抽水蓄能電站閥體鑄造工藝研究

■ 廖瓊，許諾，張亞才

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抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中的一種儲(chǔ)能裝置，具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、壽命周期長(zhǎng)、容量大等特點(diǎn)，是我國(guó)新能源發(fā)展的重要組成部分。 截至2017年底，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量已居世界第一，在運(yùn)規(guī)模2849萬(wàn)kW，在建規(guī)模達(dá)3871萬(wàn)kW。

本文主要介紹我公司為河北豐寧抽水蓄能電站項(xiàng)目生產(chǎn)的大型閥體鑄件的鑄造工藝，應(yīng)用MAGMASOFT鑄造模擬軟件對(duì)鑄造過程溫度場(chǎng)、縮孔產(chǎn)生趨勢(shì)進(jìn)行模擬，優(yōu)化確定鑄造工藝參數(shù)，并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)出符合用戶技術(shù)要求的閥體鑄件，全面掌握該產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)。

1. 鑄造工藝研究

閥體是抽水蓄能球閥的關(guān)鍵部件，分為左閥體和右閥體，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。左右閥體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行鑄造。豐寧項(xiàng)目閥體單瓣閥體最大輪廓尺寸為4200mm×3100mm×2400mm，凈重約42t，最大壁厚約560mm，最小壁厚80mm，材料牌號(hào)為ASTM A148 GR80-50。由于閥體輪廓尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差大，表面及內(nèi)部質(zhì)量要求高，補(bǔ)焊及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，制造難度較大，因此我公司對(duì)其鑄造工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究。

圖1 閥體鑄件結(jié)構(gòu)示意

（1）澆注位置及分型面 閥體的主要剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。考慮閥體鑄件球體壁厚的特點(diǎn)，為保證順序凝固、模樣結(jié)構(gòu)和造型操作的需要，采用瓦口朝下的方式進(jìn)行鑄造。分型面設(shè)在鑄件上表面，上箱只有冒口，可有效避免錯(cuò)箱問題。

圖2 右閥體主要部位剖面結(jié)構(gòu)

（2）造型方法及操作要點(diǎn) 造型方法采用部分實(shí)樣+地坑組芯的方式，以便于現(xiàn)場(chǎng)操作和型腔尺寸的測(cè)量。

中間內(nèi)腔芯芯頭采用木實(shí)樣，外型采用組芯方式，上箱冒口采用砂箱舂制。

造型操作時(shí)，先打制加固硬砂床，在砂床四角放置排氣管。主型舂完后，刻出中心線，作為下芯操作的起始基準(zhǔn)，以便與內(nèi)腔芯對(duì)應(yīng)下芯。由于閥體中間內(nèi)腔砂芯尺寸很大，需設(shè)置芯砂排氣管道引至砂芯中間，砂芯中間放置疏松層，保證其透氣性和退讓性。砂芯舂制時(shí)，注意臥好排氣管，保證排氣暢通，砂芯內(nèi)氣體從兩側(cè)引出。下好內(nèi)腔芯后，芯內(nèi)鋼管兩端接鋼管或陶瓷管引氣到上箱外；用鉻鐵礦樹脂砂補(bǔ)好上方芯吊處并刷3遍涂料。

該鑄件為組芯造型，下芯時(shí)注意砂芯位置的準(zhǔn)確性，并塞好芯縫。下芯時(shí)注意使用下芯檢查樣板，保證砂芯位置準(zhǔn)確。

（3）冒口及補(bǔ)貼設(shè)計(jì) 根據(jù)閥體鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證鑄件的致密性，采用明暗冒口相結(jié)合的方式對(duì)鑄件進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)縮，共設(shè)置1個(gè)明冒口和3個(gè)暗冒口。在分型面以上軸孔位置設(shè)置1個(gè)明冒口，對(duì)閥體鑄件主體部位進(jìn)行補(bǔ)縮，由于鑄件壁厚差極大，并在軸孔及球體內(nèi)腔部位設(shè)計(jì)人為補(bǔ)貼作為補(bǔ)縮通道，以保證補(bǔ)縮通道暢通。同時(shí)使用冒口發(fā)熱保溫劑，提高冒口的補(bǔ)縮能力。在支腳部位設(shè)置3個(gè)暗冒口，分別對(duì)支腳筋板進(jìn)行補(bǔ)縮。閥體鑄件冒口設(shè)置如圖3所示。

（4）外冷鐵設(shè)置 在閥體鑄件瓦口下端及支腳底部（按造型方向）設(shè)置外冷鐵（見圖3），以形成合理的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固的要求，避免出現(xiàn)縮孔、疏松缺陷。

圖3 右閥體鑄造冒口及冷鐵設(shè)置

（5）澆注系統(tǒng)及澆注過程 采用開放式澆注系統(tǒng)，保證澆注過程平穩(wěn)順暢，內(nèi)澆口處液流對(duì)砂型的沖刷小并達(dá)到型腔液面平穩(wěn)上升的目的。由于鑄件較高，內(nèi)澆口設(shè)計(jì)兩層，應(yīng)注意保證同一層的內(nèi)澆口在同一高度。澆注系統(tǒng)內(nèi)要清潔，不能有浮砂。采用φ90mm×2包孔，雙包孔同時(shí)澆注，澆注后向冒口撒保溫劑，厚度＞200mm。

（6）工藝模擬結(jié)果 應(yīng)用MAGMASOFT鑄造模擬軟件進(jìn)行凝固過程數(shù)值模擬。通過對(duì)鑄造工藝方案的模擬優(yōu)化，不斷調(diào)整工藝參數(shù)，選取合適的冒口、補(bǔ)貼及外冷鐵，消除產(chǎn)生縮孔的傾向，有效保證了鑄件內(nèi)部的整體致密性。最終模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 右閥體鑄造工藝模擬結(jié)果

通過模擬結(jié)果可以看出，該工藝方案下，閥體鑄件溫度呈梯度均勻變化，可以滿足順序凝固的要求，同時(shí)能夠滿足對(duì)鑄件補(bǔ)縮的要求，可避免出現(xiàn)縮孔、疏松缺陷。

2. 生產(chǎn)驗(yàn)證

閥體鑄件按照上述鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)尺寸檢測(cè)、超聲波及磁粉無損檢測(cè)，均滿足用戶技術(shù)條件要求，為此類產(chǎn)品的后續(xù)生產(chǎn)訂貨打下了良好的基礎(chǔ)。圖5為實(shí)際生產(chǎn)的閥體鑄件。

3. 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)“十三五”規(guī)劃，抽水蓄能電站有著廣闊的前景，閥體鑄件有著極大的需求。我們成功地制造出符合用戶要求的產(chǎn)品，將為我公司贏取新的訂單、為占領(lǐng)更加廣闊的市場(chǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。