Знание - Sanxin

Вътрешната цилиндрична отливка на парната турбина има голяма дебелина на стената и тесен паропровод във вътрешната кухина, което е предразположено към залепване на пясък. Причините за дефектите в порьозността от свиване в първоначалния процес на леене бяха анализирани и процесът на втвърдяване беше симулиран с помощта на софтуера MAGMA. Планът за процес на леене беше оптимизиран целенасочено. След производствена проверка на оптимизирания процес на леене, качеството на отливката беше добро и отговаряше на техническите изисквания. В сравнение с първоначалния план, добивът на процеса на леене се увеличи с близо 20%.

 

Като едно от основните съоръжения в топлоелектрическите централи, фокусът на развитието на индустрията за парни турбини е върху това как да се подобри топлинната ефективност на паротурбинните агрегати. Подобряването на топлинната ефективност е тясно свързано с температурата на основната пара и парата за повторно подгряване. Когато температурата на основната пара и парата за повторно подгряване се повиши от 580 ℃ до 620 ℃, топлинната ефективност може да се увеличи с около 4% до 6%. През петте години, от 2013 до 2018 г., ултрасвръхкритичните агрегати с температура 620 ℃ се развиха бързо. Въпреки това, с непрекъснатото подобряване на изискванията за опазване на околната среда и енергоспестяване, топлоелектрически агрегати по целия свят започнаха да се стремят към ефективни, чисти и нискоемисионни технологии за производство на електроенергия. Материалът CB2, който има отлична топлопроводимост, нисък коефициент на термично разширение, добра устойчивост на междукристална корозия и корозия под напрежение, постепенно замени традиционната 12%Cr мартензитна топлоустойчива стомана и се превърна в предпочитан материал за големи ключови части от лята стомана на ултрасвръхкритичните парни турбини от второ поколение [1-2].

 

Въпреки това, в момента, големите стоманени части от лята стомана, изработени от материал CB2, като например всмукателни цилиндри за високо налягане, вътрешни цилиндри за средно налягане и корпуси на главни регулиращи клапани за пара, все още имат проблеми, като например нестабилен контрол на качеството на отливките. В тази статия се анализират причините за дефектите от свиваема порьозност в оригиналния процес на леене на вътрешния цилиндър за средно налягане от CB2, използва се методът на леене със стенни субсидии и стенни повдигачи, за да се решат проблемите със свиваемата порьозност на Т-образната платформа и отворите на тръбите, прогнозира се качеството му чрез технология за числено симулиране и се проверява чрез реално производство. Накрая се получават квалифицирани продукти, постигайки целта за подобряване на качеството и намаляване на разходите [3-4].

 

1 Структурни характеристики и технически изисквания на вътрешния цилиндър със средно налягане

1.1 Структурен анализ

Специфичната структура на вътрешния цилиндър с междинно налягане е показана на Фигура 1. Размерите му са 2,420 мм × 1,674 мм × 1,268 мм. Нетното тегло на горната половина е 8,430 кг, а на долната половина - 8,570 кг. Максималната дебелина на стената е 300 мм, а минималната дебелина на стената е 85 мм. Има много вътрешни пръстеновидни ленти с различни радиуси, което затруднява контрола. Общите изисквания за качество са строги.

 

1.2 Анализ на материалите

Материалът на вътрешния цилиндър със средно налягане е ZG13Cr9Mo2Co1VNbNB-Ⅱ, съкратено CB2. Изискванията за химичен състав са показани в Таблица 1. По време на анализа на готовия продукт се изисква анализ на съдържанието на примеси и газове, сред които Cu ≤ 0.10%, As ≤ 0.025%, Sb ≤ 0.001%, H ≤ 7×10-6, O ≤ 9×10-5, със строги изисквания.

Изисква се блоковете за изпитване на механични свойства да бъдат отливани интегрално с основното тяло и не трябва да се отделят от него по време на процеса на термична обработка. След термична обработка, блоковете за изпитване се изрязват и се преработват в проби за изпитване на механични свойства. Изискванията за индикаторите са показани в Таблица 2. Освен това, якостта на пълзене при висока температура при 650 ℃ и 125 N/mm² трябва да бъде по-голяма от 100 часа.

 

1.3 Неразрушителен контрол

100% UT за вътрешния цилиндър със средно налягане, като фланците и зоните за преминаване на пара са приети на ниво 1. Чувствителност на изпитването: Φ2.4 мм за обработени повърхности и Φ4 мм за грапави повърхности; MT за всички повърхности на вътрешния цилиндър със средно налягане.

 

2. Анализ на техническите предизвикателства при вътрешния цилиндър със средно налягане

2.1 Анализ на материалите

Плътността на материала CB2 е 7.8 g/cm³, с температура на солидус от 1,482 ℃ и температура на ликвидус от 1,510 ℃. Той има сложен химичен състав с много легиращи елементи, включително замърсяващи елементи като Co, лесно окисляващи се елементи като B и N, и тесен диапазон от необходимия състав. Въпреки високата си якост на пълзене и термична устойчивост, разтопената стомана има лоша течливост и силно високотемпературно окисление, което я прави склонна към дефекти от шлакови включения. Освен това, горещите точки на долната Т-образна платформа, позицията на езика, фланеца на средната част и пресечната точка на парните канали са разпръснати и изолирани, което затруднява постигането на самозахранване. Материалът съдържа относително високо количество V, което увеличава склонността към напукване. Основният вид пукнатини е студеното напукване, така че е необходимо предварително нагряване за газово рязане, рязане с въглеродна дъга и заваряване, с температура на предварително нагряване ≥ 300 ℃.

Изисквания за термична обработка на отливката: температура на нормализиране ≥ 1,040 ℃ и крайна температура на облекчаване на напрежението или окончателно отпускане ≥ 730 ℃. Микроструктурата при стайна температура след термична обработка е летвен мартензит. Някои данни показват, че ако има много дефекти в отливката, многократните процеси на отпускане, причинени от последващо ремонтно заваряване, ще доведат до значително намаляване на твърдостта и ще затруднят спазването на техническите изисквания за якост [5]. Следователно, разумният дизайн на процеса на леене не само избягва необходимостта от ремонтно заваряване за дефекти, но и осигурява адекватен запас от якост.

2.2 Структурен анализ

(1) Вътрешният цилиндър със средно налягане като цяло е приблизително във формата на буквата "C", с дебели фланцови стени и малки вариации в дебелината на стените в позициите на парните канали, предимно еднакви при 85 mm, както е показано на Фигура 2. Тази структура е с почти същия геометричен модул, с голяма разлика в градиентите на подаване. По време на втвърдяване е трудно да се постигне самозахранване и последователно втвърдяване, което го прави склонен към порьозност от аксиално свиване.

(2) Отворът на паропровода (включително припуска за машинна обработка) е само около 104 мм. След изливане на отливката, пясъчната сърцевина на паропровода е изцяло обградена от разтопена стомана, с лошо отвеждане на отработените газове и трудно охлаждане, което е много вероятно да причини залепване на пясък или дори синтероване, което прави невъзможно отстраняването му. В същото време, профилът на напречното сечение на вътрешната кухина на паропровода варира в зависимост от ъгъла на напречното сечение, а структурата на паропровода е сравнително сложна и затворена. Операциите по поставяне и спускане на сърцевината са доста сложни и пясъчната сърцевина не се фиксира лесно по време на процеса на спускане, което е много вероятно да доведе до отклонение на сърцевината. Също така е много трудно да се провери размерът на кухината.

 

3. Проектиране на процес на леене и числено симулиране на вътрешен цилиндър със средно налягане

Материалът CB2 е специален с висока чувствителност към пукнатини. За да се избегне мащабен ремонт чрез заваряване и да се предотврати образуването и разпространението на пукнатини, както и като се имат предвид строгите изисквания за качество на повърхността и вътрешното качество, литниковата система трябва да се постави върху обработваната повърхност по време на проектирането на процеса на леене. Премахването на корена на повдигащия елемент чрез машинна обработка е полезно за предотвратяване на образуването на пукнатини. Освен това, трябва да се използват методи за числено симулиране, за да се провери рационалността на процеса на леене и да се намалят дефектите, като по този начин се избегнат проблеми с пукнатини, причинени от отстраняването на дефекти и ремонта чрез заваряване.

3.1 Проектиране на схема на леярски процес

Позицията на разделителната повърхност в проекта за леене определя точността на размерите и ефективността на формоване на отливката [6-7]. Фланцовата повърхност на вътрешния цилиндър със средно налягане е позицията с максимална дебелина на стената, а също и повърхността за обработка. Използвайки я като разделителна повърхност, схемата за леене е проектирана с отливката, обърната надолу. Това не само улеснява подаването на дебели и големи горещи точки, но и улеснява отрязването на повдигащите елементи. В същото време цялата отливка е разположена в долната кутия, което е удобно за формоване и затваряне на кутията.

Моделът е изграден с помощта на UG софтуер и е импортиран в симулационния софтуер MAGMA. Броят на деленията на мрежата е 20 милиона. Симулацията на втвърдяване е проведена директно върху отливката без повдигачи, а резултатите от симулацията на кухини от свиване са показани на Фигура 3. Позициите на кухините от свиване са концентрирани главно в седалката на клапана, езика, Т-образната платформа и др.

 

Въз основа на местоположението на кухините за свиване, планът за леене се проектира, както следва: (1) Приема се методът на закръгляване и в горната част на фланеца се проектира повдигач, следващ формата. Двойното въздействие на атмосферното налягане и собственото тегло на повдигача се използва за подобряване на капацитета на отливката за подаване на стоманена течност. Освен това, под повдигача се добавя изкуствено захранване, за да се захранва фланецът и основното тяло на отливката. (2) Към външната повърхност на парохода се добавят дълги лентови захранвания, за да се захранва долната част на парохода. (3) Над отвора на парохода се използва сляп повдигач, за да се захранва езичето. (4) Вътре в парохода се използва сляп повдигач, за да се захранва Т-образната позиция на платформата, а от външната страна се поставя външен студен желязо с разумна дебелина. (5) За зониране се използват различни спецификации на външни студени желязота, които се комбинират със слепи и отворени повдигачи за захранване.

 

По отношение на методите на формоване се използва методът на формоване „основна форма + окачване на сърцевината“. Не е необходимо основната кухина на формата да изработва други кутии за сърцевини и не е необходимо да се задава ъгъл на наклон. За отделни структури, които влияят на повдигането на формата, се използва комбинация от пяна и жив материал, за да се постигне интегрирано отливане на пясъчната сърцевина на вътрешната кухина и да се подобри точността на размерите на пясъчната форма. Крайният план за процеса на леене е показан на Фигура 4.

 

3.2 Числено симулиране на процеса на леене

Структурата на тази отливка е сложна. Софтуерът MAGMA е използван за симулиране на температурното поле и кухините за свиване по време на процеса на втвърдяване на отливката, за да се провери осъществимостта на дизайна на процеса на леене, да се намали рискът от дефекти в действителния производствен процес и да се осигури ефективна поддръжка на данни за оптимизация на процеса. Компонентите в модела на процеса на леене са конвертирани в STL файлове и импортирани в софтуера MAGMA последователно за изграждане на мрежа, с количество мрежи от 20 милиона. Резултатите от симулацията са показани на Фигура 5. Вижда се, че няма дефекти в кухините за свиване в тялото на отливката, а безопасната височина на повдигача е измерена на 80 мм.

 

Резултатите от симулацията на порьозност при свиване показват, че над отвора на тръбата и в позицията на Т-образната платформа има голяма зона с концентрация на блокова порьозност от свиване. Съгласно изискванията за безразрушителен контрол, изискванията за качество на фланците и зоната за преминаване на пара са строги и се приемат на ниво 1. Такива резултати от симулацията на порьозност при свиване определено ще повлияят на качеството на продукта. Анализирайки причините, въпреки че е добавена изкуствена субсидия в долната част на цилиндъра, поради дебелата Т-образна платформа, промяната в дебелината на стената е голяма и изолираната гореща точка тук не е напълно елиминирана. От друга страна, поради структурата на самия цилиндър, слепият щранг не може да бъде разположен директно над отвора на тръбата и за да се избегне термичното влияние на слепия щранг върху зоната на фланеца, той трябва да бъде изместен далеч от отвора на тръбата на цилиндъра, което увеличава разстоянието за подаване и значително намалява ефекта на подаване на слепия щранг.

 

3.3 Оптимизация на схемата на леярския процес

Оптимизираната схема използва схема със стенна субсидия и стенен щранг. Както е показано на Фигура 6, „стенна субсидия“ близо до вътрешната стена на кухината е разположена в пръстеновидната лента на цилиндъра, с щранг, разположен над нея, за да концентрира горещата точка. Отвореният щранг захранва цялата част през стенната субсидия и тази „D-образна“ субсидия действа като ребро на вътрешната кухина, предотвратявайки деформация. Добавени са изкуствени субсидии от двете страни на външната стена на вътрешния цилиндър, за да се образува захранващ канал за Т-образната платформа. В сравнение с първоначалната схема, разстоянието на захранващия канал е по-късо и ефектът е по-очевиден. Добавена е субсидия между фланеца и отвора на тръбата, за да се образува захранващ канал. За зоната с равномерна дебелина на стената на вътрешния парен проход на цилиндъра, където съществува разлика в градиента на захранване, е проектирана изкуствена конформна субсидия, използвайки метода на търкалящия се кръг. Студеното желязо е разположено от външната страна на паропровода. Комбинираното използване на субсидии, щрангове и студено желязо образува отделни захранващи канали за захранване на разпръснатите и независими горещи точки на цилиндъра, като ефективно се избягват дефектите на Т-образната платформа и отвора на тръбата в първоначалната схема. Освен това, в зоната на прехода на филета между външната страна на паропровода и основното тяло на отливката е поставено ребро, за да се контролира образуването на пукнатини.

 

--------------------------------------

 

 

Резултатите от симулацията на оптимизирания план за процес са показани на Фигура 7. Всички кухини от свиване съществуват в стенните охлаждащи тръби и щрангове и са далеч от позицията на пръстеновидната лента. В отливката няма дефекти от кухини от свиване. Резултатите от температурното поле показват, че общата тенденция на втвърдяване е последователна и използването на външен охлаждащ агент е дало ефект. От резултатите от симулацията на порьозност при свиване, няма големи блокови порьозности при свиване, както в първоначалния план за процес на леене. Повечето от тях са неплътни точковидни порьозности при свиване, които могат да бъдат пренебрегнати в реалното производство.

 

4 ключови контролни точки в производствения процес на вътрешния цилиндър със средно налягане

4.1 Металургични аспекти

Металургичният процес е „грубо рафиниране в електрическа пещ + LF рафиниране + VD вакуумно рафиниране“. Химичният състав се контролира съгласно Таблица 1. Елементи като V, Nb и Cr в разтопената стомана могат да образуват стабилни нитриди с N. Техният афинитет към кислорода обаче е по-голям от този към N. Освен това, B има силен афинитет към O. Следователно, за да се увеличи разтворимостта на N в разтопената стомана и да се контролира съдържанието на B, е необходимо стриктно дезоксидиране. Поради стриктния контрол на съдържанието на Al, Al се използва като краен дезоксидатор в подходящи количества, което може да контролира O, като същевременно подобрява добива на сплав. Разтопената стомана тежи 23 500 kg, а температурата на изливане е от 1,580 до 1,590 ℃.

4.2 Аспекти на формоването

Всички повърхности на вътрешния цилиндър със средно налягане трябва да преминат през UT и MT инспекции, особено строги изисквания за качество на безразрушителния контрол в зоната на парохода. След като пароходът е здраво залепен с пясък, това ще окаже значително влияние върху качеството по време на процеса на отстраняване на пясъка. За да се избегне проблемът с адхезията на пясък в парохода, сърцевината на вътрешната кухина се трамбова, като се използва методът на втвърдяване с CO2, комбиниран с нов хромитен пясък Verkote. Сърцевината вътре в сърцевината на парохода е направена чрез заваряване на кухи стоманени тръби, с пробити отвори около стоманените тръби и кухи найлонови въжета, навити от външната страна, което е благоприятно за отделянето на газ. Времето за втвърдяване на пясъчната сърцевина се контролира от времето на впръскване на CO2 газ. Цялостната сърцевина помага за фиксирането на пясъчната сърцевина и предотвратява нейното изплуване. Точността на поставяне на сърцевината се осигурява чрез комбиниране на позициониращата глава на сърцевината с шаблона за инспекция на кухината.

Тъй като покритието, използвано в тази фабрика, е прахово покритие от циркониев силикат на алкохолна основа, за да се избегне образуването на повърхностни пори, кухината и повдигащото покритие за сърцевината се нанасят поне четири пъти. След всяко нанасяне, то трябва да се запали и изсуши добре, преди да се шлайфа за следващия слой.

 

4.3 Процес на изливане и почистване

Използва се система за изливане в един чувал и е проектирана трислойна система за изливане с два вътрешни отвора във всеки слой. Долният слой е с долно връщане, а другите два слоя са със страничен вход. Системата за изливане с долно връщане улеснява плавния и бавен поток и издигане на разтопената стомана, без да причинява силен удар. Поради по-малката дебелина на стената в долната част на формата, повърхността на течността се издига бързо до височината на системата за изливане с страничен вход на втория слой, което може да намали появата на пръски и задържане на газ [8].

 

За да се предотврати окисляването на сплавта по време на процеса на леене, кухината на формата се запълва с аргонов газ 30 минути преди изливане. Концентрацията на кислород в кухината на формата се измерва с преносим кислороден детектор, за да бъде под 5%, а защитата от аргонов газ се поддържа през целия процес на леене с помощта на защитен пръстен за аргонов газ и тръби за продухване на аргонов газ.

 

Въз основа на температурата на ликвидус от 1,510 ℃ за материал CB2 и съответния производствен опит, температурата на изливане е определена на 1,545 до 1,560 ℃. Поради наличието на V в материала, който е склонен към напукване, времето на задържане трябва да бъде стриктно контролирано, за да се избегне напукване, причинено от преждевременно отстраняване на кутията. След оформяне на вдлъбнатината, повдигачът се загрява предварително съгласно специалния процес на рязане на повдигача, след което повдигачът и леятката се режат на горещо и леятката се отстранява. По време на целия процес на рязане температурата на отливката не трябва да пада под 300 ℃.

 

5 Проверка на производството

След процеса на термично консервиране и опаковане, по време на процеса на почистване не е открито синтероване на полепнал пясък в кухината за паропровод на вътрешния цилиндър със средно налягане. Не са открити порьозност от свиване, пукнатини или други дефекти на отливката чрез UT тестване след груба и чиста обработка. Контролът на размерите също отговаря на изискванията на чертежа. След термична обработка, контролът на експлоатационните характеристики е квалифициран и резултатите от теста са показани в Таблица 3. Този продукт отговаря на техническите изисквания, което показва, че оптимизираният процес на леене, като например проектирането на стенния щранг и допустимото подаване, поставянето на студения чугун и мерките против залепване на пясък и отвеждане на отработените газове, са ефективни. Произведената отливка е показана на Фигура 8.

 

Таблица 4 показва сравнението между оптимизираната и първоначалната схема. Прилагането на стенни субсидии и стенни повдигачи не само предотвратява появата на дефекти при отливките, но и намалява теглото на отливката с 5,000 кг. Добивът на отливката се увеличава с близо 20%, а съотношението на нетното тегло към теглото на отливката се подобрява с близо 10%, като по този начин се намаляват производствените разходи.

6 Заключение

(1) Резултатите от симулациите на двата процеса, а именно конформния щранг и стенния щранг, показват, че използването на стенни субсидии и стенни щрангове може по-ефективно да реши проблемите с процеса на леене на вътрешния цилиндър със средно налягане, като например разпръскването на горещи точки и ниската ефективност на захранването с слепия щранг, значително намалявайки появата на порьозност от свиване и кухини от свиване и подобрявайки качеството на продукта от вътрешния цилиндър със средно налягане.

(2) Оптимизацията и подобряването на процеса на леене за вътрешния цилиндър със средно налягане са увеличили добива на отливка с близо 20%, което значително е намалило производствените разходи.

 

Вигор има над 20 години опит и професионален екип в леенето, коването под налягане и процесите на последваща обработка. Ако имате някакви въпроси или продукти, които трябва да направите, моля, не се колебайте да се свържете с нас на info@castings-forging.com