水轮机X型叶片铸造工艺的研究祥解.docx
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水轮机X型叶片铸造工艺的研究祥解
水轮机X型叶片的铸造工艺实践
ThecastingprocesspracticeinXturbineblade
摘要针对X型叶片曲率变化大,空间扭曲程度大。
实际铸造生产中叶片型线的准确难以控制，本文系统的介绍了水轮机X型叶片的铸造生产工艺，以及数值模拟和三坐标测量仪在叶片工艺设计中的应用。
关键词X型叶片模数法反变形量数值模拟
Abstract:
AccordingtoXturbinebladecurvaturechangeisbigandthedegreeofspacedistortionislarge,it’sdifficulttocontrolthemoldedlinesofthebladeintheactualcastingproduction.ThispapersystematicallyintroducestheapplicationofXturbinebladecastingproductionprocess,numericalsimulationandthree-coordinatesmeasuringmachineinthedesignprocess.
Keywords:
Xturbineblade;modularmethod;anti-deformation;
Numericalsimulation
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
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
牌号
Rp0.2
（N/mm2）
Rm
（N/mm2）
A
%
Z
%
Akv
J
HBS
ZG06Cr13Ni4Mo
550
750
15
35
45
217-286
注：
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
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
ZG06Cr13Ni4Mo
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
Rm
N/mm
RP0.2
N/mm
A
%
Z
%
Kv2
HBW
5/750
797
728
19.0
45
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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