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，公司實現(xiàn)了單機容量700 MW級及以上水電轉輪鑄件的國產化，打破了我國大型轉輪關鍵鑄件長期依賴進口的局面[1]。隨著我國主要流域大型水電資源開發(fā)進程的不斷完善，目前大型水電鑄件市場總體需求量不斷縮小，轉而是以中小型水電鑄件及抽水蓄能機組鑄件市場需求量居多，根據(jù)電網經濟運行和電源結構調整的要求，抽水蓄能電站將呈規(guī)?；l(fā)展[2]，而抽水蓄能機組轉輪外形扁平，空腔狹小[3]，后期組焊裝配操作難度極大，因此部分主機廠逐步將原有分體式設計結構改為半整鑄式結構(如圖1所示)，由于結構的變化引起的鑄造難度呈指數(shù)級增加。本文通過對該結構產品鑄造凝固補縮、應力變形、澆注卷渣排氣、余量控制等方面進行研究，設置合理的鑄造工藝參數(shù)，生產的新型結構轉輪上冠、下環(huán)鑄件滿足技術質量要求。

1 半整鑄式轉輪鑄件工藝性分析

1.1 產品內部質量風險

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(如圖2中①區(qū)所示)，凝固補縮容易發(fā)生疏松類缺陷；上冠、下環(huán)壁厚相差懸殊(45～372 mm)，各區(qū)域凝固時間相差較大，組織轉變應力復雜，且產品空間結構復雜，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)產生裂紋缺陷；半整鑄式上冠、下環(huán)主體結構為典型的抽水蓄能結構，其曲率較大，進水側部位及部分葉片較為平坦(如圖2中③區(qū)所示)，重力補縮效果較差，容易產生疏松類缺陷。

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

1.2 產品表面質量風險

由于大型復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，但部分碰到砂型上型面時會瞬時凝固粘接在砂型表面，而半整鑄式轉輪鑄件多數(shù)曲面結構型腔狹小、結構平坦，在上型面處容易發(fā)生夾渣類缺陷；下環(huán)所帶葉片結構澆注時容易憋氣產生孔洞類表面缺陷。

1.3 尺寸保證難度

半整鑄式轉輪零件空間結構復雜、異形曲面結構多、尺寸互相聯(lián)動。該結構產品屬公司首次生產，凝固階段線收縮率及應力變形、熱處理階段變形情況均無成熟技術參數(shù)，工藝余量精確設置是一大難點，制造環(huán)節(jié)如何確保尺寸滿足工藝要求是另一大難點。

2 鑄造工藝設計

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

2.1 冒口及補貼設置

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

2.2 加工余量及縮尺設置

根據(jù)多年生產積累的經驗，初步設定產品凝固過程線收縮率，采用MAGMA模擬軟件驗證分析后，發(fā)現(xiàn)上冠、下環(huán)的總體線收縮率與預設值基本吻合，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

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

2.4 裂紋風險預防

該轉輪鑄件材料為Cr13Ni4型馬氏體不銹鋼，從材料特性及產品結構分析，裂紋風險主要發(fā)生于葉片與上冠、下環(huán)交接R部位，通過MAGMA模擬進一步證實：上冠、下環(huán)的熱裂傾向主要集中在葉片末端區(qū)，熱裂缺陷形成時期在液固相區(qū)，該時期葉片末端區(qū)上部有冒口可提供足夠鋼液補縮，熱裂點實際主應變率一直小于參考應變率，無明顯的開裂風險，但從鑄件質量安全考慮，仍將葉片與過流面相交的所有鑄造圓角適當增大。另外，通過模擬分析了不同砂型強度對產生裂紋的影響，造型時對不同部位砂型的樹脂、固化劑加入量進行調整，通過面砂、背砂強度的差異化控制，有效預防產品的裂紋風險，圖3為轉輪下環(huán)的熱裂應變曲線，圖4為其冷裂模擬結果。

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

圖4 轉輪下環(huán)冷裂模擬結果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，在上述部位設置了集渣排氣結構，避免了鑄件可能出現(xiàn)的表面缺陷。

3 冶煉工藝

本文產品材料為ZG04Cr13Ni4Mo，鋼水采用EF+LF+VOD冶煉工藝，為了保證產品內外部質量，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)保護澆注。

4 產品檢驗結果

(1)理化性能

用產品本體實樣做了化學分析、力學性能試驗，結果均符合技術標準要求，其中實測wC=0.026%、wP=0.009%、wS=0.002%、wCu+wW+wV=0.1%、wO=48×10-6、wN=127×10-6，實現(xiàn)了低C、低N、低有害元素及低氣體含量的優(yōu)良結果。

(2)無損檢測

按產品制造技術規(guī)范要求采用CCH70-3標準對轉輪鑄件進行了100%UT、MT檢測，UT采用DAC方法，使用2 MHz標準直探頭和橫波探頭分別進行檢測，均未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，產品整體可探性良好、材質衰減系數(shù)較小、底波反射良好，整體內部質量優(yōu)良，產品實物圖片見圖5。

(3)型線尺寸

采用V-STARS攝影測量系統(tǒng)對產品進行三維檢測，發(fā)現(xiàn)轉輪上冠、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協(xié)議要求。

5 結論

(1)通過熱節(jié)圓法設計T型部位補貼，合理設計冒口及澆注系統(tǒng)，采用模擬軟件預測縮孔、縮松及裂紋等缺陷風險后進行工藝優(yōu)化，解決了半整鑄式復雜結構轉輪鑄件內部質量難以保證的問題。

(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壓區(qū)域設計集渣及通氣結構，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，可有效保障產品化學成分符合要求，減少鋼液充型過程一次及二次氧化渣的形成。