半整鑄式轉(zhuǎn)輪鑄件工藝研究

張軍寶 楊曉兵 呂友清 韓童童 陳磊 雷小波

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽618013)

十五～十三五期間，公司實(shí)現(xiàn)了單機(jī)容量700 MW級及以上水電轉(zhuǎn)輪鑄件的國產(chǎn)化，打破了我國大型轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵鑄件長期依賴進(jìn)口的局面[1]。隨著我國主要流域大型水電資源開發(fā)進(jìn)程的不斷完善，目前大型水電鑄件市場總體需求量不斷縮小，轉(zhuǎn)而是以中小型水電鑄件及抽水蓄能機(jī)組鑄件市場需求量居多，根據(jù)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電源結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，抽水蓄能電站將呈規(guī)模化發(fā)展[2]，而抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪外形扁平，空腔狹小[3]，后期組焊裝配操作難度極大，因此部分主機(jī)廠逐步將原有分體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改為半整鑄式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，由于結(jié)構(gòu)的變化引起的鑄造難度呈指數(shù)級增加。本文通過對該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品鑄造凝固補(bǔ)縮、應(yīng)力變形、澆注卷渣排氣、余量控制等方面進(jìn)行研究，設(shè)置合理的鑄造工藝參數(shù)，生產(chǎn)的新型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)鑄件滿足技術(shù)質(zhì)量要求。

1 半整鑄式轉(zhuǎn)輪鑄件工藝性分析

1.1 產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

在上冠、下環(huán)本體與葉片的交接部位，形成了空間扭曲變化的T型熱結(jié)(如圖2中①區(qū)所示)，凝固補(bǔ)縮容易發(fā)生疏松類缺陷；上冠、下環(huán)壁厚相差懸殊(45～372 mm)，各區(qū)域凝固時(shí)間相差較大，組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力復(fù)雜，且產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造凝固過程中砂型各部位收縮阻力不一致，容易在交接R區(qū)域(如圖2中②區(qū)所示)產(chǎn)生裂紋缺陷；半整鑄式上冠、下環(huán)主體結(jié)構(gòu)為典型的抽水蓄能結(jié)構(gòu)，其曲率較大，進(jìn)水側(cè)部位及部分葉片較為平坦(如圖2中③區(qū)所示)，重力補(bǔ)縮效果較差，容易產(chǎn)生疏松類缺陷。

圖2 半整鑄式轉(zhuǎn)輪鑄件示意圖Figure 2 Schematic diagram of semi-integral casting type rotary wheel casting

1.2 產(chǎn)品表面質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

由于大型復(fù)雜鑄鋼件砂型手工造型的特性，在澆注過程中會有部分浮砂及氧化渣隨鋼水上浮，大部分會隨鋼水上浮至冒口內(nèi)，但部分碰到砂型上型面時(shí)會瞬時(shí)凝固粘接在砂型表面，而半整鑄式轉(zhuǎn)輪鑄件多數(shù)曲面結(jié)構(gòu)型腔狹小、結(jié)構(gòu)平坦，在上型面處容易發(fā)生夾渣類缺陷；下環(huán)所帶葉片結(jié)構(gòu)澆注時(shí)容易憋氣產(chǎn)生孔洞類表面缺陷。

1.3 尺寸保證難度

半整鑄式轉(zhuǎn)輪零件空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異形曲面結(jié)構(gòu)多、尺寸互相聯(lián)動。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品屬公司首次生產(chǎn)，凝固階段線收縮率及應(yīng)力變形、熱處理階段變形情況均無成熟技術(shù)參數(shù)，工藝余量精確設(shè)置是一大難點(diǎn)，制造環(huán)節(jié)如何確保尺寸滿足工藝要求是另一大難點(diǎn)。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品過流面及葉片表面均屬空間異形曲面，其余表面為規(guī)則的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，考慮產(chǎn)品凝固補(bǔ)縮質(zhì)量、砂型鑄造可操作性、尺寸控制等因素，確定了產(chǎn)品鑄造工藝方案。

2.1 冒口及補(bǔ)貼設(shè)置

上冠本體補(bǔ)縮斜度較好，考慮T型熱節(jié)及其余區(qū)域的順序凝固補(bǔ)縮通道建立，依據(jù)M冒口≥1.2M件原則計(jì)算冒口大小，通過水平方向分區(qū)、高度方向逐級補(bǔ)縮的方式確保產(chǎn)品質(zhì)量。下環(huán)凝固補(bǔ)縮條件相對較差，T型熱節(jié)無法通過本體順序補(bǔ)縮，本文采用熱節(jié)圓法設(shè)計(jì)T型部位的補(bǔ)貼，并采用外冷鐵工藝減小凝固末端的模數(shù)，形成更良好的補(bǔ)縮通道，上冠、下環(huán)鑄造工藝經(jīng)MAGMA凝固模擬驗(yàn)證，均無縮孔、縮松缺陷顯示，補(bǔ)縮通道順暢，鑄件無內(nèi)部缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 加工余量及縮尺設(shè)置

根據(jù)多年生產(chǎn)積累的經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)定產(chǎn)品凝固過程線收縮率，采用MAGMA模擬軟件驗(yàn)證分析后，發(fā)現(xiàn)上冠、下環(huán)的總體線收縮率與預(yù)設(shè)值基本吻合，再全面考慮精整、熱處理等過程變形量，局部采用特殊余量，確定了合理的加工余量。

2.3 造型方式

該產(chǎn)品可以采用3D打印砂芯及傳統(tǒng)制芯、組芯兩個(gè)方式進(jìn)行造型，采用制?！菩尽M芯的方案進(jìn)行造型。

2.4 裂紋風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防

該轉(zhuǎn)輪鑄件材料為Cr13Ni4型馬氏體不銹鋼，從材料特性及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，裂紋風(fēng)險(xiǎn)主要發(fā)生于葉片與上冠、下環(huán)交接R部位，通過MAGMA模擬進(jìn)一步證實(shí)：上冠、下環(huán)的熱裂傾向主要集中在葉片末端區(qū)，熱裂缺陷形成時(shí)期在液固相區(qū)，該時(shí)期葉片末端區(qū)上部有冒口可提供足夠鋼液補(bǔ)縮，熱裂點(diǎn)實(shí)際主應(yīng)變率一直小于參考應(yīng)變率，無明顯的開裂風(fēng)險(xiǎn)，但從鑄件質(zhì)量安全考慮，仍將葉片與過流面相交的所有鑄造圓角適當(dāng)增大。另外，通過模擬分析了不同砂型強(qiáng)度對產(chǎn)生裂紋的影響，造型時(shí)對不同部位砂型的樹脂、固化劑加入量進(jìn)行調(diào)整，通過面砂、背砂強(qiáng)度的差異化控制，有效預(yù)防產(chǎn)品的裂紋風(fēng)險(xiǎn)，圖3為轉(zhuǎn)輪下環(huán)的熱裂應(yīng)變曲線，圖4為其冷裂模擬結(jié)果。

圖3 轉(zhuǎn)輪下環(huán)熱裂應(yīng)變曲線 Figure 3 Hot cracking strain curveof rotary wheel lower ring

圖4 轉(zhuǎn)輪下環(huán)冷裂模擬結(jié)果Figure 4 Simulation results of cold crackingof rotary wheel lower ring

2.5 其他

大型鑄鋼件澆注過程中應(yīng)確保鋼液均勻、迅速、平穩(wěn)地充滿型腔[4]，本文采用了全開放式底返澆注系統(tǒng)，保證充型過程中氣體、氧化渣的順利排出，為了解決垂直度較差區(qū)域及葉片尖角區(qū)域出現(xiàn)的夾渣、憋氣等缺陷，在上述部位設(shè)置了集渣排氣結(jié)構(gòu)，避免了鑄件可能出現(xiàn)的表面缺陷。

3 冶煉工藝

本文產(chǎn)品材料為ZG04Cr13Ni4Mo，鋼水采用EF+LF+VOD冶煉工藝，為了保證產(chǎn)品內(nèi)外部質(zhì)量，冶煉過程需注意C、氣體含量等元素控制及鋼液純凈度控制，為了防止?jié)沧⑦^程鋼水氧化，澆注過程采用惰性氣體(Ar氣)保護(hù)澆注。

4 產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果

(1)理化性能

用產(chǎn)品本體實(shí)樣做了化學(xué)分析、力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中實(shí)測wC=0.026%、wP=0.009%、wS=0.002%、wCu+wW+wV=0.1%、wO=48×10-6、wN=127×10-6，實(shí)現(xiàn)了低C、低N、低有害元素及低氣體含量的優(yōu)良結(jié)果。

(2)無損檢測

按產(chǎn)品制造技術(shù)規(guī)范要求采用CCH70-3標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)輪鑄件進(jìn)行了100%UT、MT檢測，UT采用DAC方法，使用2 MHz標(biāo)準(zhǔn)直探頭和橫波探頭分別進(jìn)行檢測，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，產(chǎn)品整體可探性良好、材質(zhì)衰減系數(shù)較小、底波反射良好，整體內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，產(chǎn)品實(shí)物圖片見圖5。

(3)型線尺寸

采用V-STARS攝影測量系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行三維檢測，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)的余量分布較為均勻，所有部位的余量均符合工藝要求及技術(shù)協(xié)議要求。

5 結(jié)論

(1)通過熱節(jié)圓法設(shè)計(jì)T型部位補(bǔ)貼，合理設(shè)計(jì)冒口及澆注系統(tǒng)，采用模擬軟件預(yù)測縮孔、縮松及裂紋等缺陷風(fēng)險(xiǎn)后進(jìn)行工藝優(yōu)化，解決了半整鑄式復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪鑄件內(nèi)部質(zhì)量難以保證的問題。

(2)通過合理的模型分型及尺寸精度控制，采用傳統(tǒng)的制模、組芯方式可以滿足復(fù)雜曲面類大型鑄鋼件的尺寸要求。

(3)在鑄件型腔容易憋氣的負(fù)壓區(qū)域設(shè)計(jì)集渣及通氣結(jié)構(gòu)，可有效解決異形尖角區(qū)域夾渣及尺寸問題。

(4)采用真空吹氧脫碳精煉工藝及惰性氣體澆注環(huán)境，可有效保障產(chǎn)品化學(xué)成分符合要求，減少鋼液充型過程一次及二次氧化渣的形成。