240MW抽水蓄能機組閥體的鑄造工藝研發(fā)

張立文，王曉剛

（寧夏共享鑄鋼有限公司,寧夏銀川 750021）

抽水蓄能機組是電力系統(tǒng)中具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等多種功能的特殊電源，是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分[1]。隨著常規(guī)水電建設速度放緩，核電、風電、太陽能等清潔能源建設速度的加快，為抽水蓄能電站建設提供了契機，抽水蓄能電站將迎來新一輪的建設高峰[1]。本文研究的240 M W抽水蓄能機組閥體（以下簡稱閥體）是為國外某水電項目開發(fā)的抽水蓄能系列鑄件，其制造工藝復雜，是抽水蓄能機組中最復雜的鑄件之一，制造過程包括了幾十道工序，主要涉及工藝設計、模型制作、造型、合金冶煉、毛坯清理、熱處理、型線檢測、加工成型等。它的制造技術,是反映水輪機制造商競爭能力和水平的核心技術,受到水電行業(yè)的高

度重視。

1 鑄件結構及工藝難點分析

1.1 鑄件結構分析

閥體鑄件輪廓尺寸：3800mm×3500mm×2425mm，最大壁厚350 mm，最小壁厚100 mm，見圖1.

圖1 閥體鑄件圖

閥體結構相對復雜，特別是支撐架部位極易產(chǎn)生變形、裂紋，且造型操作困難。

圓孔端面臍子多，如圖2所示易產(chǎn)生熱節(jié)，補縮困難，導致鑄件縮松.

閥體內(nèi)腔輪廓尺寸R1400，公差要求0 mm～5 mm.內(nèi)腔為非連續(xù)的圓弧面如圖3所示，很難通過加工的方法，保證鑄件尺寸公差。如何通過鑄造的方法，直接滿足顧客公差要求，是鑄造工藝設計的一個難點。

圖2 閥體正視圖

圖3 閥體剖視圖

1.2 力學性能難點分析

閥體的材質(zhì)牌號為ASTMA216 GRWCC與ZG 20 Mn相近，ZG 20 Mn的力學性能要求及客戶對性能要求見表1（根據(jù)標準JB/T 6402-2006中規(guī)定）。通過力學性能要求對比，分析出閥體的硬度、強度和低溫沖擊韌性方面較難達到。

表1 顧客要求的性能與標準性能對照

根據(jù)與此材質(zhì)相近的幾種船廠、礦機產(chǎn)品的正回火處理情況評估，在有利于得到較高硬度的成分內(nèi)控下，即使正火噴水霧，鑄件本體硬度基本在130 HB～143 HB，試驗多組-20℃的AKV，均值基本剛夠標準，但20%的試樣個值低于最低要求。對于抽水蓄能這樣高標準要求的產(chǎn)品，采用以前的工藝方案不可取，如何優(yōu)化工藝方案，滿足顧客力學性能要求是一個難點。

2 工藝方案實施

2.1 工藝方案設計

2.1.1 造型方案的確定

根據(jù)該類鑄件的結構特點及技術質(zhì)量要求，兼顧到生產(chǎn)操作以及經(jīng)濟性等因素的綜合分析、考慮，并吸取以往生產(chǎn)類似閥殼的經(jīng)驗，選擇圓孔中心作為分型面，采用內(nèi)腔出芯的工藝方案，由于內(nèi)腔芯子較大不宜翻芯，將內(nèi)腔芯分成兩塊，見圖4.采用適當?shù)墓に嚧胧┠芎芎玫剡_到對法蘭和圓孔厚大部位的補縮，且由于采用曲線法設計加工余量代替補貼，不僅能減少鋼水量，也不用去除補貼，能避免采用氣割方法去除補貼引起的鑄造缺陷。

圖4 閥體造型方案

2.1.2 鑄件的冒口及補貼的設計

鑄件的結構及造型方案決定了鑄件的冒口及補貼的設計方案，根據(jù)鑄件熱節(jié)分布、鑄件的模數(shù)、水平補縮距離確定冒口的型號和數(shù)量，再用鑄件補縮液量的校核[2]。冒口的設計采用模數(shù)確定其最小型號，通過補縮液量校核確定冒口最終尺寸，這種方法的基本原理確保冒口最后凝固，并給鑄件提供充裕的補縮液量，確保鑄件組織致密，滿足顧客對鑄件內(nèi)在質(zhì)量的要求。

明冒口的選擇取決于法蘭的模數(shù)，通常計算法蘭的公式為[3]：

式中:S－鑄件截面積，mm;

CL－截面周長（不包括非散熱面,mm.一般M冒=1.2 M件，即可滿足補縮要求，按上述方法，計算法蘭模數(shù)：

M件=S/CL=（32×46）/[2（46+32）-16]=11

M冒=11×1.2=13.2

在下部設置暗冒口，上部設置明冒口的情況下。必須注意在暗冒口與明冒口之間處于熔融狀態(tài)期間能從上部的明冒口向下部的暗冒口補給鋼液，并要求在中間部位凝固之后,暗冒口必須能充分利用其自身的補縮能力。因此,設置暗冒口時,其重量的60%～70%應看作鑄件的一部分進行考慮,以免補縮鋼水量不足而產(chǎn)生縮孔。暗冒口的計算方法與明冒口的計算方法相同。

閥體的中間段即圓弧處,壁薄、且長，若不采取措施,必然會產(chǎn)生縮孔縮松，達不到技術要求。目前，日本,德國等國家根據(jù)實驗，均總結出了一套保證各級探傷要求所需的不同補縮斜度，根據(jù)有關數(shù)據(jù)與不同探傷等級，對不同部位采用了不同的補縮斜度，見圖5，使鑄件自上而下順序凝固，防止了縮孔、縮松，滿足了技術條件要求。

圖5 鑄造工藝方案簡圖

鑄件的補貼及冒口是確定鑄件有無縮松及縮孔決定因素。除模數(shù)計算外，應用MAGMA凝固模擬與模數(shù)計算相互驗證，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、調(diào)整溫度場，有利于順序凝固和有效補縮，確保內(nèi)部組織致密。模擬結果見圖6.

2.2 鑄件內(nèi)應力模擬

通過對鑄件應力模擬，預測鑄件在凝固過程中的收縮及變形情況，設計合理的縮尺和鑄件貼量。

2.3 澆注系統(tǒng)的設計

澆注系統(tǒng)必須保證鋼液平穩(wěn)、迅速且連續(xù)的流入型腔,并能夠順利排氣、浮清，防止局部過熱而產(chǎn)生裂紋、縮孔等缺陷，針對缸體表面積大、壁厚懸殊的特點，應用GS-100澆注系統(tǒng)設計計算軟件，進行模擬優(yōu)化。

圖6 MAGMA凝固模擬

澆注系統(tǒng)包眼為 120 mm的3個,要求快速澆注。計算澆注時間利用GS-100澆注系統(tǒng)設計計算。

計算結果為：澆注時間86 s，

鋼水上升速度:V=h/t，

式中：h為鑄件高度，mm；

計算結果V=14 mm/s.

澆注系統(tǒng)用開放式,截面積比為：

鋼包水口∶直澆口∶橫澆口∶內(nèi)澆口=1∶2.0∶2.5∶5.2

利用MAGAM模擬軟件，對澆注系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化改進，見圖7，設計出最佳的澆注系統(tǒng)。

圖7 閥體充型模擬

3 結論

1）通過模數(shù)計算及MAGMA凝固模擬對閥體的冒口、補貼、冷鐵、砂芯等工藝措施方面做出優(yōu)化設計；

2）通過GS-100澆注系統(tǒng)設計計算軟件及MAGMA的充型模擬，對澆注系統(tǒng)進行模擬驗證，確保澆注過程穩(wěn)定充型；

3）通過MAGMA應力模擬對閥體進行鑄件的熱裂、冷裂、變形模擬，預測鑄件的變形及易產(chǎn)生裂紋的部位，采取相應的解決措施。

［1］單福勝.主機廠抽水蓄能機組現(xiàn)場整體調(diào)試國產(chǎn)化之路［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2012（14）：8.

［2］魏兵，袁森等.鑄件均衡凝固技術及氣應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［3］中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會編.鑄造手冊[M].鑄造工藝.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［4］孫軍，WD 615球墨鑄鐵曲軸的開發(fā)［D］.濟南：山東大學，2008.

［5］邱斌.汽車發(fā)動機缸體低壓鑄造工藝設計及數(shù)值模擬［D］.太原：太原理工大學，2011.

［6］任建剛.抽水蓄能電站價值實現(xiàn)機制研究［D］.北京：華北電力大學,2006.

［7］吳新平.惠州抽水蓄能電站技術供水系統(tǒng)設計與研究［J］.水利水電,2004（02）:66-69.