水轮机X型叶片铸造工艺的研究祥解.docx

1、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The casting process practice in X turbine blade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: According to X turbine blade curvature change is big and the degree of space distortion is large, i

2、ts difficult to control the molded lines of the blade in the actual casting production.This paper systematically introduces the application of X turbine blade casting production process, numerical simulation and three-coordinates measuring machine in the design process .Keywords: X turbine blade; mo

3、dular method ; anti-deformation; Numerical simulation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1 X型叶片实体图图2 传统混流叶片实体图3

4、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3 SF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1 SF叶片化学成分（%）牌号CSiMnSPCrNiMoZG06Cr13Ni4Mo0.061.001.000.0300.03511.513.53.55.00.401.00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2 SF叶片力学性能牌号Rp0.2（N/mm2）Rm（N/mm2）A%Z%AkvJHBSZG06Cr1

5、3Ni4Mo550750153545217-286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、区域按1级执行；区域检查要求如下：在100100mm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

6、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f1.2)，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=2.381.2，说明冒口尺寸比较合适；冒口最大补缩能力计算： GCmax=GR x（-）/ 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，为冒口补缩效率，为金属液的提收缩率（%）。明冒口取14，ZG06Cr13Ni4Mo材质取5.3，经计算得出G

7、Cmax =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50，直水口选取60，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5 SF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

8、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6 SF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

9、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8 SF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

10、P、S等也要严格控制，结果见表3。表3 SF叶片化学成分表（质量分数，%）材质CSiMnSPCrNiMoZG06Cr13Ni4Mo0.0140.680.600.0180.02111.903.660.436、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，

11、严防人为造成叶片变形。图9 SF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10 SF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RmN/mmRP0.2N/mmA%Z%Kv2HBW5/75079772819.04598，100，95257，256，2578、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。