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1O00MW核电站主管道90°弯头的铸造工艺及造型材料

日期:2019-02-23来源:苏州市铸造协会

 1O00MW核电站主管道90°弯头的铸造工艺及造型材料优化

徐荣法  马晓锋  华静燕
(苏州兴业材料科技股份有限公司 215151)
 
    摘  要:本文介绍了核电站主管道90°弯头超低碳Cr—Ni不锈钢铸件的铸造工艺以及试生产过程中所采取的新技术措施,成功生产出合格核电铸钢件。
    关键词:核电站主管道 90°弯头 超低碳不锈钢  氩气保护 碱性酚醛树脂砂 铬矿砂 白刚玉粉涂料 发热保温冒口 发热覆盖剂
 
    1. 前言
    上世纪90年代我国核电站核岛关键部件核安全一级主管道均依靠国外进口,秦山一期、援助巴基斯坦的恰希玛核电厂和广东岭澳核电站中的主管道(直管、弯管)都由法国玛努澳铸造冶炼厂生产,直管采用离心铸造,弯管采用砂型铸造。要发展我国核电事业,使核电生产整体成本大幅度降低,主管道国产化工作迫在眉睫。上海某厂于上世纪九十年代末开始对1O00MW核电站主管道中最大弯头的砂型铸造技术攻关,经过一年的努力,成功地完成了我国首件核安全一级90°弯头铸件的研制,铸件质量全面通过国家核安全局鉴定。
    2013年江苏某铸造公司拟添置炉外精炼炉生产高端铸钢件,请求支援,我们采用新技术、新材料为该公司提供了全套技术解决方案,生产的超低碳Cr—Ni不锈钢90°弯头铸件组织致密,工艺安全可靠。化学成分、铁素体含量、力学性能及金相等各项目检测结果均符合RCCM和ASME的相关规定。
    2. 主管道90°弯头铸件的技术条件
        核电站主管道90弯头铸件的外型尺寸如左图所示,弯头中心半径为1450mm,中间最大壁厚为106mm,出入口内径为778mm,壁厚为88mm,铸件重为5.7t。
    化学成份和固溶后机械性能如表1、表2所示。
表1 Z3CN20-09M 钢化学成份(%)

法国牌号

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Cu

Co

Z3CN20-09M

≤0.04

1.50

≤1.50

<0.025

<0.035

18.00~21.00

8.00~11.00

1.00

0.20

 
表2 弯头铸件机械性能要求

试验温度℃

σ0.2 (MPa)

σb (MPa)

δ5

Ak(J)

室温

≤2l0

≤480

≤35

≤50.0

343

≤12O

 

 

 

    90°弯头铸件经100%体积射线探伤,铸件两端出入口75mm长度体积内必须达到I级,其余部位达到Ⅱ级要求以上。
    3 铸造工艺
    90°弯头铸件采用水平浇注.中间分型。由于砂芯自重较大,为避免落芯和浇注时砂芯下垂.工艺上用加长芯头,增强芯骨刚度等措施来稳定砂芯。           
    90°弯头铸钢工艺编制后利用凝固过程计算机数值模拟方法进行验证,根据该铸件工艺及结构情况,选取最后凝固的侧暗冒口和顶冒口二个截面进行凝固过程模拟,模拟显示了在不同凝固时间两相区域,最后凝固均位于冒口区域中,表明该铸件补缩良好。
    3.1浇注系统
    弯头为厚壁大型超低碳铬镍不锈钢铸件,质量要求高,因此铸造工艺中浇注系统设计至关重要。为了使铸件达到顺序凝固,分散内浇口,以减少热节,同时内浇口入口处基本保持在同一水平面,以保证同一层面钢液温度一致。为防止超低碳不锈钢在浇注和充型过程中形成的Cr2O3、CrO氧化膜与紊流、对流引起的气体一起被卷入金属流形成二次夹杂,在弯头铸型中采用大截面流道,多个浇道来加强钢液平稳上升,减少氧化膜形成和充型时钢水的对流和飞溅。按照大孔出流理论和有关公式,计算了各组元浇道尺寸。
    3.1.1 浇注时间;
    铸件浇注时间用下式来表达
    t=S√G  (1)
    式中:S一系数,快速浇注时取0.65
    G一铸件质量,kg
    t一浇注时间,s
    将G一5700kg代入(1)式,得t=49s。
    3.1.2 浇注上升速度:
    V=H/t             (2)
    式中:V一液面上升速度,mm/s
    H一浇注状态下铸件垂直高度,mm
    由于弯头为水平浇注,将铸件外径尺寸代入(2)式,得V=20mm/s,远大于极限上升速度8mm/s。
    3.1.3 采用开放式浇注系统,在编制工艺时选用双孔包,水口直径ф60,直浇道ф9O,横浇道ф70两道,内浇道ф70四道。 各浇道截面比为ΣF直:ΣF横:ΣF内=1:1.21:2.42。为进一步提高不锈钢液上升充型速度,保证已形成非金属夹杂物能及时上浮至明冒口排除,按上述各组元截面尺寸设计成两个并列独立的浇注系统,采用双孔钢包浇注铸件,每一孔对应一个独立浇注系统。浇注系统均用高铝质的材料制作。
    3.2补缩工艺
    3.2.1发热保温冒口
    超低碳铬镍不锈钢体收缩较大,易产生缩孔和疏松。原铸造工艺全部采用纤维保温冒口,铸件在射线探伤时发现在两个侧冒口间的铸件底部有显微疏松,需加大冒口。这样将增加熔炼和切割冒口的成本。
发热保温冒口是用绝热材料、发热材料制作的冒口套,它集合了保温冒口和发热冒口的优点。因此冒口尺寸可以比保温冒口和发热冒口设计得更小。补缩效率是普通冒口的3倍,具有明显的技术效果和经济效益,是目前铸造行业最先进的工艺技术之一。因此,现工艺侧冒口、顶冒口均采用发热保温冒口套。
    3.2.2发热保温覆盖剂
    顶冒口采用发热保温明冒口套,明冒口顶部的热散失是以辐射传热为主,它占到冒口全部热散失的40~50%,明冒口不加覆盖剂,补缩效率很差,即使采用了保温冒口或发热保温冒口,也不能获得预期的效果。为了减少这种热损失,需在明冒口顶部撒覆盖剂,防止冒口顶部过早地凝固结壳,达到冒口最后凝固的目的。在延缓冒口的凝固的过程中,覆盖剂的作用占30~50%,保温套的作用占70~50%。覆盖剂与保温冒口或发热保温冒口联合使用,就更能显示出其保温效果,使冒口凝固时间成倍增加。覆盖剂强化冒口的作用不次于保温冒口本身,必须引起足够的重视。
复合型发热保温覆盖剂投放于金属液表面时立即燃烧并放出大量热量,同时发热覆盖剂的体积快速膨胀,形成多孔低密度的高保温层,降低明冒口表面的热辐射,减少热损失,延长冒口的凝固时间,提高冒口的补缩能力,改善冒口缩孔形状,防止冒口中产生二次缩孔,增大冒口安全系数。
    4.型砂工艺
    4.1原砂:原工艺面砂采用锆砂。锆砂又称锆英砂,是以硅酸锆(ZrO2•SiO2)为主要成分的矿物,pH值呈中性或稍偏酸性。锆砂的耐火度高(2420℃),导热性好,热膨胀系数较小,具有较好的激冷作用和抗粘砂、夹砂能力。可用作大型铸钢件及合金钢铸件承受高温恶劣条件的特殊型、芯砂或涂料。
    由于锆砂粒度在100/200目,粒度偏细,用锆砂作面砂与石英砂作的背砂造型后浇注时易形成分层,造成铸型拱起。另外,锆砂的价格昂贵,约是铬铁矿砂的三倍。    
    现型砂工艺面砂均采用南非铬铁矿砂,其余用福建漳浦天然石英砂。
    铬铁矿砂略偏碱性,pH值范围7.3~9.1,粒形呈尖角---次多角形。主要矿物组成为FeO•Cr2O3,无杂质时耐火度为2180℃。铬铁矿砂的主要化学成分为Cr2O3,次要成分为FeO、MgO和Al2O3及其它杂质。次要成分在钢水的高温作用会形成少量液相,对铬铁矿粒子砂间的固相扩散可起传质媒介作用,促进Cr2O3发生固相烧结。随着温度的升高,铬铁矿砂粒子间彼此烧结成致密的尖晶石相(MgO•Al2O3、MgO•Cr2O3等)结构,浇注时铬铁矿砂发生固相烧结可弥合粒子间空隙,另外,铬铁矿砂有较小的浸润角,铬铁矿砂不被钢水润湿,用于铸钢时的抗渗透性能比锆砂优良。高温导热系数是锆英砂的4倍左右,激冷性好。这些因素的共同作用可阻止钢液渗入涂层,提高型砂的抗机械渗透粘砂能力,因此抗渗透能力比石英砂和锆砂好得多,铬铁矿砂的固相烧结还有助于涂料烧结成片剥离。铬铁矿砂的高温化学稳定性好,不与钢水及其中的氧化物发生反应,FeO容易在铸件表面积累,从而具有良好的抗化学粘砂能力。
表1 南非铬铁矿砂化学成分

主要化学成分(%)

粒度

Cr2O3

Fe2O3

SiO2

CaO

Al2O3

MgO

46.28

27.11

0.71

0.23

14.36

10.48

45/75

   
表2 福建益强天然石英砂化学成分 

主要化学成分(%)

耗酸值

(<)

粒度

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

98.08

0.63

0.11

0.13

0.18

5

30/50

 
    4.2涂料
    选用了白刚玉粉为耐火骨料的醇基涂料。白刚玉即电熔刚玉,为α-Al2O3,是用工业氧化铝在电弧炉内经高温熔融,冷却结晶成锭块,再经破碎、挑选、加工筛选而得。α-Al2O3是氧化铝多变体中最稳定的一种。
    电熔刚玉熔点高(2030℃),密度大(3.99~4.00g/cm3),结构致密,导热性好,热膨胀系数小且均匀,它属两性氧化物,在高温下常呈弱碱性或中性,有良好的化学稳定性。抗酸碱能力强,在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下不发生反应。
    4.3型砂配制工艺
    该公司目前仅有间歇式混砂机,我们采用CO2硬化碱性酚醛树脂铬铁矿砂(面砂)+CO2硬化水玻璃天然石英砂型砂工艺。
    4.3.1 CO2硬化碱性酚醛树脂砂工艺简述
    CO2硬化碱性酚醛树脂砂工艺的固化原理是:CO2气体引入砂型后,降低了水溶性碱性树脂的PH值,一方面树脂中交联剂和酚羟基或羟甲基发生配位络反应而固化,另一方面树脂溶解度降低,树脂从水中析出而发生胶粘作用。该工艺具有酯硬化碱性酚醛树脂砂的优秀铸造特性外,还具有可使用时间长等特点。
树脂加入量为2.5%~3.0%时,砂芯具有良好的抗压强度,初强度值可达1.0Mpa以上,终强度值可达3.0Mpa以上。CO2硬化的碱性酚醛树脂砂可完全应用于铸钢件生产,也可与粘土砂配合使用,可取得良好的技术效果和经济效益。
    4.3.2不同因素对强度的影响
.吹气时间对强度的影响
当CO2流量为3~10L/min时,最佳吹气时间为80~120s。吹气时间过短砂芯固化不完全导致初强度过低;吹气时间过长,虽不会发生过吹现象,但砂芯强度并不增长,且浪费CO2气体。
.CO2气体流量对砂芯抗压强度的影响
如果气体流量过大,CO2气体来不及溶解在树脂中,相反过大的流量将带走树脂中水分,这就会造成树脂脱水而不利于硬化,制得的型芯表面会变酥。气体流量过小不利于CO2在树脂中扩散,所以在实际过程中必须控制好气体的流量。当吹气时间取80s、100s和120s时,CO2气体流量为6L/min的砂芯的即时强度和终强度都较理想。
.砂芯放置时间对压缩强度的影响
吹气后砂芯放置不同时间(0~96h)测试压缩强度。结果表明,砂芯的强度并不随存放时问的延长而减弱,表明其硬化后的终强度很稳定,具有良好的贮存性。
.空气湿度对砂芯强度的影响
对在不同空气湿度环境下吹气硬化并存放不同时间的砂芯进行强度测试,结果表明,在高湿环境下吹气硬化的砂芯,其初强度和终强度都有不同程度的降低,终强度降低幅度10%,生产中采取浇注前低温烘烤,去除水汽。
    CO2硬化碱性酚醛树脂铬铁矿砂配比:铬铁矿砂100%,XY-680碱性酚醛树脂1.5%。砂型强度如表5所示
表5 CO2硬化碱性酚醛树脂铬铁矿砂(MPa)

瞬时强度

1h强度

24h强度

1.34

2.49

3.03

 
    5. 铸造过程质量控制
    5.1 造型、合箱
    确保进厂的造型原、辅材料符合技术要求,型砂严格按工艺规定混制,作为面砂的铬矿砂厚度要求30~40mm,造型时椿砂紧实均匀。硬化后的铸型起模后,在次日刷醇基白刚玉粉涂料,涂刷后点火自燃,涂料涂刷二次后,铸型和泥芯的表面用细砂皮擦磨一次.再上一次涂料.然后下芯和合箱。
    5.2浇注
    浇注前2小时从直浇口吹入热风,浇注前半小时停止吹热风,此时型腔内表面温度60~75℃。
    浇注前15min从两个浇口杯通入氩气,驱除型腔中的空气,进行氩气保护浇注。氩气对钢液是一种惰性气体,可以减少钢水在浇注过程中形成的氧化夹杂物。浇注前五分钟停止吹氩。
    5.3熔炼、浇注
    采用碱性电孤炉冶炼和真空吹氧脱碳(VODC)二次精炼工艺。出钢温度为1630℃(钨铼热电偶测定)。
    全流浇注至冒口2/3高度时时间为72s,随后钢水直接注入冒口,浇注至离冒口顶部100mm停止浇注,移包,投发热保温覆盖剂。
    铸件落砂清理后轮廓清晰,未经打磨表面粗糙度达Ra25。
    6.探伤和焊补
    铸件经内外表面喷丸打磨后进行100%体积射线检查。按ASTM—E186壁厚5O.8~l14.3mm铸钢件.参考射线底片评定,离弯头两端180~200mm长度区域内射线评定为I级,铸件其它部分有二处有Ⅲ级疏松,其余均达到I级或Ⅱ级要求。二处疏松区经清除(清除深度约为壁厚1/3)、打磨后,液渗检查确认无缺陷后再焊补.焊条材料为奥002。焊补后打磨,再作液渗检查和射线探伤,参考上述ASTM标准和ASTM-E390钢熔化焊缝标准进行射线底片评定,评定结果为Ⅱ级。
    7.力学性能试验
    弯头铸件固溶处理温度为1100±10℃。
去除弯头铸件两端相等于壁厚厚度的圆环,再在两端各切取厚度为30mm的两个圆环作为性能测试试块,所有试样均在园环试块内侧1/4壁厚处切向截取。按浇注位置标上相应号码。室温拉伸,冲击韧性和高温拉伸的数据,均符合表2 RCCM~M3403的技术规范。
    8.结束语
    在超低碳奥氏体不锈钢90°弯头铸件试制中。按照铸件大孔出流理论。计算和设置了大截面、开放式浇注系统、应用双孔钢包快速浇注和CO2硬化的碱性酚醛树脂铬矿砂铸型,一方面有利于浇注过程中非金属氧化夹杂及时排除,防止内部夹杂缺陷,同时也避免不锈钢铸件表面冷隔,皱皮和粘砂的产生。
    浇注前向铸型中充入氩气来排除型腔中空气。实践证明这个工艺措施对防止钢液再氧化,最大限度减少铸件宏观夹杂是非常有益的。
兴业公司技术团队为铸造厂提供技术支持和服务,生产的核电铸钢件达到核安全一级严格要求,说明铸件的铸造工艺设计是合理的,根据不同生产条件采取的工艺措施有效、切实可行。
 
参考文献
李远才.铸造造型材料实用手册[M].北京:机械工业出版社,2009。
徐荣法 马晓锋 华静燕:超临界铸钢主汽阀门铸造工艺及材料应用•2013 中国铸造活动周论文集