1 前言 我公司引进西门子-西屋公司技术的亚临界600MW汽轮机中，主汽门调节阀壳（以下简称阀壳）是重要部件之一，每台机组有左、右各一只。600MW阀壳与300MW阀壳相比，虽然结构类似，但尺寸更大、壁厚更厚，如仍然采用300MW阀壳的实心铸造工艺生产，则已经超出我公司现有生产设备的负荷，因此就必须采用新的空心铸造工艺。本文主要叙述该主调门阀壳在铸造工艺及生产方面所做的研究工作。
2 铸件结构及铸造难点分析
2.1 零件结构分析
该阀壳主要由一个主汽门和二个调节汽门组成，从结构上可分为汽门和调门两个部分，*大外形尺寸为2542×1528.8×1250mm，除外轮廓的弧形表面外，其余均为加工面。其*大壁厚约350mm，*小壁厚为115mm，结构如图1。
阀壳汽门部分长约1241.7mm，基本系由内腔和外形不同心的两个圆柱和一个进汽口圆柱构成，由于两个圆柱偏心57.2mm，使壁厚形成从216~350mm的过渡。而且汽门主体与进汽口及调门部分采用半径从250mm到450mm的圆弧过渡连接，（即图2中从OA至OE截面），由此产生壁厚的不规则变化。
调门部分长约1300.3mm。主要由二个长轴相互垂直的椭圆（外轮廓）及腰圆（内腔）构成，其中椭圆长轴968mm，短轴854mm，腰圆长轴577.6mm，短轴470mm，壁厚形成从138.2mm~249mm的过渡。调门部分的端面为一个Ф380mm的圆孔，此处原设计为封闭的盲孔，后因其不利于铸造及探伤检测等原因，改为通孔结构。结构如图3。
2.2 零件材料及质量要求
阀壳铸件材料采用ZG15Cr2Mol。设计使用压力为17.5MPa，使用温度为538℃；铸件内部质量要求高，各进（排）汽口、端面、焊接坡口处，探伤要求均为Q.L.0，其余部分为Q.L.5；所有内外表面均需进行磁粉探伤；水压强度试验泵水压35MPa，保持十分钟不渗漏。
3 铸造工艺分析
综上所述，可知本铸件有尺寸大、重量重、形状复杂、热节分散等特点，铸造上有相当大的难度。因此，在铸造工艺设计中必须采取特殊的措施。
3.1 铸件的补缩
铸钢件从液态转变到固态，要发生液态收缩和凝固收缩，其中凝固收缩引起铸件产生缩孔、缩松等缺陷。因此，采用适当的工艺方案，工艺措施使铸件有合理的温度梯度，形成有效的顺序凝固，并利用浇冒口系统对铸件进行补缩是工艺设计的重要内容。
3.1.1 工艺分型面的选择
经过反复研讨，*终确定采用图2中的A-O-E截面为分型面。采用此方案时，坭芯制造相对也比较方便，操作的稳定性较好，但汽门部分的主热节分别处于上、下箱与分型面成45°夹角的位置。需要通过补贴将其引出。而且，由于坭芯支撑点跨度较大，因此，必须增强坭芯芯骨的刚度以减少坭芯在整个铸造过程中产生的变形。
3.1.2 冒口系统设计
铸钢件的冒口补缩是决定铸件内部质量的关键。铸件凝固过程中产生的收缩主要依赖冒口进行补充，因此，冒口的设计是该阀壳铸件工艺设计的关键。
依据我公司铸钢件多年生产的经验，冒口尺寸依照比例法计算，并根据铸件补缩液量进行相应的调整，*后用补缩效率进行验证。
考虑到铸件的结构特点及热节分布情况，决定采用四只冒口的补缩形式。
3.1.3补贴、冷铁的应用
为使铸件的补缩渠道畅通，让铸件形成向冒口方向的顺序凝固，采取补贴与冷铁相结合的辅助措施。首先用补贴将铸件各个的热节引至冒口；其次在铸件的底部放置若干成型冷铁，以促使铸件*底部首先凝固，形成一定的末端效应，提高冒口的补缩能力，同时也清楚地划分了各冒口的补缩范围。另外，对于各处探伤要求较高的端面，为保证质量，也相应放置了一些冷铁以加快这些部位的凝固。
该阀壳铸件主壁与邻壁的交界多，壁厚相差较大，为防止热裂等缺陷的产生，于每个交界处均设置了拉筋与冷铁。
同时，为保证冷铁放置处的激冷效果及铸件表面形状，对各冷铁进行编号，并根据放置部位铸件的实际形状做出专用成型冷铁。
3.1.4 浇注系统设计
浇注系统是钢水从钢包进入铸件型腔的通道。合理的浇注系统应满足以下的要求。
•保证铸件有适宜的凝固顺序；
•使钢水平稳充型，并有适当的上升速度；
•结构简单，尺寸恰当，减少钢水消耗。
（1）浇注系统形式
浇注系统设计使钢水先从铸件底部及分型面处充人铸件型腔，当液面升至冒口底部时再改从冲冒口浇口充冒口，并在冒口结束后于冒口顶部放置发热剂，使冒口中的液态金属*后凝固，确保铸件自下而上形成顺序凝固。
（2） 浇注系统参数
对于毛重超过15000kg的铸钢件，钢水在型腔中的上升速度一般应大于8mm/s。该阀壳铸件，砂模型腔的高度达2107mm，其中冒口高度约为875mm。结合具体生产条件，确定采用双包四眼浇注，所有浇道选用Ф70mm的火砖管。实际钢水上升速度约为10mm/s，符合理论要求。
3.2 坭芯的散热及定位
3.2.1材质
由于该阀壳铸件坭芯比较细长，且浇注及凝固过程中几乎完全处于高温金属的包围之中，因此对坭芯的耐热性、退让性、溃散性都提出了更高的要求。
为适应阀壳铸造的要求，公司型砂工艺人员开发了新型酯硬化酚醛树脂铬矿砂，并在其它铸件中作了有效的试验，证明树脂砂具有优于玻璃砂的溃散性，从而解决了坭芯的耐热及出砂问题。
3.2.2 散热处理
由上述分析可知，该铸件坭芯的散热条件极为恶劣，而且由于铸件孔径较小，一旦内腔形成夹砂、粘砂等缺陷，以后的清理难度相当大。因此，必须采取有效措施加快坭芯的散热，尤其是坭芯表面的散热。采取的措施有：
（1）制造坭芯时表面均匀铺设一层厚度约15~20mm 的铬矿砂，利用铬矿砂良好的导热性促使坭芯周围的钢水首先凝固。
（2）对于调门部分的四个通孔作相应的处理，铸没其中较细长的两个，保留另外两个。同时为防止铸没的通孔处热量过于集中，放置了内冷铁。
（3）针对坭芯，采用在内部放置通风管道，在铸件冷却过程中，通人压缩空气带走坭芯产生的热量，加速其冷却，避免坭芯局部过热，在铸件中产生夹砂、粘砂等致命缺陷。实际测量结果显示，通入的压缩空气温度仅15℃，而从远端出来的压缩空气温度*高达500℃，因此证明采取这一措施，有效地加快了坭芯的散热。
（4）适当降低铸件浇注温度。
3.2.3 定位
采取以下一系列措施，以增加坭芯配箱时的稳定性和准确性：
（1）将一般工艺设计中采用的圆坭芯头改为下半载面梯形、上半圆形的坭芯头，使坭芯头与外模的接触由线接触变成面接触，增加了其稳定性。
（2）造型时，各芯头支撑面放置硬撑，以减少支撑面处的变形。
（3）适当增加坭芯芯骨的截面尺寸，增加上下坭芯装配的焊接点，从而有效地增强了坭芯的刚度。
3.3 防止气孔的产生
铸件气孔的来源主要有三个方面，液态金属的含气、造型材料的发气、充型时卷入的空气。
（1）为净化钢水，在现有的条件下，对出炉的钢水在钢包内进行吹氩。
（2）为减少型砂中的残余水发，对外模进行适当地烘烤。
（3）为避免充型时卷入的空气，阀壳浇注系统设计为多层阶梯形浇道，使钢水平稳充。
（4）为减少铸件型腔中水蒸汽的残留量，采取一定措施，做到热模、热配、热浇。
4 凝固模拟
为了验证工艺的合理性，我们用清华大学CIFT实验室开发的FT-STAR3.02真三维凝固模拟软件进行凝固温度场的模拟及缩孔、疏松的预测。
4.1凝固过程中温度分布
4.2 缩孔、缩松的预测
图7、图8中白色部分即为缩孔、缩松位置。
4.3 计算结果分析：对本铸件进行忽略浇注系统的简化计算
4.3.1 计算参数
铸件：ZGl5Cr2Mol
砂型：Silica
冷铁：ZG25
坭芯：铬矿砂
网格步长：20*20*20
铸件单元数：441765
总计算单元数：2014371
浇注温度：1560℃
室温：20℃
4.3.2 计算时间及凝固时间
计算时间：48小时
凝固时间：约780分钟
4.3.3 本例的缩孔、疏松预测结果显示
缩孔集中的冒口中，吊攀内有微量缩松，铸件内部无缩孔、缩松，说明模拟件的工艺是合理的、成功的。
5 铸件质量情况
试制生产的一台套两只阀壳、毛坯分别于1997年5月、1997年12月铸出，铸件编号分别为35201、39651。清理后，两铸件肉眼检查内腔表面光洁，轮廓清晰，无明显缺陷。后经材质成分分析、机械性能试验、磁粉及超声波探伤、泵水试验等检验，各项指标均达到设计要求。铸件化学成分及机械性能见表1、表2。
表1
铸刚牌号 | 化学成分% |
C | Mn | Si | Cr | Mo | S | P | Ni | Cu | Al |
规范要求 | ≤0.18 | 0.40-0.70 | ≤0.60 | 2.00~2.75 | 0.90-1.20 | ≤0.04 | ≤0.04 | ≤0.30 | ≤0.30 | ≤0.025 |
35201 | 0.12 | 0.58 | 0.41 | 2.32 | 1.00 | 0.01 | 0.013 | 0.11 | 0.10 | 0.02 |
39651 | 0.16 | 0.50 | 0.35 | 2.24 | 0.99 | 0.01 | 0.016 | 0.09 | 0.13 | 0.012 |
表2
铸件编号 | 屈服强度σ0.2（N/mm2） | 抗拉强度σb（N/mm2） | 伸长率δ4（%） | 断面收缩率ф（%） |
规范要求 | ≥274 | 485-660 | ≥20 | ≥35 |
35201 | 380 | 547 | 29 | 72.3 |
39651 | 500 | 652 | 26.4 | 70.7 |
5.1 铸件无损探伤
阀壳铸件外表面经打磨、抛丸处理后进行磁粉探伤及傲超声波，未发现有超标的缺陷。内腔表面粗加工后进行着色渗透探伤，发现有少许点状气孔，经处理后全部符合标准要求。
5.2 泵水试验
由于该阀壳属高温耐压部套，因此使用前必须通过泵水试验来检验其耐压能力。阀壳泵水试验采用内部充水法，均未发生渗漏现象。
6 结论
600MW阀壳铸件的铸造生产经实践证明其工艺是合理可行的，完成了预期目标要求，取得了令人满意的效果，为我公司今后生产类似大型汽轮机阀壳提供了宝贵的成功经验，也为我公司节约了大量的外汇。