CN103949584B - H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法 - Google Patents
H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，包含以下步骤：⑴工艺设计，包括模具设计；浇注位置及浇、冒口设计；冷铁系统设计；浇口杯设计；排气槽设计；⑵原辅材料选择与控制，包括型砂选择、涂料选择和炉料预处理；⑶浇注，包括热型热浇和钢水出炉温度和浇注温度的控制；⑷热处理，包括正火和回火处理；⑸化学成分检测；⑹机械性能检测；⑺产品验收。本发明采用成本低、周期短、适应性广的砂型铸造方法替代熔模铸造工艺，简化了制造工艺、缩短了生产周期、降低了制造成本、减少了对环境的污染，所述中压第22级静叶片的质量达到了与熔模铸造工艺同等的质量要求；提高了所述产品的国际竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及砂型铸造、热处理技术领域，具体的是H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法。
背景技术
H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法属于“H级联合循环汽轮机重要零件的生产与制造”研究项目的分项目，是由申请人单位负责研究的项目。所述H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的制造工艺在国内无先例可以参照。之前，我国使用的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片都是从国外进口的。而国外公司是采用熔模铸造工艺制造H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的，国内还没有H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的制造工艺。
所述的熔模铸造工艺在生产H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片时，不仅制造工艺复杂、生产周期长、制造成本高，而且在生产过程中容易产生环境污染。而在目前的汽轮机行业竞争激烈，新机型、新产品不断推出。要想占有市场，就必须创新产品、降低成本、迅速交货，所以，所述的熔模铸造工艺已难以满足市场和生产企业的要求。而在本行业中，砂型铸造技术正以其成本低、周期短、适应性广泛而显出强大的生命力和竞争力。能否用砂型铸造、热处理技术代替熔模铸造工艺生产H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片成为本专利申请人单位负责研究的项目。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，用此方法替代熔模铸造工艺，在简化制造工艺、缩短生产周期、降低制造成本、减少对环境的污染的同时，使H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的质量达到熔模铸造工艺的同等质量要求。
为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，其特征是，包含以下步骤：
（1）工艺设计
①模具设计：在同一砂箱1内设置两片静叶片（第一静叶片、第二静叶片）模型；
②浇注位置及浇、冒口设计：采用平做竖浇、冒口（第一冒口、第二冒口）本体浇注的方式；
③冷铁系统设计：在所述静叶片（第一静叶片、第二静叶片）中段区域设置若干40mm厚的冷铁（第一冷铁、第二冷铁、第三冷铁、第四冷铁、第五冷铁、第六冷铁、第七冷铁、第八冷铁）；
④浇口杯设计：采用专用浇口杯（第一浇口杯、第二浇口杯）：在所述专用浇口杯中放置陶瓷过滤器（第一陶瓷过滤器、第二陶瓷过滤器）；
⑤排气槽设计：在所述两片静叶片（第一静叶片、第二静叶片）模型之间设置截面尺寸为25×25mm的排气槽10；
（2）原辅材料选择与控制
①型砂选择：采用呋喃树脂自硬砂；
②涂料选择：采用醇基锆英粉涂料，要求涂敷冷却后的涂层均匀、外观无裂纹、无气泡和肉眼可见的针孔；
③炉料预处理：炉料需预先清除炉料表面的粘砂和铁锈，熔前烘烤预热，所有金属炉料在浇注前应保持干燥、清洁、无锈、块度适中；
（3）浇注
①热型热浇：铸型在浇注前采用150℃烘2～3小时，出炉配箱30分钟内进行浇注；应减缓铸件的凝固，有利于夹杂及气体的上浮；
②钢水温度的控制：钢水出炉温度为1660～1670℃，钢水浇注温度为1590～1610℃；
（4）热处理
对浇注后的铸件进行热处理（正火+回火）：
①正火处理步骤为：
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至650℃；
Ⅱ、在铸件达到650℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到1000℃时保温2小时；
Ⅴ、然后进行风冷；
②回火处理步骤为：
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至500℃；
Ⅱ、在铸件达到500℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到630℃时保温5小时；
Ⅴ、然后进行空冷；
通过热处理使铸件达到所要求的力学性能指标；
（5）化学成分检测
参照EN10283标准对铸件的化学成分进行检测；
（6）机械性能检测
参照EN10283标准对铸件的机械性能进行检测；
（7）产品检验
①采用三坐标测量（CMM）检测叶片所有尺寸；
②参照EN1371-2标准对叶片进行渗透检测，质量级别应达到4级要求，表面无裂纹；
③参照EN12681标准对叶片进行X射线检测，质量级别应达到1-2级要求。
进一步，所述呋喃树脂自硬砂选用含氮量≤0.3的无氮树脂配制型砂，其配制要求为：原砂使用再生砂，粒度为30～50目，微粉含量（通过140目）不大于0.8%，底盘余留量不大于0.2%，灼减量＜2.0%，含水量＜0.2%，终强度＞2.5MPa。
进一步，所述醇基锆英粉涂料的技术参数为：外观为均匀状态；稀释后的涂料密度为1.6～2.2g/cm3；涂料粘度为6～12s；稀释后2小时的悬浮率为≥95%；发气量＜20ml/g；涂层耐磨性＜0.5g/64br。
进一步，所述陶瓷过滤器为福士科STELEX*PRO泡沫陶瓷过滤器，尺寸为φ70×25，孔径为10ppi。
本发明H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法的积极效果是：
（1）采用成本低、周期短、适应性广泛的砂型铸造方法替代熔模铸造工艺，在简化了制造工艺、缩短了生产周期、降低了制造成本、减少了对环境的污染的同时，使H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的质量达到了与熔模铸造工艺同等的质量要求。
（2）本发明的砂型铸造方法的研究成功，不仅满足了国内市场的需求，打破了制造超大型汽轮机同类铸件产品必须进口的局面，降低了采购成本；而且提高了所述产品的国际竞争力。
（3）本发明的砂型铸造方法的研究成功，为今后生产要求更高的静叶铸件积累了技术数据和制造经验。
附图说明
图1为本发明H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造结构示意图。
图1中的标号分别为：
1、砂箱；21、第一浇口杯；22、第二浇口杯；
31、第一陶瓷过滤器；32、第二陶瓷过滤器；41、第一冒口；
42、第二冒口；51、第一静叶片；52、第二静叶片；
61、第一冷铁；62、第二冷铁；71、第三冷铁；
72、第四冷铁；81、第五冷铁；82、第六冷铁；
91、第七冷铁；92、第八冷铁；10、排气槽。
图2为正火处理步骤示意图。
图3为回火工艺规程示意图。
图4为H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的结构示意图。
图5为X射线检测验收的技术规范图；
图5中的标号分别为：
A、一级区域；B、二级区域。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法的具体实施方式。
参见图1。H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，包含以下步骤：
（1）工艺设计
①模具设计：为提高生产效率，在同一砂箱1内设置两片静叶片：第一静叶片51、第二静叶片52模型。
②浇注位置及浇、冒口设计：根据叶片由于从大端到小端厚度梯度明显的结构特点，为使机械加工余量尽量小，采用平做竖浇、冒口（包括第一冒口41、第二冒口42）本体浇注的方式；这样可形成朝冒口方向的顺序凝固，有利于保证毛坯内在质量。
③冷铁系统设计：在所述静叶片（包括第一静叶片51、第二静叶片52）中段区域设置若干40mm厚的冷铁（包括第一冷铁61、第二冷铁62、第三冷铁71、第四冷铁72、第五冷铁81、第六冷铁82、第七冷铁91和第八冷铁92）；可防止在所述静叶片中段区域产生缩松，从而能有效地防止缩孔、缩松类缺陷的产生，同时能弥补冒口（包括第一冒口41和第二冒口42）补缩距离的不足。
④浇口杯设计：由于采用了冒口本体浇注的方法，为防止在浇注过程中金属液中的夹杂物直接进入铸件，因此采用带有陶瓷过滤网的浇口杯（包括第一浇口杯21和第二浇口杯22）：在所述浇口杯中放置陶瓷过滤器（包括第一陶瓷过滤器31和第二陶瓷过滤器32）。所述陶瓷过滤器采用福士科STELEX*PRO泡沫陶瓷过滤器，尺寸为φ70×25，孔径为10ppi。使用泡沫陶瓷过滤器既可防止金属液中过量的夹杂物直接进入铸件，又可防止金属液进入铸型后产生紊流冲刷铸型后产生过量的氧化夹杂物。
⑤排气槽设计：在所述两片静叶片（包括第一静叶片51和第二静叶片52）模型之间设置一根截面尺寸为25×25mm的排气槽10。由于本发明的砂型铸造方法选用了呋喃树脂自硬砂，两片静叶片在浇注时型砂中的残留树脂受金属液的高温作用容易产生气体，所述气体极易通过铸型分型面侵入到邻近的静叶铸型中而生产侵入性气孔。为了防止这个问题，在两片静叶片（包括第一静叶片51和第二静叶片52）模型之间设置截面尺寸为25×25mm的排气槽10能有效地导出所述气体，防止侵入性气孔的产生。
（2）原辅材料选择与控制
①型砂选择：采用呋喃树脂自硬砂。所述呋喃树脂自硬砂选用含氮量≤0.3的无氮树脂配制型砂，其配制要求为：原砂使用再生砂，粒度为30～50目，微粉含量（通过140目）不大于0.8%，底盘余留量不大于0.2%，灼减量＜2.0%，含水量＜0.2%，终强度＞2.5MPa。
②涂料：采用醇基锆英粉涂料。所述醇基锆英粉涂料的技术参数为：外观为均匀状态；稀释后的涂料密度为1.6～2.2g/cm3；涂料粘度为6～12s；稀释后2小时的悬浮率为≥95%；发气量＜20ml/g；涂层耐磨性＜0.5g/64br。要求涂敷冷却后的涂层均匀、外观无裂纹、无气泡和肉眼可见的针孔。
③炉料需预先清除炉料表面的粘砂和铁锈，熔前烘烤预热，所有金属炉料在浇注前应保持干燥、清洁、无锈、块度适中。
（3）浇注
①铸型在浇注前采用150℃烘2～3小时，出炉配箱30分钟内进行浇注：热型热浇；应减缓铸件的凝固，有利于夹杂及气体的上浮。
②钢水出炉温度为1660～1670℃，钢水浇注温度为1590～1610℃。
（4）热处理
对浇注后的铸件进行热处理（正火+回火）：
①正火处理步骤为：（参见图2）
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至650℃；
Ⅱ、在铸件达到650℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到1000℃时保温2小时；
Ⅴ、然后进行风冷。
②回火处理步骤为：（参见图3）
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至500℃；
Ⅱ、在铸件达到500℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到630℃时保温5小时；
Ⅴ、然后进行空冷。
通过热处理使铸件达到所要求的力学性能指标。
（5）化学成分检测
参照EN10283标准对铸件的化学成分进行检测。
（6）机械性能检测
参照EN10283标准对铸件的机械性能进行检测。
（7）产品检验
采用三坐标测量（CMM）检测叶片所有尺寸；
参照EN1371-2标准对叶片进行渗透检测，质量级别应达到4级要求，表面无裂纹；
参照EN12681标准对叶片进行X射线检测，质量级别应达到1-2级要求。
制造本发明所述的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的材料为GX4CrNi13-4，其化学成分见表1、机械性能见表2。
表1.GX4CrNi13-4材料的化学成分表
。
表2.GX4CrNi13-4材料的机械性能表
。
本发明所述的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的形状结构为扭转直叶片（参见图4），其轮廓尺寸为：600×200×54mm，铸件重23公斤。依据西门子（TLV-9254-08-G）采购技术规范规定：所述静叶片铸件需进行化学成分检测、机械性能检测、三坐标尺寸检测、渗透检测和X射线检测。其中，X射线检测的技术规范比国内同类静叶片铸件验收的技术规范更严格（参见图5、表3）。
表3.X射线检测验收的技术规范
；
*不作为质量验收标准，仅作为工艺定型依据。
本发明依据一开始设计的对H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法做了多次试验（试制了14件所述的静叶片）和一次批量生产（100件所述静叶片的规模）。试验中，通过对型砂的选用、对型砂灼减量和含水量的控制、专用浇口杯中陶瓷过滤网的配置、冷铁隔砂层厚度的控制以及铸件浇注温度的控制等工艺的调整和设置，逐步确定了本发明的砂型铸造方法，使生产的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片在经过化学成分检测、机械性能检测、三坐标尺寸检测、渗透检测和X射线检测后的合格率从试验初期的50%提高到批量生产时的94%。同时，批量生产时的产品样件也获得了西门子公司的质量认可。
目前，利用本发明的砂型铸造方法对H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的生产已经规模化（批量生产）。可以确定：用本发明的砂型铸造方法替代熔模铸造工艺生产H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片是可行的，其产品质量能满足该产品采购技术规范《TLV925408-G》中各项技术验收的要求。
Claims (4)
1.H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）工艺设计
①模具设计：在同一砂箱内设置两片静叶片模型；
②浇注位置及浇、冒口设计：采用平做竖浇、冒口本体浇注的方式；
③冷铁系统设计：在所述静叶片模型中段区域设置若干40mm厚的冷铁；
④浇口杯设计：采用带有陶瓷过滤网的浇口杯：在所述浇口杯中放置陶瓷过滤器；
⑤排气槽设计：在所述两片静叶片模型之间设置横向截面尺寸为25mm×25mm的排气槽；
（2）原辅材料选择与控制
①型砂选择：采用呋喃树脂自硬砂；
②涂料选择：采用醇基锆英粉涂料，要求涂敷冷却后的涂层均匀、外观无裂纹、无气泡和肉眼可见的针孔；
③炉料预处理：炉料需预先清除炉料表面的粘砂和铁锈，熔前烘烤预热，所有金属炉料在浇注前应保持干燥、清洁、无锈、块度适中；
（3）浇注
①热型热浇：铸型在浇注前采用150℃烘2～3小时，出炉配箱30分钟内进行浇注；应减缓铸件的凝固，有利于夹杂及气体的上浮；
②钢水温度的控制：钢水出炉温度为1660～1670℃，钢水浇注温度为1590～1610℃；
（4）热处理
对浇注后的铸件进行调质热处理：
①正火处理步骤为：
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至650℃；
Ⅱ、在铸件达到650℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到1000℃时保温2小时；
Ⅴ、然后进行风冷；
②回火处理步骤为：
Ⅰ、将铸件以≤300℃/小时的速度加热至500℃；
Ⅱ、在铸件达到500℃时保温1小时；
Ⅲ、再将铸件以≤120℃/小时的速度缓速加温；
Ⅳ、在铸件达到630℃时保温5小时；
Ⅴ、然后进行空冷；
通过热处理使铸件达到所要求的力学性能指标；
（5）化学成分检测
参照EN10283标准对铸件的化学成分进行检测；
（6）机械性能检测
参照EN10283标准对铸件的机械性能进行检测；
（7）产品检验
①采用三坐标测量（CMM）检测叶片所有尺寸；
②参照EN1371-2标准对叶片进行渗透检测，质量级别应达到4级要求，表面无裂纹；
③参照EN12681标准对叶片进行X射线检测，质量级别应达到1-2级要求。
2.根据权利要求1所述的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，其特征在于，所述呋喃树脂自硬砂选用含氮量≤0.3%的无氮树脂配制型砂，其配制要求为：原砂使用再生砂，粒度为30～50目，通过140目筛的微粉含量不大于0.8%，底盘余留量不大于0.2%，灼减量＜2.0%，含水量＜0.2%，终强度＞2.5MPa。
3.根据权利要求1所述的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，其特征在于，所述醇基锆英粉涂料的技术参数为：外观为均匀状态；稀释后的涂料密度为1.6～2.2g/cm3；涂料粘度为6～12s；稀释后2小时的悬浮率为≥95%；发气量＜20ml/g；涂层耐磨性＜0.5g（64r/min）。
4.根据权利要求1所述的H级联合循环汽轮机中压第22级静叶片的砂型铸造方法，其特征在于，所述陶瓷过滤器为福士科STELEX*PRO泡沫陶瓷过滤器，尺寸为φ70mm×25mm，孔径为10ppi。
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