随着汽轮机技术的发展，大功率火电、核电机组逐渐成为主流，而大功率火电机组又在向超临界、超超临界发展。超临界、超超临界汽轮机的工作温度较常规火电高，这就给汽轮机铸件提出了更高的要求，要实现超临界、超超临界汽轮机的国产化，就必须攻克超临界、超超临界汽轮机所需铸件的制造技术。ZG1Cr10MoNiVNbN材质的高压主汽阀、
调节阀壳铸件铸造在东汽尚属首次，掌握该材质铸件的制造技术就显得尤为迫切。
一、国内外情况比较
由于12%Cr铸钢材料含有很高的铬，且合金元素种类较多，总含量大于10%，为高合金铸钢，因此决定了①钢液的流动性差，容易产生冷隔；②高温易氧化，使铸件表面易产生氧化膜褶皱，氧化膜卷入内部就形成了氧化夹杂物，冶炼难度非常大；③导热性差，热裂倾向和粘砂倾向大；④体收缩量大，收缩应力大，导致工艺设计的难度加大；⑤同时该材料的马氏体转变终了温度低，淬火开裂倾向大，容易产生冷裂，因此热处理的难度也很大。
据了解，目前在国外，美国、日本、德国、英国、斯洛文尼亚、韩国等可以生产这类铸件，但生产难度都比较大；国内某些厂家也生产过该钢种铸件但没有检索到相关资料。
二、技术难点分析
1、主汽阀壳、调节阀壳结构方面
该主汽阀壳、调节阀壳均为高压部件。主汽阀壳与亚临界600MW主汽阀壳相比，主壁厚由180mm增加到210mm，这样相对增大了铸造难度。调节阀壳4支管口R处，是孤立局部热节，易于在此位置产生缩松和裂纹。ZG1Cr10MoNiVNbN（KT5316AS3）材料的铸造性能有待研究，保证组织致密难度很大，缩尺不易控制。
2、铸造工艺设计方面
热节厚大、孤立、分散，不利于实现顺序凝固；由于钢水的流动性较差，给冒口、补贴、浇道以及缩尺的设计带来一定难度。
3、造型方面
主汽阀、调节阀主壁厚>200mm，而内腔尺寸又小，因此，铸造工艺设计时，尽管考虑砂芯采用现有的抗粘砂材料铬矿砂但仍然存在砂芯被烧结清不出来的可能。
4、熔炼浇注方面
ZG1C
r10MoNiVNbN（KT5316AS3）材料首次冶炼，化学成分控制要求高，除了P≤0.025%、S≤0.025%外，N、Nb也是主控元素，C
r的加入量达9.5%～11.5%，因此冶炼过程很长导致化学成分控制难度增加。
5、清理方面
冒口厚大，需整体预热切割冒口，需投入的人力和物力资源较大。由于ZG1Cr10MoNiVNbN（KT5316AS3）材料铸钢件，易产生裂纹，冒口不易切割，温度控制非常重要。ZG1Cr10MoNiVNbN（KT5316AS3）材料主汽阀、调节阀性能热处理，有待进一步研究。此外主汽阀、调节阀缺陷的补焊也是一个难点。
三、主要研究内容
1、铸造工艺设计
结构及难点分析（以主汽阀为例）。超临界高压主汽阀壳是东汽生产的超临界600MW汽轮机铸钢件，其结构较复杂，壁厚相对较大（主要壁厚约为200~300mm），阀座及与端盖相接部位壁厚在300mm以上。从结构上看，由于热节较大且分散，使得铸件的补缩困难，容易出现粘砂缺陷；从以往生产的类似阀壳的经验可知，该类阀壳特别容易产生粘砂、夹杂、缩松等缺陷，质量不容易保证。
对于ZG1Cr10MoNiVNbN材料来说，浇注过程中极其容易氧化，容易形成夹渣、气孔等铸造缺陷，浇注系统设计的难度非常大。该材质的气割非常困难，容易出现裂纹缺陷，这就要求在进行铸造工艺设计时，在保证铸件无缩松、缩孔缺陷的前提下，尽量减少切割量。另外，对于该材质的热处理、补焊等工艺技术需要进行一系列的工艺试验，以确保该铸件达到相应的技术质量要求。
为了保证工艺的正确性，采用MAGMA软件对按传统设计的工艺进行了多次浇注温度、凝固时间、应力场、浇注系统设计等方面的模拟验证，但模拟结果并没有达到想要的结果。通过对模拟结果的分析，认为按传统的方式设计的浇铸系统存在问题。因此对浇注系统进行了较大改进，把原来设计的普通浇注系统彻底改为底注式浇注系统，同时在浇注系统中增加了撇渣分系统，这种浇注系统设计改变了传统的浇注系统设计习惯。设计完成后又对新的工艺方案进行了模拟，最终达到了想要的结果（改进前的工艺方案见图1，改进后的工艺方案见图2）。浇注系统中增加撇渣分系统，主要是为了解决渣冲进铸件内而设置的，这种底注式浇注系统+撇渣分系统成为了我们的核心技术，使浇注出的铸件很少有因渣进入铸件造成的夹渣、夹砂，经改进后的浇注系统使浇出的铸件表面光洁。
超临界主汽阀壳和调节阀壳的工艺设计以亚临界高压主汽阀壳和调节阀壳的生产实践经验总结为基础，并在此基础上，针对以往生产此类阀壳常出现的夹渣、裂纹、缩松等铸造缺陷以及该铸件的制造难点，工艺设计时在冒口、冷铁及补贴等工艺措施方面做了改进和优化（主汽阀壳的工艺出品率提高了6个百分点，减少了1.2
t的钢水量）。
通过17193JL、17227JL、28539JL三个炉次的生产实践，验证了改进后的冶炼浇注工艺对化学成分、钢水温度、精炼质量的控制是有效的、充分的、适宜的。
2、熔炼方面
目前国内在超临界机组材料研究方面才刚刚起步，大部分仍采用亚临界机组材料，只有高中压内缸和主汽阀采用9%～12%C
r钢。但是，9%～12%Cr合金钢的应用也有其不利的地方，如冶炼难度大，技术要求高，国内虽有部分厂家能提供，但均未形成批量生产能力。对此东汽通过立项做了一系列的工艺试验。
对[N]、[H]、[O]、[Sn]不能实现在线分析，控制难度大，主要靠冶炼工艺控制。大部分[H]主要在电弧炉氧化期去除，通过LF炉进一步降低其含量，最终达到1~3ppm；脱[O]任务主要在炉内完成，经试验证实[O]适当的精炼可以达到最好水平60~80ppm，随时间的延长其略有增加，但经非铝作终脱氧后得到较好的控制；[N]主要通过前期试验确定的钢水原始[N]量，再加入氮化合金调整到目标成分；其余残余元素通过原材料、冶炼过程均得到有效的控制。这个过程中[N]很不好控制，加多了易产生气孔，加少了又达不到成分要求。
在上述生产性试验的基础上，用电弧炉首次冶炼12%C
r钢，主要检验按一般的低合金钢冶炼工艺能否适用于此类钢种，最终冶炼24h后失败（11
t钢水），还险些造成重大设备事故。而在浇注的试块中，存在大量的气孔等原因，否决了单独用电弧炉冶炼的方案。
在总结第一次失败的原因后，采用双联熔炼的工艺，由于认识不足，第二次试验也失败（13
t钢水）。
在总结两次试验失败的原因并结合试验室的研究结果的基础上制定出新的冶炼工艺，提出在精炼炉内完成主要合金化任务的方案。在实施过程中重点对炉内[H]、[O]、[N]含量进行多次取样分析，根据此试验结果和9%～12%Cr钢的特点，重新修订该钢种的冶炼工艺，并在随后的生产中取得了成功。
3、清整和热处理
A、切割冒口工艺研究
在前期试样切割过程中发现该钢种的裂纹倾向性和收缩性很大，再加上含铬量高，需要认真研究冒口切割工艺，努力探索切割方法。
首件试验件采用一次切割法，导致了切割部位产生大量裂纹。经过研究分析找到了裂纹产生的原因。分析原因，研究出新的切割工艺和切割方法。东汽采用“两次成型法”，成功地解决了冒口根部切割面裂纹缺陷的产生。
B、热处理工艺研究
由于该钢种首次在东汽试验，在没有任何可参考工艺的情况下，为了达到要求的性能并掌握该钢种热处理工艺及淬火工艺，用实验室浇注的试块，对该钢种热处理工艺及淬火工艺进行了大量对比试验研究（不同的热处理工艺：喷雾、水淬、油淬），从中找到了一些可行的办法（但这毕竟是实验室小炉子上的试验）。结果如下：
在性能热处理方面：主要对冷却方式、摸索回火参数进行试验研究，选取试验室浇注的小试块进行工艺试验。
（1）风冷试验：利用试验室现有条件，对试块进行吹风冷却，然后进行金相组织观察，发现金相组织可以得到马氏体。
（2）油淬试验：采用油淬进行试验，检测金相组织为马氏体。
（3）水淬试验：采用水淬进行试验，检测金相组织为马氏体。
通过对冷却方式的分析，结合实际生产组织方式，最终确定采用油淬工艺。图3、图4是铸件最终组织金相照片。
东汽采用油淬处理大型12%C
r铸钢件，目前已成功生产多件，均没有发生淬火裂纹事故，油淬后机械性能和金相组织检测均为一次合格。说明在控制12%C
r铸钢化学成分偏析、控制C
r当量、避免δ-铁素体的析出、控制冒口根部裂纹倾向方面已经取得成效，并掌握了获得良好组织及机械性能的油淬热处理工艺核心技术。
4、补焊
超临调节阀壳系C
r-M
o-V材料，可焊性要差些，因此在焊接材料的选用上采用工艺评定的专用焊条。焊补过程严格焊接工艺规程，WPS号：SMAW-5A.5A-200.8003R
ev.A。调节阀壳采取整体进炉预热，用硅酸铝保温材料隔热保温，施焊时严格控制层间温度。
四、结论
针对超临界主汽阀壳、调节阀壳对材质的要求，从冶炼、热处理、补焊等方面进行了一系列的工艺试验，并在生产过程中采取了一系列有效过程控制措施，生产出了合格的铸件，所生产出的铸件通过了相关专家的工艺评审和实物见证。
通过试验和实际生产东汽取得了如下成果：
1、该项目的完成取得了一系列成果，为今后铸造技术进步奠定了扎实的理论基础。
2、该项目在研究过程中积累了大量的生产经验和试验数据，这些经验和试验数据可供生产超超临界机组铸件时借鉴。
3、通过对12%C
r材质在超临界主汽阀、调节阀铸件生产上的应用研究，掌握了这种材质的相关铸造性能，为超超临界机组的生产打下了良好的基础。
