水轮机X型叶片铸造工艺的研究祥解Word格式文档下载.docx

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叶片是水轮机最重要的零件之一,对它的性能和型线要求非常严格,而X型叶片(如图1)是二十世纪90年代后期国外设计的新型混流式叶片,与传统的混流式叶片(如图2)在形状和性能上有很大的差别,其叶片曲率变化相当大,空间扭曲程度大。

目前X型叶也在国内得到了普遍应用,对于X型叶片的铸造难度较大,主要是叶片变形。

近年来我单位接到很多X型叶片的订单,相对于常规形状叶片而言,针对X型叶片的铸造工艺进行实践的研究十分必要,对X型叶片的生产有很大的指导意义。

图1X型叶片实体

图图2传统混流叶片实体

图3为SF叶片的轮廓尺寸,SF为典型的X型叶片,本文以SF叶片的工艺生产实践为例,进行X型叶片的工艺探讨。

图3SF叶片尺寸

1、技术要求

1.1化学成分和力学性能

SF叶片的化学成分如表1所示,(执行JB/T10384-2002标准)。

表1SF叶片化学成分(%)

牌号

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Mo

ZG06Cr13Ni4Mo

0.06

1.00

0.030

0.035

11.5~13.5

3.5~5.0

0.40~1.00

注:

无范围要求者为最高值

SF叶片的力学性能如表2所示,(执行JB/T10384-2002标准)。

表2SF叶片力学性能

Rp0.2

(N/mm2)

Rm

A

%

Z

Akv

J

HBS

550

750

15

35

45

217-286

无范围要求者为最低值

1.2无损探伤要求

无损探伤按照A609标准执行,UT检查区域为全部,如图4,其中Ⅰ、Ⅲ区域按1级执行;

区域Ⅱ检查要求如下:

在100×

100mm方格内连续检查,从理论加工表面下30mm或1/3厚度(取最小值)为1级,其余内部为4级。

图4无损探伤区域范围

1.工艺方案

正背面各放8mm加工余量,四周18mm加工余量,制作叶片三维实体,叶片毛重为660Kg。

造型方式采用平卧造型,垂直浇注方式,这样有利于冒口的集中补缩,叶片的顺序凝固可有效地减少叶片变形、氧化、缩孔和缩松等铸造缺陷的产生,铸件内部质量好。

2.1冒口的确定

根据叶片壁厚及冒口的补缩距离来确定为冒口,冒口数量为1个,长为500mm,宽为180mm,高度按照比例为500mm,冒口重量为500Kg。

利用模数法验证,

f=Mc/MR[2]

式中:

f为扩大系数(明冒口f≥1.2),MR为冒口模数,Mc为被补缩部分铸件模数。

Mc为:

Mc=Vc/Ac=25.6,MR=VR/SR=61。

f=Mc/MR=2.38>

1.2,说明冒口尺寸比较合适;

冒口最大补缩能力计算:

GCmax=GRx(ŋ-ε)/ε[2](4)

(4)式中:

GCmax为被冒口补缩的铸件最大重量,GR为冒口重量,ŋ为冒口补缩效率,ε为金属液的提收缩率(%)。

明冒口ŋ取14,ZG06Cr13Ni4Mo材质ε取5.3,经计算得出GCmax=820Kg,叶片毛坯重量GC为660Kg,冒口补缩能力足够,说明选择冒口尺寸合适。

2.2浇注系统的确定

包孔选取Φ50,直水口选取Φ60,横口水口采用选取50/60x50,内水口为六道70/80x20,采用底注式浇注系统,如图5,即从叶片的出水边(薄边)进水,保证金属液进入型腔平稳,开放式浇注系统有助于型腔内气体排出;

同时采用缓冲式浇注系统,在保证钢液在铸型内具有一定的上升速度的同时,使钢液能够平稳上升,防止产生紊流,消除局部过热,改善补缩条件。

图5SF叶片浇注系统实体图

2.3反变形量的确定

由于叶片铸件在凝固过程和热处理过程中,其角部区域容易发生翘曲变形行为,特别是X型叶片翘曲变形更为严重,因此我们利用模拟软件对叶片进行应力分析和预判如图5。

图6SF叶片Y方向变形图

从图6可以看出A点为负量在7mm左右,B点为正量在5mmmm,C点为负量在7mm左右,D点为正量在5mm左右,考虑热处理会使变形量增大,所以A、C两点正面增加反变形量12mm,B、D两点背面增加反变形量10mm,变形量面积根据模拟所示。

3、数值模拟

对叶片最终工艺进行温度场模拟,凝固完毕的模拟结果显示如图7,图7a为SF叶片整体的温度场分布,可以看出整个叶片基本为顺序凝固,冒口部位为最后凝固。

图7b中为叶片内部凝固过程中的疏松分布,可以看出疏松都集中分布在冒口区域内和浇道部位,铸件本体内无疏松出现,铸件内在质量良好,证明此工艺可行。

(a)叶片整体温度场分布(b)叶片内部凝固过程中缩松分布

图7凝固过程中SF叶片的温度场分布情况

4、木模的检查

根据工艺数据进行木模制作,缩尺采用2%,木模制作完毕后,利用SOLO型光学三坐标测量仪对叶片的木模进行三维测量,以保证木模尺寸精度。

木模型线测量结果如图8,从图8a、8b结果看叶片正背面型线合格,个别尖点余量偏大,但考虑造型等因素,可以接受。

(a)木模正面型线测量结果(b)木模背面型线测量结果

图8SF叶片木模型线测量结果

5、熔炼工艺

采用电弧炉和AOD氩氧精炼炉双联熔炼法熔炼,为了保证铸件的耐蚀性和耐磨性,钢液中的C含量要求控制到0.06%以下,并对杂质含量P、S等也要严格控制,结果见表3。

表3SF叶片化学成分表(质量分数,%)

材质

0.014

0.68

0.60

0.018

0.021

11.90

3.66

0.43

6、叶片的清理和热处理

为防止叶片变形,叶片在300℃以下打箱,为了防止铸件产生裂纹,在铸件温度不低于200℃时趁热切割冒口。

落砂后对铸件进行清整打磨,进行热处理。

由于该叶片较小,为减小叶片在热处理中的变形,热处理前将3件叶片组焊到一起。

装炉时叶片的进水边(厚边)向下摆放,热处理工艺如图9所示。

装炉时铸件底部不要直接和炉底板接触,升温速度不能大于70℃/h,炉内各部位温差不能大于5℃,不能叠压铸件,严防人为造成叶片变形。

图9SF叶片的正回火工艺

7、生产结果验证

(1)叶片型线的三维测量

利用三坐标测量仪对热处理后的SF叶片进行型线测量,结果如图10,叶片冒口部位余量偏大,其余能够满足加工要求。

(a)正面型线测量结果(b)背面型线测量结果

图10SF叶片三维测量结果

(2)叶片的无损检测

叶片无损探伤按照A609标准执行,UT检查各区域符合标准要求。

(3)叶片的性能检测

对附铸试块的力学性能检测结果也完全符合客户要求(见表4),附铸试块取自铸件本体,位于叶片的下环边一侧,每个叶片上带3个本体试块,随同铸件一起浇注而成,并随炉热处理。

表4转轮力学性能

N/mm

RP0.2

Kv2

HBW

5/750

797

728

19.0

98,100,95

257,256,257

8、结论

(1)采用本工艺方案铸造的叶片,叶片的加工余量和内部质量均达到了设计要求,工艺方案可靠。

(2)采用铸造数值模拟技术,对叶片的充型、凝固过程、应力分布等进行数值模拟,有效地预测了铸件凝固等过程,并对叶片的反变形量给出了依据。

(3)采用三坐标测量仪对木模及叶片测量,能够快速的、准确的给技术设计提供依据。

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