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1.前言
随着水电技术的发展,大型化轴流式水电机组将是今后水电市场的主流产品[1]。转轮体是大型水电站水轮机组的关键零件,它承载设备转动载荷,在较大的应力状态下工作,因此对转轮体铸件的内部质量要求较高[2]。大型水轮机转轮体的重量大,尺寸形状复杂,欲获得高技术要求的优质铸件,其设计结构是否具有良好的铸造工艺性,铸造工艺设计是否合理,两者都至关重要[3]。
本文针对转轮体进行了结构分析,借助MAGMASOFT模拟软件进行凝固模拟分析,通过与传统工艺方案进行对比,优化了转轮体的铸造工艺设计。
2.转轮体的主要技术要求
我公司生产的转轮体是单机容量MW轴流式水轮机组的核心零件,具体结构如图1所示,材质ZG20Mn,净重t,最大直径mm,最大高度mm,最大壁厚mm,最小壁厚mm。与以往生产的转轮体相比,其尺寸、重量、壁厚都是最大的。
图1.转轮体剖面示意图
2.1化学成分
化学成分要求见表1。
表1转轮体的化学成分(质量分数,%)
2.2力学性能要求
力学性能要求应满足表2的规定。
表2转轮体的力学性能
2.3检测要求
铸件进行%无损探伤检验,超声波探伤按CCH70-3《水力机械铸钢件检验规范》的3级验收、高应力区按2级验收;磁粉探伤按CCH70-3《水力机械铸钢件检验规范》的3级验收。
3.转轮体生产的技术难点
3.1冶炼方面
转轮体的钢水重量达t,冶炼时应保证每包钢水的化学成分偏差较小,同时降低S、P含量提高钢水的纯净度。每个钢包的钢水温度应尽量相匹配,对炼钢顺序、出钢温度、浇注顺序都要求较高,这些都给冶炼带来了较大的难度。
3.2铸造方面
1)转轮体的壁厚较厚,几何热节大而复杂(最大热节圆直径mm),在底部、内圆、外圆均存在分散热节(见图1),铸件结构不易集中补缩;
2)纵向和横向的补缩距离长,在凝固过程中容易产生缩孔、疏松等缺陷;
3)砂型底面将承受铸件、冷铁、型砂等约t重的压力,砂床产生的裂纹风险较大;
4)因钢水量大导致合浇的难度大。
4.转轮体的工艺及生产控制措施
4.1冶炼工艺
冶炼工艺:EBT(EccentricBottomTapping)电弧炉初炼(分包)→LF(LadleFurnace)精炼(分包)→多包合浇。
电弧炉初炼时脱碳、去磷、去除气体和夹杂物;采用留钢、留渣操作,严禁氧化渣进入精炼包;出钢时加铝预脱氧,加入合金进行精炼。LF精炼应控制还原渣的碱度,充分脱氧、脱硫;保证钢液脱氧效果,减少钢液中夹杂物,提高钢的纯净度。为了满足力学性能,控制P≤0.%、S≤0.%,同时加入Nb元素细晶强化[4]。铸件的钢水量重达t,3包合浇。浇注前对每包钢水测温,控制各包的钢水温度差在10℃之内,避免铸件局部过热而产生缺陷。
4.2铸造工艺
根据转轮体的结构特点及铸造难点,结合以往生产转轮体的工艺方案和经验,根据热节法、模数法设计冒口、补贴、冷铁等,完成传统工艺和改进工艺的铸造工艺图绘制,并分别进行三维几何实体造型和数值模拟分析。传统工艺采用锥面朝上、外圆设置冒口的方案;改进工艺采用锥面朝下、内外圆分别设置冒口的方案。
4.2.1数值模拟
通过传统工艺(见图2、图3)和改进工艺(见图3、图4)的数值模拟结果对比发现:铸件凝固过程缩孔缩松和温度场的预测结果都证明了改进工艺明显优于传统工艺,而且改进工艺比传统工艺节约钢水26t。
图2.传统工艺的温度场图3.传统工艺的缩孔缩松
图4改进工艺的温度场图5改进工艺的缩孔缩松
4.2.2改进工艺的措施及方案
从质量和成本方面考虑,选择改进工艺进行生产,最终形成工艺和生产措施如下:
1)内、外圆分别设置冒口来实现内、外圆的分区补缩;
2)外圆和内圆分别设置补贴满足铸件补缩;
3)底部设置冷铁强化末端冷却,同时隔断内、外圆实现分区补缩;
4)采用三层开放式的阶梯浇注系统,在底部、中部、上部分别设置内浇口,其中每层浇注系统的直浇口:横浇口:内浇口=1:1.47:2.05;
5)内腔芯子设计为1/2结构+焊接的组合式结构,通过芯骨焊接的方式组合成整体结构,承受80t自重和浇注时t浮力,同时减少模型费用;
6)制作整体硬砂床避免底面裂纹。
5.检验结果
经过严格的生产过程控制,成功制造了转轮体铸件(图6),其化学成分符合标准要求。力学性能检测合格,检测结果见表3。转轮体铸件经超声波探伤和磁粉探伤检测符合标准要求,已通过客户联合验收检查。从检测结果来看,生产的转轮体铸件完全达到标准要求。
图6转轮体成品
表3转轮体的力学性能
6.结论
通过对转轮体的材料成分、冶炼工艺、铸造工艺的优化及工艺实施过程控制,成功生产出净重t的ZG20Mn转轮体铸件,与传统工艺相比节约钢水26t,铸件内外部质量达到技术指标要求,证明了改进工艺方案和工艺参数选择的合理性。
参考文献:
[1]孙颖,庞立军.大型轴流式水轮机转轮体刚强度对比分析[J].机械工程师,(4):-.
[2]郭凡.水轮机转轮体的结构分析[J].东北林业大学学报,2(1):68-70.
[3]施世葵.转轮体铸造工艺的优化设计[J].大型铸锻件,(4):24-27.
[4]王祖滨,东涛,等.低合金高强度高.原子能出版社,.
作者简介:梁敏(-),男,硕士,工程师,主要研究方向:大型铸钢件铸造工艺和技术。通信
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