AP1000、華龍一號、CAP1400、法國核電技術(EPR)以及俄羅斯核電技術(VVER)是當前世界上主流的三代核電技術[1]。其中AP1000核電技術是美國西屋公司研發(fā)的一種先進的“非能動型壓水堆核電技術”，是目前世界市場現(xiàn)有的較安全、較先進、經(jīng)過驗證的核電站[2]。

我公司研發(fā)的核電AP1000型機組配套鑄鋼件材質(zhì)ZG245-480，主要包括高壓外缸和調(diào)節(jié)閥兩部分，其中技術難度較大的高壓外缸鑄件分為上下兩半，本文研究其工藝設計。

1 產(chǎn)品簡介

核電AP1000型機組高壓外缸上半鑄件輪廓尺寸為5510 mm×3770mm×1936mm，重量為49.5t；下半鑄件輪廓尺寸為7206mm×3770mm×2120mm，重量為61 t.上、下半鑄件示意分別如圖1、圖2所示，材質(zhì)化學成分及力學性能指標分別如表1、表2所示。

圖1 AP1000核電高壓外缸上半鑄件示意圖

圖2 AP1000核電高壓外缸下半鑄件示意圖

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 力學性能

2 工藝設計

2.1 鑄造工藝設計及模擬

核電AP1000型機組高壓外缸為U型結(jié)構，在鋼水凝固收縮時，型砂有阻礙作用，造成鑄件各部分鋼水凝固收縮的不同，易發(fā)生張口變形。針對此問題，通過增加漸變貼量和反變形量的方法來調(diào)整各部分的尺寸，解決鑄件變形及管口中心偏移的問題。鑄件的法蘭結(jié)構如圖3所示，法蘭結(jié)構與我公司其他核電產(chǎn)品及蒸汽輪機外缸鑄件不同，尤其是法蘭部分上窄下寬，法蘭厚度近700 mm，結(jié)構不利于凝固和補縮。為了滿足補縮要求，在法蘭外側(cè)上增加補貼，以保證鋼液能順利補縮，如圖4所示。

圖3 鑄件法蘭結(jié)構

圖4 鑄件法蘭外側(cè)補貼

產(chǎn)品鑄造工藝如圖5所示，同時應用MAGMA凝固模擬與模數(shù)計算相互驗證，如圖6、圖7所示，設計冒口及冒口補貼尺寸規(guī)格，確定合理的補縮梯度，補縮末端區(qū)設置冷鐵，調(diào)整補縮區(qū)域和溫度場，實現(xiàn)順序凝固和有效補縮，確保內(nèi)部組織致密。

工藝一般采用型腔外側(cè)實樣模型造型，型腔內(nèi)側(cè)芯盒出芯的方案，以保證造型和制芯同時進行，縮短生產(chǎn)周期，但此方案易在合箱操作時造成配合錯位，帶來尺寸偏差。因此，本文采用外側(cè)增加補貼，內(nèi)側(cè)一體成型的方法進行造型，避免尺寸的偏差。

2.2 熔煉工藝設計

根據(jù)鑄件材質(zhì)，確定冶煉工藝為EAF+LF+VD+氬氣保護澆注工藝；鑄件的較大壁厚處達700 mm，為了保證后續(xù)的力學性能，在冶煉過程中加入定量的鈦鐵，以達到細化晶粒的目的。同時，因顧客對鑄件的檢測要求較高，冶煉過程應注重鋼液夾雜物、氣體含量的控制，故采用VD處理，凈化鋼液。為防止鋼液的二次氧化造成鑄件夾渣，在澆注過程中，采取氬氣保護措施，減少鋼液的氧化。

2.3 澆注系統(tǒng)設計

AP1000型核電機組高壓外缸鑄件結(jié)構復雜，噸位大，為防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)卷氣、夾渣、沖砂等問題，通過應用公司從奧地利奧鋼聯(lián)公司引進的GS-100澆注軟件模擬計算，對澆注系統(tǒng)設計進行優(yōu)化，以保證內(nèi)澆口進流速度均勻，型腔內(nèi)液面上升平穩(wěn)快速，避免澆注紊流和返鋼。

圖5 鑄造工藝圖

圖6 凝固過程模擬圖

圖7 模數(shù)模擬

下半鑄件澆注系統(tǒng)計算結(jié)果如下：澆注重量130 t，澆注時間120 s，澆注溫度1 575℃，澆注速度0.65 m/s；采用兩包合澆，共3個φ120 mm的滑動水口，24個φ120 mm的內(nèi)澆口，確定直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口的總截面積比例關系符合公司∑F直：∑F橫：∑F內(nèi)=1：1.5～2.0：4～5的設計原則。利用MAGMA模擬軟件，對鋼液充型過程進行模擬，顯示金屬液平穩(wěn)快速上升，無紊流、飛濺和卷氣現(xiàn)象，證明澆注系統(tǒng)設計合理。

2.4 熱處理工藝設計

表3 熔煉化學成分控制（質(zhì)量分數(shù)，%）

表4 鑄件力學性能指標

通過Stecal、MAGMA模擬軟件結(jié)合過去相近材質(zhì)工藝性能數(shù)據(jù)及生產(chǎn)前該產(chǎn)品試塊大量的試驗結(jié)果，最終確定的熱處理工藝。本產(chǎn)品冒口較大，鑄造應力大，在冒口切割前需要對鑄件整體進爐預熱，預熱溫度400℃～450℃，保溫時間按較大冒口計算，需要≥37 h.為了得到較高的力學性能，必須對鑄件正火且采用強風冷卻，經(jīng)過計算，保溫時間≥25 h，以此使厚壁心部鑄態(tài)組織完全奧氏體化，以便后期組織轉(zhuǎn)化。通過正火，細化了鑄態(tài)粗大晶粒，消除了鑄態(tài)不良魏氏組織，使不均勻的原始偏析組織得到均勻化。采用足夠時間的高溫回火，使正火組織得到軟化，塑韌性提高，同時厚壁的心部也得到充分的回火改善，最終得到高的綜合力學性能。為了保證多次焊后熱處理后性能不會下降太大，焊后熱處理保溫溫度比最終回火溫度低15℃～25℃左右。

2.5 焊接工藝設計

鑄件本體材質(zhì)為碳鋼材質(zhì)，但是性能要求和NDT檢測要求極為嚴格，導致焊接難度增大。采用手工焊和氣體保護焊兩種焊接方法進行工藝評定認證，并且驗證各項性能。焊接時采用專用設備，分道焊接，控制熱輸入保證熔合性，采用每層錘擊加打磨的方法進行熔合性缺陷控制。對于關鍵部位進行不銹鋼耐腐蝕層的堆焊，采用手工焊焊接，利用進口焊條，以滿足各項性能工藝評定要求。

3 生產(chǎn)驗證

經(jīng)過實際生產(chǎn)并檢測，產(chǎn)品化學成分、力學性能等各項質(zhì)量指標均達到顧客標準及相關規(guī)范要求。如表3所示為鑄件熔煉化學成分控制，表4為鑄件實測力學性能指標。

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