抽水蓄能葉片鑄件制造過程變形研究

張軍寶 韓童童 劉顯有 郭 義 李 川

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

抽水蓄能電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等重要作用[1]。抽水蓄能電站一般與火電、核電、風(fēng)電等配合運(yùn)行，可以有效調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)生產(chǎn)、供應(yīng)、使用之間的動態(tài)平衡，為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了極大的促進(jìn)作用[2]，并在減少原煤消耗、二氧化碳減排等綠色環(huán)保方面有較大貢獻(xiàn)。目前我國抽水蓄能裝機(jī)占總電力裝機(jī)的比例約為1.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)發(fā)展的需要，未來抽水蓄能機(jī)組的發(fā)展前景十分廣闊。抽水蓄能葉片是抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)核心零部件之一，由于其結(jié)構(gòu)特殊，極易變形，急需掌握其鑄造過程的變形情況，以生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

1 抽水蓄能葉片結(jié)構(gòu)

和傳統(tǒng)的混流式轉(zhuǎn)輪葉片相比，抽水蓄能葉片呈窄、長、薄的空間曲面類結(jié)構(gòu)，以我廠承制的某電站FN抽水蓄能轉(zhuǎn)輪葉片為例，其與下環(huán)相交部位的曲線長度為3150 mm，進(jìn)水邊曲線長度為440 mm，最小壁厚32 mm，最大壁厚92 mm，其表面積體積比為3.5，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽水蓄能葉片結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the pumped storage blade structure

圖2 冒口設(shè)置示意圖Figure 2 Schematic diagram of riser setting

2 鑄造方案

2.1 鑄造方案分析

葉片呈異形板狀類結(jié)構(gòu)，因此混流式葉片一般采用“平撞立澆”的鑄造方式，即進(jìn)水邊一般為澆注時的冒口位置。但抽水蓄能葉片曲率變化較大，進(jìn)、出水邊較短而過流面距離較長，采用常規(guī)進(jìn)水邊朝上的鑄造方式明顯不利于葉片凝固過程的順序補(bǔ)縮梯度保證，容易發(fā)生型線尺寸變形及表面夾渣等鑄造缺陷。綜合考慮FN葉片順序凝固、型線尺寸、表面質(zhì)量、造型操作等因素，采用下環(huán)邊朝上的“平撞立澆”鑄造方式。

圖3 FN葉片凝固階段應(yīng)力變形模擬圖Figure 3 Stress deformation simulation of FN blade in solidification stage

圖4 FN葉片熱處理階段應(yīng)力變形趨勢模擬圖Figure 4 Stress deformation simulation of FN blades in heat treatment stage

圖5 FN葉片澆注系統(tǒng)示意圖Figure 5 Schematic diagram of FN blade pouring system

圖6 FN葉片熱處理裝爐示意圖Figure 6 Installation of FN blade in heat treatment furnace

2.2 冒口設(shè)計(jì)

根據(jù)FN葉片的無損檢測要求，結(jié)合壁厚變化趨勢及熱結(jié)情況，在下環(huán)邊設(shè)置兩個異形冒口(見圖2)，冒口下方設(shè)置凝固補(bǔ)縮通道，并在葉片板面部位設(shè)置補(bǔ)縮梯度，通過冒口及通道進(jìn)行橫向和縱向補(bǔ)縮，使整個葉片呈順序凝固狀態(tài)，確保產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良。

2.3 工藝余量設(shè)計(jì)

FN抽水蓄能葉片呈扁平且細(xì)長的空間曲面薄壁結(jié)構(gòu)，鑄造工藝余量從滿足交貨余量及防變形控制要求考慮設(shè)計(jì)。該葉片要求毛坯余量為5～25 mm，參考以往常規(guī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪葉片變形趨勢，結(jié)合FN葉片凝固及熱處理變形數(shù)值模擬分析結(jié)果，整體工藝余量按10～15 mm設(shè)置，特殊部位單獨(dú)設(shè)置反變形余量。

通過凝固及熱處理階段應(yīng)力數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)凝固階段出水邊靠近下環(huán)邊角落均發(fā)生變形，葉片中間靠進(jìn)水邊區(qū)域也有較小的變形(如圖3所示)，主體部位的變形量為2～7 mm，熱處理階段進(jìn)水邊和出水邊變形趨勢和凝固階段一致，中間區(qū)域變形方向相反(如圖4所示)。

從圖3、圖4可以看出，凝固階段出水邊與熱處理階段的變形趨勢相反，其余區(qū)域的變形趨勢基本一致，通過定量分析并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，熱處理階段的變形量大于凝固階段的變形量，因此，重點(diǎn)從抵御熱處理變形考慮來設(shè)置反變形余量。

2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FN葉片采用Cr13Ni4馬氏體不銹鋼材料，根據(jù)材料的特性及流動性，考慮利于浮渣、排氣、凝固收縮及減少鋼液表面氧化結(jié)膜等因素，采用開放的底注式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道均勻設(shè)置在底部，如圖5所示。

3 熱處理方案

(1)熱處理工藝制度的制定

產(chǎn)品采用A3點(diǎn)以上200℃作為正火奧氏體化溫度，正火后采用先快冷后緩冷的工藝措施，隨后采用A1點(diǎn)以上20～50℃作兩次高低溫回火，穩(wěn)定組織產(chǎn)物，增強(qiáng)材料韌性。

(2)均溫平臺的設(shè)置

結(jié)合材料彈塑性轉(zhuǎn)變溫度及完全奧氏體化(A3點(diǎn))溫度，在產(chǎn)品升溫及降溫階段，設(shè)置合理的升降溫平臺，以此減少產(chǎn)品厚壁位置內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)品因溫度場差異導(dǎo)致的變形。

(3)裝爐方式

結(jié)合產(chǎn)品模擬熱處理變形趨勢，加之鑄造工藝設(shè)置了反變形余量，所以熱處理過程對產(chǎn)品產(chǎn)生的位移與變形不進(jìn)行約束。葉片采用側(cè)立裝，將葉片的下環(huán)邊朝下，讓葉片與墊鐵3根點(diǎn)支撐接觸。批量葉片可一爐多件，但需確保葉片空間間距≥500 mm為宜，以此確保葉片加熱及冷卻均勻，見圖6。

(a)FN葉片木模(正面)

(b)FN葉片毛坯(正面)

(c)FN葉片熱處理后(正面)圖7 余量檢測結(jié)果Figure 7 Allowance test results

4 制造過程及變形分析

4.1 變形模擬分析

從前面凝固及熱處理過程數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，F(xiàn)N葉片在凝固、熱處理兩個關(guān)鍵“熱加工”階段均在進(jìn)、出水邊及中間曲率變化較大的部位存在應(yīng)力變形，變形趨勢基本一致，通過定量分析及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在葉片的相應(yīng)位置設(shè)置工藝反變形余量解決制造變形問題。

4.2 鑄造過程變形分析

圖7(a)、(b)分別為FN葉片(正面)木模、毛坯打箱后三維檢測余量結(jié)果，經(jīng)對比分析，在三維測量復(fù)位基準(zhǔn)基本一致的情況下，發(fā)現(xiàn)葉片A區(qū)變形量約1～6 mm，B區(qū)變形量約-7～3 mm，從變形趨勢看，進(jìn)水邊、出水邊各區(qū)域的變形與仿真模擬趨勢基本一致。

4.3 熱處理過程變形分析

圖7(c)為FN葉片(正面)熱處理后的三維檢測余量結(jié)果，和圖7(b)毛坯對比分析，發(fā)現(xiàn)葉片A區(qū)變形量約3～6 mm，B區(qū)變形量約-4～11 mm，變形與仿真模擬趨勢基本一致，但出水邊變形區(qū)域與凝固階段略有不同，與三維檢測基準(zhǔn)復(fù)位及數(shù)據(jù)擬合運(yùn)算有一定關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，可有效預(yù)測抽水蓄能葉片凝固和熱處理階段的變形趨勢，設(shè)置合理的反變形余量可解決葉片生產(chǎn)過程中的尺寸變形問題。

(2)典型結(jié)構(gòu)抽水蓄能葉片鑄造凝固階段和熱處理階段的變形趨勢基本相同，熱處理過程的平均變形量大于凝固過程。