基于MAGMAsoft數(shù)值模擬的水輪機(jī)導(dǎo)葉鑄造工藝研究

吳彥軍，李鵬

1.概述

活動導(dǎo)葉是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中最重要的過流部件，如圖1所示。活動導(dǎo)葉長期工作在泥沙和水流的沖擊環(huán)境下，要求耐泥砂磨損、耐腐蝕、耐空蝕以及良好的力學(xué)性能，因此多采用低碳馬氏體不銹鋼進(jìn)行鑄造。

由于活動導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，瓣體在長短軸之間且小于長短軸的壁厚，整體鑄造后其內(nèi)部質(zhì)量往往不穩(wěn)定，易于產(chǎn)生縮松、縮孔、沖砂等鑄造缺陷。以往在導(dǎo)葉鑄件的生產(chǎn)中，有臥式和立式兩種鑄造工藝方法，臥式工藝方法由于出品率低，長軸變形嚴(yán)重需要矯形或補(bǔ)焊，以及易產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷而很少采用。立式鑄造工藝（見圖2）因其造型簡單，不易產(chǎn)生變形，以及鑄造缺陷少等優(yōu)點(diǎn)成為主流的鑄造工藝方法。然而這種工藝方法加工余量大，且對于高水頭電站的長瓣體，短長軸的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，采用立式鑄造工藝無法在長短軸和瓣體之間形成良好的補(bǔ)縮通道，瓣體和軸連接處的鑄造質(zhì)量難以保證，在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)軸線縮松、縮孔，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鑄件報(bào)廢（見圖3），工藝適用性差。因此對于長瓣體結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉，仍需采用臥式鑄造工藝方法。

本文針對具有長瓣體結(jié)構(gòu)的國內(nèi)某大型水電站活動導(dǎo)葉（導(dǎo)葉總長3810mm，瓣體長2270mm，凈重3460kg）設(shè)計(jì)了臥式鑄造工藝方法，并利用鑄造模擬軟件MAGMAsoft對其充型及凝固過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證優(yōu)化鑄造工藝，解決長瓣體結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉在以往制造中的鑄造質(zhì)量問題。

2.導(dǎo)葉鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

利用三維造型軟件對導(dǎo)葉鑄件進(jìn)行實(shí)體造型，然后采用模數(shù)法對鑄件各部位模數(shù)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)鑄件的冒口、澆注系統(tǒng)、冷鐵，以及集砂排砂通道數(shù)量和尺寸，具體方案如圖4所示。

（1）利用兩個(gè)明冒口補(bǔ)縮瓣體及其與長短軸的過渡區(qū)，保證這些部位內(nèi)部質(zhì)量。

（2）在長軸上布置隨形外冷鐵，短軸上布置端部外冷鐵，保證壁厚較大的長短軸形成合理的溫度梯度，同時(shí)有利于控制長軸在各方向上翹曲變形。

圖1 軸流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

（3）針對長短軸易產(chǎn)生砂眼、夾渣等缺陷，在鑄件長短軸及瓣體上設(shè)置集渣槽及出氣孔。

（4）采用開放式底返澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道總截面積比為1:2:4，有利于鑄件平穩(wěn)充型，利于排渣、排氣。

3.導(dǎo)葉數(shù)值模擬結(jié)果分析

將上述編制的鑄造工藝實(shí)體文件在MAGMAsoft軟件中進(jìn)行建模，設(shè)定初始條件，如澆注溫度、澆注時(shí)間等，定義材料屬性如鑄件材質(zhì)、型砂、冷鐵以及邊界條件等，然后對導(dǎo)葉鑄件充型與凝固過程的流場、溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果分析如下。

（1）凝固過程的溫度場模擬結(jié)果分析 導(dǎo)葉鑄件凝固過程的溫度場模擬結(jié)果如圖5a～圖5d所示。從圖5a可以看出，在鋼液充型剛結(jié)束后，鑄件的大部分溫度在1540～1547℃，比澆注溫度（1560℃）低13～20℃，這是由于鋼液充型過程中和鑄型發(fā)生了熱傳導(dǎo)，造成了熱量損失。長軸處溫度較低，在（1490±10）℃，說明冷鐵起到了良好的激冷作用。圖5b、圖5c、圖5d分別為鑄件凝固30%、70%、100%時(shí)的溫度分布，從圖中可以看出，隨著凝固時(shí)間的延長，鑄件溫度呈現(xiàn)中心向四周遞減的趨勢，形成了良好的溫度梯度，冒口處最后凝固，溫度約為1408℃，長短軸兩端溫度最低，溫度在852～944℃，符合順序凝固的溫度分布規(guī)律。

（2）凝固后縮孔、縮松缺陷的模擬結(jié)果分析 利用MAGMAsoft的后處理程序顯示的導(dǎo)葉鑄件縮孔、縮松模擬結(jié)果如圖6所示。從圖中鑄件各部位孔隙率的顯示結(jié)果中可以看出，鑄件除冒口外，本體上無縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生，冒口收縮區(qū)距離本體有一定的安全距離，工藝設(shè)計(jì)符合預(yù)期的效果。經(jīng)過對實(shí)際生產(chǎn)的導(dǎo)葉鑄件粗加工后進(jìn)行無損檢測，導(dǎo)葉各部位UT、PT檢測結(jié)果分別符合《CCH 70-3水力機(jī)械鑄鋼件檢驗(yàn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)2級要求，驗(yàn)證了工藝措施和數(shù)值模擬預(yù)測的科學(xué)性。

圖2 導(dǎo)葉立式鑄造工藝

圖3 立式鑄造導(dǎo)葉軸線縮松區(qū)

圖4 導(dǎo)葉鑄造工藝方案示意

圖5 導(dǎo)葉鑄件凝固過程的溫度場模擬

（3）凝固后應(yīng)力場的模擬結(jié)果分析 圖7是導(dǎo)葉鑄件凝固后各方向應(yīng)力場模擬。從圖7a～圖7c可以看出，鑄件凝固后其整體應(yīng)力分布較為均勻，但在長軸端部的應(yīng)力要明顯高于其他部位，Y、Z方向上的應(yīng)力分別達(dá)到了209MPa、284MPa。當(dāng)鑄件凝固時(shí)，在溫度變化的情況下彈性體如果受到外在約束，以及周圍相鄰各單元體之間的相互牽制作用，導(dǎo)致形變不能自由發(fā)生，于是便產(chǎn)生了應(yīng)力，即所謂的溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）。這個(gè)溫度應(yīng)力將由于物體的彈性引起附加的變形。因此，在變溫情況下應(yīng)力越大，鑄件的變形量就越大，這說明導(dǎo)葉鑄件在其長軸端部最容易發(fā)生翹曲變形。

圖8是導(dǎo)葉鑄件凝固后各方向變形量模擬。從圖8a可以看出，鑄件凝固后其X方向上變形量分布很均勻，沿X軸由兩端向鑄件中心收縮，只需設(shè)定合理的縮尺即可滿足各部位加工量均勻。但在Y、Z方向，其長軸端部的變形量沒有按照軸向規(guī)律收縮，而是發(fā)生了翹曲變形，其中Y方向的變形量為-6～-8mm，Z方向的變形量為5～8mm，這與應(yīng)力場的模擬結(jié)果相吻合。這說明工藝預(yù)留的長軸加工余量13mm是合理的，不用預(yù)留反變形量即可以保證鑄件后續(xù)的加工要求。在后續(xù)的鑄件實(shí)際生產(chǎn)中，一臺份24件導(dǎo)葉鑄件的劃線結(jié)果與模擬預(yù)測結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了工藝措施和數(shù)值模擬的科學(xué)性。

4.結(jié)語

（1）針對長瓣體結(jié)構(gòu)水輪機(jī)活動導(dǎo)葉在以往生產(chǎn)中存在的質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了臥式鑄造工藝，并合理設(shè)置工藝參數(shù)，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，此工藝方案可有效降低臥式鑄造工藝中經(jīng)常出現(xiàn)的變形、砂眼、氣孔等缺陷。

（2）通過利用MAGMAsoft模擬軟件對鑄件溫度場、應(yīng)力場分析，準(zhǔn)確地預(yù)測了鑄件內(nèi)部質(zhì)量及長軸的變形量，與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證并優(yōu)化了鑄造工藝。

（3）按照此工藝方案生產(chǎn)的導(dǎo)葉鑄件內(nèi)外部質(zhì)量優(yōu)良，質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，說明此工藝方案的先進(jìn)性，為生產(chǎn)類似長瓣體結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉鑄件提供了參考方法。

圖6 導(dǎo)葉鑄件縮孔、縮松缺陷的模擬結(jié)果

圖7 導(dǎo)葉鑄件凝固后各方向應(yīng)力場模擬

圖8 導(dǎo)葉鑄件凝固后各方向變形量模擬