大型水電轉(zhuǎn)輪體鑄件的研制

張川 韓童童 張軍寶 唐賢其

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

近年隨著國家能源政策優(yōu)化調(diào)整，逐步縮小化石能源發(fā)電占比，開始向清潔能源發(fā)電傾斜，水力發(fā)電作為清潔能源發(fā)電的主力軍，近年發(fā)展勢頭良好。同時(shí)，面臨生態(tài)保護(hù)問題，我國在大力推動(dòng)水電設(shè)備朝著大型化、清潔高效方向發(fā)展。大型軸流式水電機(jī)組是水電市場的主流產(chǎn)品之一，其中轉(zhuǎn)輪體鑄件是整個(gè)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的“心臟”，作為傳遞扭矩、承載載荷的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部質(zhì)量及尺寸要求較高。

本文通過研究轉(zhuǎn)輪體鑄件T字形熱節(jié)伸出方法，制定合理的鑄造工藝，成功制造出大型水電轉(zhuǎn)輪體鑄件。

1 技術(shù)質(zhì)量要求

公司為某企業(yè)承制的轉(zhuǎn)輪體鑄件，材質(zhì)JIS G5102 SCW480(接近于G20Mn5)，最大尺寸S?3200 mm×h2790 mm，產(chǎn)品凈重達(dá)58 t，無損檢測要求高(CCH70-3 《水力機(jī)械鑄鋼件檢驗(yàn)規(guī)范》Ⅱ級)，超聲檢測范圍基本覆蓋鑄件所有關(guān)鍵部位。轉(zhuǎn)輪體鑄件本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然補(bǔ)縮斜度差，且“油缸”內(nèi)自帶5條加強(qiáng)筋，進(jìn)一步加大補(bǔ)縮難度，質(zhì)量保障難度較大。具體化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，無損檢測要求見圖1。

表1 鑄件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of castings(mass fraction, %)

表2 鑄件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of castings

UT:Ⅰ區(qū)按CCH70-3 Ⅱ級,其余部位不檢測MT:整體按CCH70-3 Ⅱ級

2 鑄件結(jié)構(gòu)性分析

該轉(zhuǎn)輪體鑄件主體壁厚≥240 mm，最大熱節(jié)圓397 mm，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱節(jié)分布零散，補(bǔ)縮難度大。轉(zhuǎn)輪體共有6個(gè)孤立熱節(jié)圓(見圖2)，鑄造工藝難點(diǎn)主要為T字形熱節(jié)(②號熱節(jié))伸出及孔區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量保障。結(jié)合鑄鋼件逐層補(bǔ)縮特性，鑄造工藝主體設(shè)計(jì)思路為采用分散冒口補(bǔ)縮方案，在重力方向上，通過設(shè)置合理的補(bǔ)縮通道，實(shí)現(xiàn)自下而上孤立熱節(jié)圓的補(bǔ)縮通道順暢；在周向上，根據(jù)該類材料的補(bǔ)縮能力，設(shè)置合理的補(bǔ)縮距離，滿足分區(qū)周向補(bǔ)縮需求；確保轉(zhuǎn)輪體鑄件最后凝固部位全部集中到各個(gè)分區(qū)的冒口區(qū)，避免鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔缺陷。

圖2 轉(zhuǎn)輪體鑄件熱節(jié)分布圖Figure 2 Hot spot distribution diagramof runner hub casting

3 鑄造工藝

3.1 鑄造工藝方案確定

根據(jù)轉(zhuǎn)輪體鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和無損檢測要求，初步設(shè)計(jì)了兩種鑄造工藝方案，分別為筋板朝上及筋板朝下方案，見圖3。從經(jīng)濟(jì)性角度對比，兩種方案均采用5個(gè)分散冒口方案時(shí)，筋板朝上方案比筋板朝下方案節(jié)約鋼水5 t；從質(zhì)量角度對比，利用MAGMA仿真軟件模擬發(fā)現(xiàn)，筋板朝下方案增肉位置存在中心線縮松的風(fēng)險(xiǎn)；從造型操作角度對比，筋板朝下方案外模需采用全組芯造型方式，操作難度更大，不利于鑄件尺寸控制；從清理角度對比，筋板朝下方案外側(cè)增肉更長，熱割面積大，清理任務(wù)量較大。綜上，鑄造工藝方案選擇筋板朝上方案。

筋板朝上方案②號熱節(jié)從內(nèi)腔設(shè)置增肉比從外側(cè)設(shè)置增肉大約節(jié)約10 t鋼水，且有利于重力方向補(bǔ)縮，綜合考慮質(zhì)量及成本因素，對轉(zhuǎn)輪體鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)與用戶溝通同意后，將內(nèi)腔5條筋板改為焊接件(見圖4)。

圖4 轉(zhuǎn)輪體鑄件結(jié)構(gòu)調(diào)整Figure 4 Adjustment of casting structure of runner hub

3.2 熱節(jié)圓伸出

保障鑄件內(nèi)部質(zhì)量的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮通道順暢。掌握不同結(jié)構(gòu)熱節(jié)的伸出方法，有助于提高鑄造工藝設(shè)計(jì)效率，更好保障鑄件質(zhì)量。該轉(zhuǎn)輪體鑄件熱節(jié)主要有一字形和T字形兩種熱節(jié)圓，其中一字形熱節(jié)圓容易伸出，T字形熱節(jié)圓伸出時(shí)需要考慮因結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致的初始熱節(jié)圓部位散熱差的影響，加大伸出的斜度。

該轉(zhuǎn)輪體鑄件③號與④號熱節(jié)圓屬于一字形熱節(jié)，初始熱節(jié)圓位置沒有交叉熱節(jié)，按初始熱節(jié)圓的1.05倍伸出熱節(jié)，見圖5。

利用MAGMA仿真軟件對一字形熱節(jié)伸出方式進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果(見圖6)顯示，按照1.05倍伸出方式，沒有孤立液池存在，補(bǔ)縮通道順暢。

該轉(zhuǎn)輪體鑄件②號熱節(jié)圓屬于T字形熱節(jié)，該位置存在交叉熱節(jié)，且往下的分叉部位壁厚與增肉側(cè)壁厚相當(dāng)，因此該初始熱節(jié)圓散熱性差，實(shí)際熱節(jié)往往比幾何熱節(jié)大。分別按1.05倍伸出、1.1倍伸出、1.1倍伸出+上部斜度三種方式伸出熱節(jié)，見圖7。

利用MAGMA仿真軟件對T字形熱節(jié)三種伸出方式進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果(見圖8、9)顯示，1.05倍伸出方式和1.1倍伸出方式均存在明顯孤立液池，補(bǔ)縮通道不順暢，縮孔缺陷明顯；按1.1倍伸出+上部斜度縮孔方式補(bǔ)縮通道順暢，無縮孔缺陷，可見對于T字形熱節(jié)1.1倍伸出+上部斜度熱節(jié)伸出方式更有效，同時(shí)需要保障增肉的寬度達(dá)到增肉最大厚度的1.5倍及以上。

3.3 冒口及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用模數(shù)法和補(bǔ)縮量校核法，確定頂部冒口的大??；通過合理的補(bǔ)縮距離設(shè)置，滿足周向補(bǔ)縮的需要，最終確定冒口個(gè)數(shù)為3個(gè)。澆注系統(tǒng)采用兩層開放式的階梯式澆注系統(tǒng)，有利于鋼液平穩(wěn)澆注，避免鋼液飛濺、紊流產(chǎn)生二次氧化渣，同時(shí)避免底層鋼水過熱產(chǎn)生補(bǔ)縮類缺陷。根據(jù)鋼液上升速度，確定包孔的大小和數(shù)量，包孔總截面積∶橫澆口總截面積∶內(nèi)澆口總截面積=1∶2∶2.2。

3.4 模擬結(jié)果

利用MAGMA軟件對最終鑄造方案進(jìn)行凝固模擬，模擬結(jié)果顯示，鑄件補(bǔ)縮通道順暢，縮孔缺陷全部集中到冒口區(qū)域，鑄件本體無縮孔缺陷，工藝方案合理。凝固模擬照片見圖10。

4 工序過程控制

生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的鑄件，除了合理的工藝設(shè)計(jì)外，規(guī)范的操作也至關(guān)重要。本產(chǎn)品的木模通過數(shù)控加工成型，保障模型尺寸精準(zhǔn)度。造型過程中通過卡樣板等方式，精準(zhǔn)控制下芯尺寸。造型現(xiàn)場對冷鐵尺寸及位置、型腔清潔度做了詳細(xì)檢查，保障了造型工序操作與工藝一致性。鋼水采用LF(S)(熔渣精煉)，澆注時(shí)滑板吹氬。

該件打箱后切割冒口前進(jìn)行低溫退火熱處理，消除鑄造殘余應(yīng)力；切割冒口增肉后進(jìn)行消應(yīng)熱處理，消除熱割過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減少變形和裂紋傾向；性能熱處理采用調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)，細(xì)化晶粒，形成珠光體，大幅提高材料的強(qiáng)度和韌性，得到較好的綜合力學(xué)性能。加工、精整后進(jìn)行消應(yīng)熱處理，消除焊接和加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，避免變形，并降低焊補(bǔ)區(qū)的硬度。該產(chǎn)品試料實(shí)測的力學(xué)性能及本體硬度均滿足技術(shù)質(zhì)量要求。

由于筋板重量較重，尺寸公差要求嚴(yán)，焊接空間有限，筋板焊接難度較大。焊接流程控制如下：待焊部位打點(diǎn)劃線→待焊部位MT、UT合格→筋板質(zhì)量檢查→筋板裝配→尺寸檢查→焊前預(yù)熱→筋板焊接→NDT、尺寸檢查→消應(yīng)→筋板焊縫MT/PT/UT/硬度檢查→自檢→聯(lián)檢。

5 質(zhì)量狀況

為了全面掌握該類帶轉(zhuǎn)輪體鑄件的內(nèi)部質(zhì)量情況，除按照技術(shù)質(zhì)量要求對孔部位及上下法蘭位置按CCH70-3 Ⅱ級無損檢測外，其余部位均按照Ⅱ級進(jìn)行摸底檢測。檢測結(jié)果顯示鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，UT零缺陷。同時(shí)轉(zhuǎn)輪體鑄件整體尺寸良好，無漲肉焊補(bǔ)情況。

6 結(jié)論

(1)T字形熱節(jié)按1.1倍熱節(jié)+上部斜度方式伸出，同時(shí)保障增肉的寬度達(dá)到增肉最大厚度的1.5倍及以上，補(bǔ)縮通道順暢，無縮孔風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)及精細(xì)的現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)大型轉(zhuǎn)輪體鑄件UT零缺陷，內(nèi)部質(zhì)量可達(dá)到CCH70-3 UT Ⅱ級。