CN110090916A - 一种核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核主泵壳体铸造及加工领域，具体地说是一种核主泵壳体铸造过程中铸件表面质量的控制方法，包括型砂选择、涂料材料选择及涂刷工艺、铬铁矿砂用量及挂砂冷铁的形状和砂层厚度、铸件补焊处理工艺等，它只适用于核主泵壳体的制造过程。在核主泵壳体制造过程中，合理使用涂料、表面铬铁矿砂及挂砂冷铁，同时采用合理打磨工艺和开箱工艺，控制铸件表面缺陷。本发明针对核主泵的结构特点和合金特点，采用锆英粉耐火涂料，采用铬矿砂加大冷却速度，用挂砂冷铁强化厚大部位冷却，使合金钢凝固速度加快，细化晶粒，并且保证表面不出现裂纹等严重缺陷，减少气孔、夹杂等点状大面积缺陷出现，提高铸件表面质量。

Description

一种核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法

技术领域

本发明涉及核主泵壳体铸造及加工领域，具体地说是一种核主泵壳体铸造过程中铸件表面质量的控制方法，包括型砂选择、涂料材料选择及涂刷工艺、铸件补焊处理工艺等，它只适用于核主泵壳体的制造过程。

背景技术

核主泵壳体是核反应堆中最重要构件之一，服役时间长，运行环境特殊，需要有较高抗氧化耐腐蚀性能，尤其需要具较强的抗点蚀性能。而不锈钢发生点蚀是相对比较普遍现象。不锈钢发生点蚀，有化学成分原因，有偏析原因，也有残余应力原因。但是，最直接导致点蚀的原因是铸件表面存在微观缺陷，缺陷部位存在夹杂或成分不均匀，形成微区电池，加快反应速度，容易形成点蚀，使构件局部有效厚度迅速减薄，造成构件失效。

铸件表面激冷层往往致密度较高，希望保存铸件的表面激冷层，这样有利于提高铸件使用寿命，而表面缺陷的存在，又迫使我们进行表面机械加工。控制表面缺陷，就是为了减少机械加工，保存更厚的表面激冷层。利用耐火度高的锆英粉涂料，可以有效提高铸件表面质量。同时采用激冷能力强，耐火度高的铬铁矿砂，也有助于增加激冷层厚度，提高表面质量。同时选择用挂砂冷铁，也是为加大铸件厚大断面的冷却强度，加快冷却，改善铸件质量。

采用挂砂冷铁可以提高表面激冷能力的同时，又不容易使铸件表面产生冷铁痕迹。冷铁冷却强度大，直接使用，表面容易形成表层冷隔缺陷，并且冷铁处透气性不好，冷铁下面也容易出现气孔，尤其冷铁烘烤不彻底，打磨不干净时，更容易出气孔。因此，有必要研究专用涂料涂刷工艺及冷铁使用方法。

发明内容

为了更好的发挥奥氏体不锈钢抗点蚀的优点，本发明的目的在于提供一种核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，防止由于表面缺陷引起局部点蚀问题，提高铸件表面质量，使铸件渗透检查合格率达到100％。

本发明的技术方案是：

一种核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，利用砂型铸造方法造型，采用铬铁矿砂和锆英粉涂料，利用挂砂随形冷铁，采用正确的冒口去除工艺及表面处理，并且用合理补焊工艺进行表面缺陷修补，确保铸件表面质量及机械加工后的表面质量。

所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，铬铁矿砂为高纯度铬铁矿砂，其中：二氧化硅SiO₂的含量不超过1wt％，粒度为30～50目，Cr₂O₃≥45wt％，CaO≤1wt％，灼减量≤1wt％，耐火度1600～1800℃；并且铬矿砂使用中，采用低硅粘结剂酯硬化水玻璃，在保证粘结强度下加入量不超过3wt％。

所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，锆英粉涂料中，采用锆英粉含量高，耐火度高的材料，按重量百分比计，ZrO₂>65％、SiO₂<33％、TiO₂<0.4％、Fe₂O₃<0.5％、P₂O₅<0.5％、Al₂O₃<0.3％；耐火度达到2400℃以上；涂料采用醇基涂料，采用2～4次涂刷工艺，每涂一次，点燃，清理，再涂下一次。

所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，利用挂砂冷铁强化冷却，冷铁表面挂砂层厚度10～20mm，冷铁材料为铸铁HT200，冷铁表面开设为4～6mm×4～6mm的沟槽；冷铁采用正方体或长方体，厚度为100～200mm；冷铁在使用前进行吹砂处理，并且进干燥窑进行干燥处理。

所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，采用正确的冒口去除工艺，采用三步法去除冒口，先用火焰切割，去除冒口，冒口根部留10mm高余量，再有电弧气刨去除，余1.5～3mm余量，最后用砂轮打磨。

所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，采用合理补焊工艺，材料补焊时需要预热到250～300℃，小电流补焊，焊后打磨，表面探伤合格后进行热处理。

本发明的设计思想是：

本发明核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，是在核主泵壳体的造型、浇注与清理过程中，采用相应专用工艺，保证铸件表面质量。核主泵壳体属于厚大奥氏体不锈钢铸件，最大壁厚在400mm以上，凝固时间长，很容易形成粘砂，夹渣、气孔等缺陷。本发明有针对性地采用高温耐火涂料，增加型腔表面耐火度；采用高品位铬铁矿砂，增加高温强度，减少型砂在高温状态下的分解与析出；采用挂砂冷铁，增加激冷能力，保证激冷层厚度。

最后，采用专用焊补工艺，对铸件表面进行修理，制定补焊工艺，并进行修补后的热处理，热处理后再打磨，实现修后部位与本体完全熔合，并严格控制补焊面积。保证铸件表面质量，完全符合渗透检测要求。

本发明具有如下优点及有益效果：

1.本发明针对CF8A奥氏体不锈钢的合金特点及核主泵壳体铸件的结构特点，采用专用涂料涂刷型腔，涂刷工艺采用三层粉刷工艺，并且采用热风炉烘干型腔表面，采用挂砂冷铁，强化冷却，减少冷铁痕迹。采用合理修磨补焊工艺，减少去冒口和浇口时，火焰切割对铸件表面的损伤，采用逐层打磨方法，保护铸件表面完整。

2.由于本发明采用专用涂料、挂砂冷铁等工艺，使铸件表面气孔、夹渣减少，可以有效防止核主泵壳体点蚀，增加部件使用稳定性。

3.利用本发明技术制备核主泵壳体铸件，可以使铸件内腔工作面更加平整，有利于核主泵运行平稳，降低噪声。

4.利用本发明技术，使铸件表面质量提高，打磨量减少，降低劳动强度，提高工作效率的同时，也使铸件激冷致密层厚度增加，提高寿命，提高核主泵壳体的安全性。

附图说明

图1核主泵壳体铸造工艺示意图；图中，1明冒口；2型腔；3砂芯；4冷铁。

图2冷铁示意图；图中，4冷铁；5沟槽。

图3实施例1生产的核主泵壳体铸件毛坯。

图4实施例2生产的核主泵壳体铸件毛坯。

具体实施方式

在具体实施过程中，在核主泵壳体制造过程中，本发明采用合理使用涂料、表面铬铁矿砂及挂砂冷铁，同时采用合理打磨工艺和开箱工艺，控制铸件表面缺陷的工艺方法，包括涂料选择、铬铁矿砂用量及挂砂冷铁的形状和砂层厚度等，为了控制铸件表面质量，减少粘砂，采用高品位涂料，增加涂料耐火度，并在厚大部位加铬铁矿砂，减少钢水对砂型局部烧蚀，产生化学粘砂，同时采用挂砂冷铁，强化钢水冷却速度同时，在铸件表面不留冷铁痕迹。

下面结合附图及实施例详述本发明。

如图1所示，核主泵壳体铸造工艺，采用上下分型，垂直下芯的总体造型工艺。型腔2与砂芯3分开造型，型腔2顶部厚大部位设置明冒口1。采用实体模具进行造型，在模型上将铸件厚大部位做上标记，并且画出冷铁的准确位置。采用树脂砂造型，在有冷铁位置先铺上15～20mm厚型砂，再将冷铁依次随铸件外形摆放，冷铁间距离20～30mm。砂型硬化后，起出实样，检查砂型质量，确认冷铁表面砂子强度，并且修理砂型表面，使其平整光滑。

选用锆英粉醇基涂料，采用三次涂刷工艺，每涂一次，点燃，清理，再涂下一次。涂料涂刷均匀，并且用热风进行表面烘干，去除潮气。采用酒精调整涂料粘稠度，每次涂刷厚度在0.2～0.3mm范围内。

利用芯盒模具，制造核主泵壳体型芯，针对铸件厚大部位，在型芯相应位置上增加铬铁矿砂用量，芯砂硬化后，打开芯盒。检查芯砂紧实成度，芯砂紧实良好情况下，修理表面，并按上述涂刷工艺涂锆英粉涂料，厚度为0.6～0.7mm。

按工艺组装图1所示，进行组芯，合箱，安放浇口杯。

实施例1

本实施例中，试生产核主泵壳体铸件，材质CF8A，重量42000kg，浇注温度1530℃，充型时间120s。

如图1所示，本实施例中的核主泵壳体铸造工艺方案如下：

1)利用LF炉和VOD炉进行钢水精炼，采用氩气保护进行浇注，并在型腔中通入氩气进行型腔内气体置换。浇注过程，利用底漏包浇注，保持钢水连续快速浇注，避免产生断流和飞溅。

2)按工艺总图进行造型，首先造砂型外型，外型砂型造完后，表面涂刷涂料。涂料厚度0.7mm厚，分三次涂刷。每刷一次之后，用火点燃，等涂料充分燃烧后，用砂纸将型腔表面轻轻打一遍，打平后，再涂第二遍，同样处理后，再涂第三遍，使表面在涂刷后保持平整，最后用热风炉烘干型腔。

3)采用制芯通用工艺，制造型芯。并且，针对铸件厚大部位，放铬铁矿砂，铬铁矿砂厚度为35～50mm，并且在型芯硬化后，涂刷锆英粉耐火涂料，涂料厚度为0.7mm。

4)如图2所示，选用随形挂砂冷铁，冷铁4表面开有截面为5×5mm的沟槽5，冷铁表面覆砂层厚度12～15mm，冷铁直径厚度120～200mm，冷铁随形摆放，冷铁之间距离10～15mm。

如图1所示，根据核主泵壳体铸件的结构，设计总体摆放方法和数量，在铸件厚大部位摆放冷铁，用挂砂冷铁强化厚大部位冷却。其中，冷铁4在壳体型腔2内的总体摆放方法和数量如下：在壳体出口接管下半部分的垂直对称面两侧的内外表面各摆放两行冷铁、均布，在出口接管的侧面上放置一块冷铁。在壳体主体凸台上侧的内外表面各放置一圈冷铁，冷铁均布，在三个凸台上各放置一块冷铁。

5)铸件打箱后，用气割方法去除冒口。去除时，分步进行，气割时留10mm余量，再用电弧气刨清理。最后采用砂轮磨削方法清理，打磨平整为止。

6)快速入水热处理工艺，热处理采用台车热处理窑。准备吊具，铸件出来后，迅速入水，完成固溶处理。如图3所示，铸件经过固溶处理后，没有裂纹等缺陷。

实施例2

本实施例中，试生产核主泵壳体铸件，材质CF8A，重量41500kg，充型时间115s，浇注温度1540℃。

如图1所示，本实施例中的核主泵壳体铸造工艺方案如下：

1)电弧炉钢水，采用控氧纯净化技术进行钢水精炼，采用氩气保护进行浇注，并在型腔中通入氩气进行型腔内气体置换。浇注过程，利用底漏包浇注，保持钢水连续快速浇注，避免产生断流和飞溅。

2)按工艺总图进行造型，首先造砂型外型，外型砂型造完成后，表面涂刷涂料。涂料厚度0.8mm厚，分三次涂刷。每刷一次之后，用火点燃，等涂料充分燃烧后，用砂纸将型腔表面轻轻打一遍，打平后，再涂第二遍，同样处理后，再涂第三遍，使表面在涂刷后保持平整，最后用热风炉烘干型腔。

3)采用制芯通用工艺，制造型芯。并且针对铸件厚大部位，放铬铁矿砂，铬铁矿砂厚度为30～40mm，并且在型芯硬化后，涂刷锆英粉耐火涂料。涂料厚度为0.8mm。

4)如图2所示，选用随形挂砂冷铁，冷铁4表面开有截面为5×5mm的沟槽5，冷铁表面覆砂层厚度10～15mm，冷铁厚度为110～190mm，冷铁随形摆放，冷铁之间距离15～25mm。

如图1所示，根据核主泵壳体铸件的结构，设计总体摆放方法和数量，在铸件厚大部位摆放冷铁，用挂砂冷铁强化厚大部位冷却。其中，冷铁4在壳体型腔2内的总体摆放方法和数量如下：在壳体出口接管下半部分的垂直对称面两侧的内外表面各摆放两行冷铁、均布，在出口接管的侧面上放置一块冷铁。在壳体主体凸台上侧的内外表面各放置一圈冷铁，冷铁均布，在三个凸台上各放置一块冷铁。

5)铸件打箱后，用气割方法去除冒口。去除时，分步进行，气割时留10mm余量，再用电弧气刨清理。最后采用砂轮磨削方法清理，打磨平整为止。

6)快速入水热处理工艺，热处理采用台车热处理窑。准备吊具，铸件出来后，迅速入水，完成固溶处理。如图4所示，铸件经过固溶处理后，没有裂纹等缺陷。

本发明工作过程及结果如下：

由于本发明工艺方案重点在选材及工艺细节处理上，所采取的各项措施都起到相应的作用。1)采用多道次涂料涂刷艺，使型腔表面更光滑，不容易起皮脱落，并进行充分干燥，减少铸件表面气孔或夹渣。2)采用高品位铬铁矿砂，在铸件厚大部位进行应用，并且根据铸件散热条件，在铸件拐角处增加铬矿砂厚度，使铸件内拐角不产生粘砂缺陷。3)采用挂砂随形冷铁，加快铸件冷却速度，细化铸件组织的同时，也使铸件表面激冷层加厚，并且在冷铁前面挂砂，使冷铁不与金属液直接接触，减少气孔和冷隔等缺陷。4)采用分级处理铸件浇口冒口的工艺方法，在冒口去除过程中，减少铸件表面残余应力，使铸件表面不出现微裂纹等缺陷。5)在对铸件进行焊补等缺陷修复时，注意热影响区对铸件质量的影响，尽量采用分断分层进行的方法，并且在核主泵壳体表面修复时，及时进行热处理。

所有工艺方法，都有效抑制铸件表面缺陷的产生，保证铸件表面质量，使铸件服役时，更不容易产生点状腐蚀等缺陷，延长其使用寿命。

比较例

核主泵壳体铸件，壁厚较大，最大处超过400mm，以往也有企业进行过试制，但由于采用的涂料耐火度不高和涂刷工艺不当，经常有大面积表面缺陷，修补难度很大，并且也不符合设计者的要求。采用冷铁激冷处理厚大部位，有的企业采用冷铁结构不正确，没有采用分体式随形冷铁，冷铁尺寸大，冷铁下方产生的气体不能顺利排出，容易产生表面或次表面气孔，影响表面质量，另外，冷铁的材质也选择不正确，有人采用碳钢材料作为冷铁，结果冷铁本身容易变形，不利于重复利用，并且导热能力差，冷却效果不好。而采用灰铸铁冷铁，冷铁导热能力强，可以起到较好的激冷作用。最后，在补焊处理时，本方要求在200～350℃补焊，有的企业没有充分预热，结果焊后表面有微裂纹，不容易处理掉，影响铸件表面质量。

实施例结果表明，本发明针对核主泵的结构特点和合金特点，采用锆英粉耐火涂料，采用铬矿砂加大冷却速度，用挂砂冷铁强化厚大部位冷却，使合金钢凝固速度加快，细化晶粒，并且保证表面不出现裂纹等严重缺陷，减少气孔、夹杂等点状大面积缺陷出现，提高铸件表面质量。

Claims (6)

1.一种核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，利用砂型铸造方法造型，采用铬铁矿砂和锆英粉涂料，利用挂砂随形冷铁，采用正确的冒口去除工艺及表面处理，并且用合理补焊工艺进行表面缺陷修补，确保铸件表面质量及机械加工后的表面质量。

2.按照权利要求1所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，铬铁矿砂为高纯度铬铁矿砂，其中：二氧化硅SiO₂的含量不超过1wt％，粒度为30～50目，Cr₂O₃≥45wt％，CaO≤1wt％，灼减量≤1wt％，耐火度1600～1800℃；并且铬矿砂使用中，采用低硅粘结剂酯硬化水玻璃，在保证粘结强度下加入量不超过3wt％。

3.按照权利要求1所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，锆英粉涂料中，采用锆英粉含量高，耐火度高的材料，按重量百分比计，ZrO₂>65％、SiO₂<33％、TiO₂<0.4％、Fe₂O₃<0.5％、P₂O₅<0.5％、Al₂O₃<0.3％；耐火度达到2400℃以上；涂料采用醇基涂料，采用2～4次涂刷工艺，每涂一次，点燃，清理，再涂下一次。

4.按照权利要求1所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，利用挂砂冷铁强化冷却，冷铁表面挂砂层厚度10～20mm，冷铁材料为铸铁HT200，冷铁表面开设为4～6mm×4～6mm的沟槽；冷铁采用正方体或长方体，厚度为100～200mm；冷铁在使用前进行吹砂处理，并且进干燥窑进行干燥处理。

5.按照权利要求1所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，采用正确的冒口去除工艺，采用三步法去除冒口，先用火焰切割，去除冒口，冒口根部留10mm高余量，再有电弧气刨去除，余1.5～3mm余量，最后用砂轮打磨。

6.按照权利要求1所述的核主泵壳体铸造过程中表面缺陷的控制方法，其特征在于，采用合理补焊工艺，材料补焊时需要预热到250～300℃，小电流补焊，焊后打磨，表面探伤合格后进行热处理。