从油中取出，铸件冷却至常温的时间是1-2小时；
2)回火处理；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-28小时，然后，空气自然冷却至常温；
3)二次回火；以≤60℃/h的升温速度升温至400±10℃，保温6-8小时，然后，以≤60℃/h的升温速度升温至740±10℃，保温20-24小时，然后，炉冷至常温，≤200℃的条件下出炉。
见图4，为避免冒口补缩不充分，在冒口不易补缩到的地方放置适当的冷铁。
见图5华铸CAE模拟凝固过程示意图。通过凝固过程的演示，铸件在凝固过程并没有发现产生缺陷的部位。
见图6华铸CAE模拟缺陷分析示意图。在缺陷分析里可以确定缩孔与缩松的数量，大小及位置。在该图片中，缩孔与缩松都集中到冒口部位，并且距离活面有一定的安全高度，工艺合理。
为保证铸件的表面质量，采取卧舂的方式制型，水口底返，钢水平稳上升。上下型制好，修整后合箱，烘干，准备浇注。
最终产品的机械性能为屈服强度σ_0.2≥520MPa，抗拉强度σ_b≥680-850MPa，伸长率δ₅≥15％，断面收缩率Ψ≥40％，冲击吸收功AkU≥30J。