水轮机X 型叶片的铸造工艺实践

张 跃，赵广友，蒋国森，杨 宁，隋振铎，张亚龙，杜 丘

（1.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳 110022;2.中国石油大庆石化公司，辽宁大庆 163714）

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（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（图2）在型线和性能上有很大的差别,其空间扭曲程度大[1]。目前X 型叶已在国内得到了普遍应用，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。

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）。

SF 叶片的力学性能如表2 所示，（执行JB/T10384-2002 标准）。

1.2 无损探伤要求

图3 SF 叶片尺寸

表1 SF 叶片化学成分（%）

表2 SF 叶片力学性能

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100mm×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。

2 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。

图4 无损探伤区域范围

2.1 冒口的确定

根据叶片壁厚及冒口的补缩距离确定冒口数量为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：

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=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；

冒口最大补缩能力验算：

式中：GCmax为被冒口补缩的铸件最大重量，GR为冒口重量，η 为冒口补缩效率，ε 为金属液的体收缩率（%）。

明冒口η 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ø50mm，直水口选取ø60mm，横水口选取50/60×50（mm），内水口为六道70/80×20（mm），采用底注式浇注系统，如图5，即从叶片的出水边（薄边）进水，保证金属液平稳进入型腔，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。

2.3 反变形量的确定

图5 SF 叶片浇注系统实体图

由于叶片铸件在凝固过程和热处理过程中,其边角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（图6）。

从图6 可以看出A 点为负量在7mm 左右，B 点为正量在5mm，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，反变形面积根据模拟所示。

图6 SF 叶片Y 方向变形图

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 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，表明此工艺可行。

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。

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，%）

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、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。

（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。

图10 SF 叶片三维测量结果

（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 SF 叶片力学性能

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、准确地给工艺设计提供依据。

[1]Chen Naixiang,Liu Zhaowei,Lin Ruchang,et al.Three Gorge runner blade design counted in the effect of limited blades number[J].Journal of Tsinghua University,1998,38(1):100～102.

[2]王君卿.铸造手册：第5 卷铸造工艺[M].北京：机械工艺出版社，2010.