vědomosti

Po analýze struktury dílu, materiálových vlastností, technických požadavků a obtíží procesu odlévání pláště regulačního ventilu hlavního parního ventilu CB2, jakož i po zvážení potenciálních problémů s kvalitou odlitků, byly prostřednictvím výzkumu příčin trhlin v plášti ventilu, podávání do zóny tuhnutí a tuhnutí studeného železa v koncové zóně tuhnutí efektivně vyřešeny běžné vady, jako je pórovitost a trhliny v procesu odlévání. Byl vyvinut rozumný a praktický plán procesu odlévání a byla posílena kontrola výrobního procesu, čímž se zlepšila stabilita procesu a provozu. Po ověření výroby byla celková kvalita pláště ventilu dobrá, splňovala požadavky normy a byla úspěšně dokončena sériová výroba pláště regulačního ventilu hlavního parního ventilu CB2.

Hlavní regulační plášť parního ventilu, jako jedna z hlavních součástí ultra-superkritické tepelné turbíny s teplotou 620 °C, má nejen velké rozměry obrysu a složitou strukturu, ale také extrémně vysoké požadavky na komplexní výkon. Tento plášť ventilu je vyroben z žáruvzdorné oceli ZG13Cr9Mo2Co1VNbNB (označované jako CB2). Vzhledem k tomu, že plášť ventilu pracuje v prostředí s vysokou teplotou a vysokým tlakem, jsou požadavky na vnitřní kvalitu a rozměrovou přesnost extrémně přísné [1-3]. Vzhledem ke složité struktuře a velkému rozdílu v tloušťce stěn je však obtížnost podávání během procesu odlévání extrémně vysoká. Materiál CB2 má navíc velký sklon k praskání, což vede k významným výkyvům v kvalitě tohoto pláště ventilu. Tento článek se podrobně zabývá schématem optimalizace procesu odlévání, zajišťuje kvalitu procesu a provozní pohodlí, čímž se dosahuje stabilní kvality a sériové výroby pláště hlavního regulačního ventilu CB2.

 

1 Technické požadavky na plášť regulačního ventilu hlavní parní hlavice

 

1.1 Struktura odlitku

Těleso regulačního ventilu hlavního parního ventilu je klíčovou součástí sekundárních ohřívačů o výkonu 1000 MW, které pracují za podmínek vysokých teplot a tlaku. Aby byl zajištěn jeho stabilní a spolehlivý provoz v tak náročných podmínkách, jsou kladeny extrémně vysoké standardy jak na jeho vnitřní kvalitu, tak na vnější rozměry. Rozměry odlitku pláště regulačního ventilu hlavního parního ventilu jsou 2545 mm x 2512 mm x 2511 mm s hmotností dílu 22.5 t. Jedná se o složitou, nepravidelnou konstrukci tvořenou průnikem nepravidelného rotačního tělesa a dvou horizontálních trubek rozmístěných pod úhlem 90°, s tloušťkou hlavní stěny pouhých 110 mm. Jeho konstrukce je znázorněna na obrázku 1.

 

1.2 Technické požadavky na odlévání

 

Odlitek pláště hlavního parního regulačního ventilu je vyroben z materiálu CB2. Chemické složení a mechanické vlastnosti materiálu jsou uvedeny v tabulkách 1 a 2.

 

Tělo ventilu musí být podrobeno 100% magnetické částicové kontrole a ultrazvukovému testování. Při provádění ultrazvukového testování příruby a těsnicí plochy by se měl použít ekvivalentní sken φ4 mm a nejsou povoleny žádné jednotlivé ani plošné vady. U ostatních opracovaných povrchů pláště ventilu, všech otvorů pro potrubí a zvedacích ok by jednotlivé a plošné vady neměly překročit 1300 mm²; u ostatních neopracovaných povrchů by jednotlivá vada neměla překročit 1300 mm² a plošná vada by neměla překročit 3900 mm².

 

2. Technické výzvy a řešení

Vzhledem k velké velikosti a hmotnosti, složité konstrukci a extrémně vysokým požadavkům na kvalitu pláště hlavního parního regulačního ventilu se obtížnost sériové výroby a výroby dále zvýšila. Při navrhování odlévacího systému je nutné přijmout stabilní a snadno dosažitelná procesní opatření, aby byla zajištěna kvalita každého produktu v sériové výrobě.

 

2.1 Obtíže s krmením a řešení

(1) Obtíže s podáváním náplně do pláště ventilu

Plášť ventilu má velkou velikost a složitý tvar a strukturu. Z analýzy struktury součásti vyplývá, že horká místa jsou rozptýlena a jejich tloušťka se značně liší. Podmínky pro postupné tuhnutí při podávání jsou špatné. Materiál CB2 má navíc díky vysokému obsahu legujících látek a širokému rozsahu krystalizace viskózní roztavenou ocel a je náchylný k defektům smršťování a pórovitosti v přechodové oblasti během tuhnutí a podávání. Tento plášť ventilu má dvě silné a velké oblasti, které je obtížné podávat: 1) Silná a velká oblast na spodním konci otvoru potrubí a velké horké místo u střední části příruby jsou náchylné k defektům smršťování a pórovitosti během tuhnutí a podávání; 2) Střední část má složitou strukturu a horká místa jsou rozptýlena v průsečíku žeber a příčných trubek, což nevede k postupnému tuhnutí a umístění stoupaček.

(2) Řešení problémů s krmením

Na základě struktury odlitku pláště ventilu jsou stoupačky navrženy ve vrstvách jako celek; pozice stoupaček jsou nastaveny na silných a velkých horkých místech odlitku. Simulační software MAGMA se používá k analýze rozložení teplotního pole pláště ventilu, optimalizaci velikosti a polohy stoupaček a přidaného kovu; v oblastech náchylných k pórovitosti smršťování a vadám smršťovacích dutin jsou pro zvýšení účinku podávání nastaveny pomocné stoupačky nebo odlitky.

 

2.2 Riziko praskání a řešení

(1) Vysoký sklon k praskání

Tato plášť ventilu je vyrobena z materiálu CB2, který obsahuje mnoho legujících prvků a má velkou smršťovací schopnost v kapalině. Objemová smršťovací schopnost je asi o 20 % větší než u běžných chrom-molybdenových odlitků. Jedná se o martenzitickou žáruvzdornou ocel s vysokým obsahem chromu a slévací napětí a napětí fázové transformace jsou velké, takže materiál má vysoký sklon k praskání. Navíc je rozdíl v tloušťce stěn pláště ventilu velký, přičemž největší horké místo ve střední oblasti má průměr 360 mm a nejmenší horké místo, rovněž ve střední oblasti, má průměr 110 mm. V místech s velkými rozdíly v tloušťce stěn ve střední oblasti a v zaoblených rozích, kde se setkávají trubky, dochází k problémům s koncentrací napětí a během tuhnutí mohou v důsledku rozdílů v napětí vznikat trhliny.

(2) Řešení problémů s praskáním

Pro další zlepšení odolnosti materiálu proti praskání byl pro tento plášť ventilu vyvinut speciální proces tepelného zpracování. Během výrobního procesu jsou teplotní a časové parametry tepelného zpracování přísně kontrolovány, aby se eliminovalo pnutí při odlévání a zlepšila se mikrostruktura materiálu, což výrazně zvyšuje celkové vlastnosti materiálu.

V místech spojů trubek a v oblastech s velkými rozdíly v tloušťce stěn pláště ventilu je přidán další kov a zaoblené rohy jsou zvětšeny, aby se zajistil plynulý přechod tloušťky stěny v průřezu a zabránilo se vzniku trhlin vyvolaných koncentrací napětí.

Tělo ventilu je rozděleno na sekce pro přidání dalšího kovu a stoupacích potrubí, které zajišťují směrové a postupné tuhnutí pláště ventilu a zabraňují tvorbě trhlin za tepla. Vzhledem k tomu, že trhliny za tepla vznikají prasknutím kapalného filmu během tuhnutí roztavené oceli, umožňuje přidání dalšího kovu a stoupacích potrubí plynulé doplňování roztavené oceli během smršťování odlitku za studena, čímž se zabraňuje protržení kapalného filmu a vzniku trhlin za tepla.

 

2.3 Kontrola rozměrové přesnosti

(1) Obtíže s kontrolou rozměrů

Plášť ventilu má velké rozměry a složitou konstrukci, s nekonzistentním smršťováním v horní a dolní části a vysokými požadavky na rozměrovou přesnost. Hlavní jádro uprostřed pláště ventilu je velmi silné a různé pevnosti pískových jader mají vliv na smrštění, což snadno usnadňuje odchylky v rozměrech tloušťky stěny. Uprostřed jsou dvě velká žebra, která nevedou k oddělování a vyjímání formy z pláště ventilu. Použití metod tvarování jádra zvyšuje obtížnost kontroly rozměrů.

(2) Řešení

(V původním textu nejsou pro tuto část uvedena žádná konkrétní řešení.) Prostřednictvím simulace DOE s různými okrajovými podmínkami je vybrána hodnota lineárního smrštění, která nejlépe odpovídá danému podniku. Pro zlepšení rozměrové přesnosti modelu je použit model numerického řízení. Pro řešení problému výšky hlavního jádra uprostřed je navržena segmentovaná struktura jádra a použita metoda tvarování sestavy jádra, která se přizpůsobí složitým strukturálním charakteristikám tělesa ventilu. Na modelu a dutině je provedena trojrozměrná detekce dat, aby byla zajištěna rozměrová přesnost a provozní stabilita během procesu vstřikování.

 

3. Návrh procesu odlévání tělesa ventilu

Sériová výroba klade vyšší nároky na návrh procesů odlévání, což vyžaduje několik pokusů k ověření stability a opakovatelnosti procesu, čímž se zajišťuje stabilní a vysoce kvalitní výroba produktu.

 

3.1 Návrh schématu podávání odlitků

Na základě rozložení teplotního pole dílu tělesa ventilu simulovaného softwarem MAGMA, jak je znázorněno na obrázku 2, jsou stoupačky, uzávěry a kokily přiměřeně navrženy podle struktury dílu, velikosti modulu a principů návrhu odlévacího procesu [8].

 

Návrh procesu odlévání pro toto těleso ventilu: V závislosti na složitosti konstrukce tělesa ventilu a vlastnostech materiálu se přívod provádí v sekcích a zónách, které jsou rozděleny do tří vrstev. Spodní oblast vodorovné trubky je první vrstvou, oblast kolem střední vodorovné trubky je druhou vrstvou a horní velká příruba je třetí vrstvou. Velikost, tvar a poloha stoupaček jsou navrženy na základě horkých míst a požadavků na přívod těchto tří vrstev.

 

Poměr objemu náběhové trubky k objemu odlitku, M náběhová trubka / M odlitek, je přibližně 1:1.2 [9].

 

Rozumná konstrukce náběhového potrubí zajišťuje, že všechny části odlitku dostávají během tuhnutí dostatečné množství vody. Studené železo se používá k vytvoření umělých koncových zón sekční izolací různých oblastí, řízením rychlosti chlazení různých částí tělesa ventilu a podporou postupného tuhnutí, což vede k hustší struktuře. Pomocí softwaru MAGMA pro simulaci tuhnutí byl návrh náběhového potrubí a náběhových potrubí opakovaně optimalizován. Konečný celkový návrh náběhového potrubí a náběhového potrubí pro těleso ventilu je znázorněn na obrázku 3.

 

3.2 Návrh licího systému

Materiál odlitku pláště regulačního ventilu hlavního parního ventilu má špatnou tekutost a je náchylný k oxidačním vměstkům. Návrh rozumného licího systému a kontrola kvality lití jsou klíčem k zajištění kvality pláště ventilu. Tento plášť ventilu používá konstrukci s dvouvrstvou tryskou, která účinně zabraňuje riziku prasklin při lití. Díky dvouvrstvé trysce se zvyšuje stupeň otevření. Tento plášť ventilu používá dvě rovné trysky o průměru φ120 mm a osm vnitřních trysek o průměru φ100 mm. V kombinaci s aktuální výrobní situací se používá lití s ​​jedním vakem a dvojitým okem o průměru φ80 mm, což znamená, že poměr ΣS vaku: ΣS horizontální: ΣS vnitřní ≈ 1:2:3 a rychlost stoupání ocelové kapaliny je 16 mm/s. Toto licí schéma zajišťuje plynulý a rychlý vstup ocelové kapaliny do dutiny, čímž se snižují problémy se strhávaným plynem a vměstky způsobené nestabilní náplní. Pro účinné snížení stupně oxidace ocelové kapaliny se používá také ochrana argonovým plynem [10]. Podle ověření dávkové výroby dokáže tento licí systém rychle a hladce stoupat ocelová kapalina, což nejen zlepšuje účinnost lití, ale také dále zajišťuje kvalitu lití pláště ventilu. Konstrukce licího systému je znázorněna na obrázku 4.

3.3 Analýza výsledků simulace tuhnutí

Na základě softwaru pro simulaci tuhnutí pro procesy odlévání byl proces odlévání optimalizován pro plášť ventilu náchylný k vadám způsobeným ultrafialovým zátěží (UT). Byly navrženy dvě srovnávací schémata, jak je znázorněno na obrázku 5. Nejprve bylo pro analýzu použito kritérium stability smršťovací dutiny. Schéma 1 vykazovalo zjevné známky smršťovací dutiny v místech označených kroužky na obrázku 6(a). Po optimalizaci bylo ve schématu 2 v této pozici nastaveno konformní vyhrazené externí chlazení a simulace v tomto místě, jak je zakroužkováno na obrázku 6(b), neukázala žádnou indikaci, čímž se tato vada smršťovací dutiny vyřešila.

Pro analýzu schématu 1 a schématu 2 bylo použito Niyamovo kritérium. Ve schématu 1 byl v poloze šipky na obrázku 1(a) nastaven gradient dávkování 20:7, zatímco ve schématu 2 byl ve stejné poloze nastaven gradient dávkování 1:10, jak je znázorněno na obrázku 7(b). Dále bylo použito externí chlazení, aby byla mikrostruktura kompaktnější. Výsledky Niyamova kritéria ukázaly, že když byl parametr Niyama nastaven na 0.3, v zakroužkované poloze ve schématu 1 se objevily zjevné defekty pórovitosti, jak je znázorněno na obrázku 8(a); ve schématu 2 bylo v zakroužkované poloze pozorováno pouze několik bodových projevů, jak je znázorněno na obrázku 8(b).

 

Na základě srovnávací analýzy výše uvedených výsledků simulace bylo nakonec vybráno schéma 2. Toto schéma vykazovalo pouze bodové projevy vad v lokálních pozicích s výjimkou umístění stoupacího potrubí a na celém plášti ventilu nebyly žádné zjevné defekty smršťovací dutiny ani pórovitosti.

 

Vigor má více než 20 let zkušeností a profesionální tým v oblasti slévárenských a kovacích procesů. Pokud vám s něčím můžeme pomoci nebo potřebujete vyvinout produkty, neváhejte nás kontaktovat na adrese info@castings-forging.com