水輪機(jī)X 型葉片的鑄造工藝實(shí)踐

張 躍，趙廣友，蔣國森，楊 寧，隋振鐸，張亞龍，杜 丘

（1.沈陽鑄造研究所，遼寧沈陽 110022;2.中國石油大慶石化公司，遼寧大慶 163714）

葉片是水輪機(jī)最重要的零件之一,對它的性能和型線要求非常嚴(yán)格，而X 型葉片（圖1）是二十世紀(jì)90 年代后期國外設(shè)計(jì)的新型混流式葉片，與傳統(tǒng)的混流式葉片（圖2）在型線和性能上有很大的差別,其空間扭曲程度大[1]。目前X 型葉已在國內(nèi)得到了普遍應(yīng)用，X 型葉片的鑄造難度較大，主要是葉片變形。近年來我單位接到很多X 型葉片的訂單，相對于常規(guī)形狀葉片而言，針對X 型葉片的鑄造工藝進(jìn)行實(shí)踐的研究十分必要，對X 型葉片的生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義。

圖1 X 型葉片實(shí)體

圖2 傳統(tǒng)混流葉片實(shí)體

圖3 為SF 葉片的輪廓尺寸，SF 為典型的X 型葉片，本文以SF 葉片的工藝生產(chǎn)實(shí)踐為例，進(jìn)行X型葉片的工藝探討。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

SF 葉片的化學(xué)成分如表1 所示，（執(zhí)行JB/T10384-2002 標(biāo)準(zhǔn)）。

SF 葉片的力學(xué)性能如表2 所示，（執(zhí)行JB/T10384-2002 標(biāo)準(zhǔn)）。

1.2 無損探傷要求

圖3 SF 葉片尺寸

表1 SF 葉片化學(xué)成分（%）

表2 SF 葉片力學(xué)性能

無損探傷按照A609 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，UT 檢查區(qū)域?yàn)槿浚鐖D4，其中Ⅰ、Ⅲ區(qū)域按1 級執(zhí)行；區(qū)域Ⅱ檢查要求如下，在100mm×100mm 方格內(nèi)連續(xù)檢查，從理論加工表面下30mm 或1/3 厚度（取最小值）為1級，其余內(nèi)部為4 級。

2 工藝方案

正背面各放8mm 加工余量，四周18mm 加工余量，制作葉片三維實(shí)體，葉片毛重為660kg。造型方式采用平臥造型，垂直澆注方式，這樣有利于冒口的集中補(bǔ)縮，葉片的順序凝固可有效地減少葉片變形、氧化、縮孔和縮松等鑄造缺陷的產(chǎn)生，鑄件內(nèi)部質(zhì)量好。

圖4 無損探傷區(qū)域范圍

2.1 冒口的確定

根據(jù)葉片壁厚及冒口的補(bǔ)縮距離確定冒口數(shù)量為1 個(gè)，長為500mm，寬為180mm，高度按照比例為500mm，冒口重量為500kg。

利用模數(shù)法驗(yàn)證：

式中：f 為擴(kuò)大系數(shù)(明冒口f≥1.2)，MR為冒口模數(shù)，Mc為被補(bǔ)縮部分鑄件模數(shù)。

Mc=Vc/Ac=25.6，MR=VR/SR=61。f=Mc/MR=2.38＞1.2，說明冒口尺寸比較合適；

冒口最大補(bǔ)縮能力驗(yàn)算：

式中：GCmax為被冒口補(bǔ)縮的鑄件最大重量，GR為冒口重量，η 為冒口補(bǔ)縮效率，ε 為金屬液的體收縮率（%）。

明冒口η 取14%，ZG06Cr13Ni4Mo 材質(zhì)ε 取5.3，經(jīng)計(jì)算得出GCmax=820kg,葉片毛坯重量GC為660kg，冒口補(bǔ)縮能力足夠，說明選擇冒口尺寸合適。

2.2 澆注系統(tǒng)的確定

包孔選取?50mm，直水口選取?60mm，橫水口選取50/60×50（mm），內(nèi)水口為六道70/80×20（mm），采用底注式澆注系統(tǒng)，如圖5，即從葉片的出水邊（薄邊）進(jìn)水，保證金屬液平穩(wěn)進(jìn)入型腔，開放式澆注系統(tǒng)有助于型腔內(nèi)氣體排出；同時(shí)采用緩沖式澆注系統(tǒng)，在保證鋼液在鑄型內(nèi)具有一定的上升速度的同時(shí)，使鋼液能夠平穩(wěn)上升，防止產(chǎn)生紊流，消除局部過熱，改善補(bǔ)縮條件。

2.3 反變形量的確定

圖5 SF 葉片澆注系統(tǒng)實(shí)體圖

由于葉片鑄件在凝固過程和熱處理過程中,其邊角區(qū)域容易發(fā)生翹曲變形行為,特別是X 型葉片翹曲變形更為嚴(yán)重，因此我們利用模擬軟件對葉片進(jìn)行應(yīng)力分析和預(yù)判（圖6）。

從圖6 可以看出A 點(diǎn)為負(fù)量在7mm 左右，B 點(diǎn)為正量在5mm，C 點(diǎn)為負(fù)量在7mm 左右，D 點(diǎn)為正量在5mm 左右，考慮熱處理會(huì)使變形量增大，所以A、C 兩點(diǎn)正面增加反變形量12mm，B、D 兩點(diǎn)背面增加反變形量10mm，反變形面積根據(jù)模擬所示。

圖6 SF 葉片Y 方向變形圖

3 數(shù)值模擬

對葉片最終工藝進(jìn)行溫度場模擬，凝固完畢的模擬結(jié)果顯示如圖7，圖7a 為SF 葉片整體的溫度場分布，可以看出整個(gè)葉片基本為順序凝固，冒口部位為最后凝固。圖7b 為葉片內(nèi)部凝固過程中的疏松分布，可以看出疏松都集中分布在冒口區(qū)域內(nèi)和澆道部位，鑄件本體內(nèi)無疏松出現(xiàn)，鑄件內(nèi)在質(zhì)量良好，表明此工藝可行。

圖7 凝固過程中SF 葉片的溫度場分布情況

4 木模的檢查

根據(jù)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行木模制作，縮尺采用2%,木模制作完畢后，利用SOLO 型光學(xué)三坐標(biāo)測量儀對葉片的木模進(jìn)行三維測量，以保證木模尺寸精度。木模型線測量結(jié)果如圖8，從圖8a、8b 結(jié)果看葉片正背面型線合格，個(gè)別尖點(diǎn)余量偏大，但考慮造型等因素，可以接受。

圖8 SF 葉片木模型線測量結(jié)果

5 熔煉工藝

采用電弧爐和AOD 氬氧精煉爐雙聯(lián)熔煉法熔煉，為了保證鑄件的耐蝕性和耐磨性，鋼液中的C含量要求控制到0.06%以下，并對雜質(zhì)含量P、S 等也要嚴(yán)格控制，結(jié)果見表3。

表3 SF 葉片化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

6 葉片的清理和熱處理

為防止葉片變形，葉片在300℃以下打箱；為了防止鑄件產(chǎn)生裂紋，在鑄件溫度不低于200℃時(shí)趁熱切割冒口。

落砂后對鑄件進(jìn)行清整打磨、熱處理。由于該葉片較小，為減小葉片在熱處理中的變形，熱處理前將3 件葉片組焊到一起。裝爐時(shí)葉片的進(jìn)水邊（厚邊）向下擺放，熱處理工藝如圖9 所示。裝爐時(shí)鑄件底部不要直接和爐底板接觸，升溫速度不能大于70℃/h，爐內(nèi)各部位溫差不能大于5℃，不能疊壓鑄件，嚴(yán)防人為造成葉片變形。

圖9 SF 葉片的正回火工藝

7 生產(chǎn)結(jié)果驗(yàn)證

（1）葉片型線的三維測量

利用三坐標(biāo)測量儀對熱處理后的SF 葉片進(jìn)行型線測量，結(jié)果如圖10，葉片冒口部位余量偏大，其余能夠滿足加工要求。

（2）葉片的無損檢測

葉片無損探傷按照A609 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，UT 檢查各區(qū)域符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 SF 葉片三維測量結(jié)果

（3）葉片的性能檢測

對附鑄試塊的力學(xué)性能檢測結(jié)果也完全符合客戶要求（見表4），附鑄試塊取自鑄件本體，位于葉片的下環(huán)邊一側(cè)，每個(gè)葉片上帶3 個(gè)本體試塊，隨同鑄件一起澆注而成，并隨爐熱處理。

表4 SF 葉片力學(xué)性能

8 結(jié)論

（1）采用本工藝方案鑄造的葉片，葉片的加工余量和內(nèi)部質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工藝方案可靠。

（2）采用鑄造數(shù)值模擬技術(shù)，對葉片的充型、凝固過程、應(yīng)力分布等進(jìn)行數(shù)值模擬，有效地預(yù)測了鑄件凝固等過程，并對葉片的反變形量給出了依據(jù)。

（3）采用三坐標(biāo)測量儀對木模及葉片測量，能夠快速、準(zhǔn)確地給工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1]Chen Naixiang,Liu Zhaowei,Lin Ruchang,et al.Three Gorge runner blade design counted in the effect of limited blades number[J].Journal of Tsinghua University,1998,38(1):100～102.

[2]王君卿.鑄造手冊：第5 卷鑄造工藝[M].北京：機(jī)械工藝出版社，2010.