水轮机组用薄壁环形铸钢件工艺模拟优化

徐鹏程，张周钦

1.产品介绍

本课题研究的环形类铸钢件应用于水轮机组核心部位，起密封、止漏、减少水力损耗等作用，同时还要求工件承压耐腐蚀，产品质量要求高。此类产品特点一般为壁薄，铸件最大直径达8m。

该产品的材质为国内牌号ZG20Cr13，化学成分要求见表1，铸件要求进行正火+回火，铸件无损检测要求按T7233.1—2009、GB/T9443—2007一级执行，铸件所有表面要求机加工。

2.以往类似产品生产总结

以往薄壁环形铸件缺陷多，孔洞类缺陷如图1所示，不同批次生产的铸件补焊量统计数据如图2所示，可见焊材消耗量大，该类产品一直以来生产效率非常低。

3.缺陷原因分析

为了找出上述缺陷产生的真正原因，本文采用虚拟技术来模拟铸造现场，通过采集现场数据，并输入软件进行模拟，从而对浇注过程中钢液在型腔中的流动状况进行评估，并与实际铸件的缺陷进行对比。

表1 ZG20Cr13化学成分（质量分数） （%）

图1 环形件孔洞缺陷照片

图2 不同批次批环形件补焊量数据统计

图3为模拟浇注过程中的卷气结果，显示了黄白色区域为卷气高发区域。铸件在充型结束时有较多夹杂物残留在铸件中，如图4所示。这是由于紊流使钢液有机会吸收来自空气中的氧产生了大量的夹杂物，同时由于整个浇注时间短，夹杂物无法及时从铸件中上浮至冒口所致。

综上所述，孔洞类缺陷的真正原因主要是由于浇注过程中的卷气及氧化夹杂共同导致的。

4.工艺优化

根据上述模拟结果且从节能节材角度考虑，本文对某图样壁厚约20mm、直径约5m的环形铸钢件提出了多件叠加设计的新方案，如图5所示。

通过把工艺参数输入软件重新模拟确认，图6所示卷气结果均显示为蓝色，说明无明显卷气发生；由于新工艺为多件叠加铸造，大幅增加了浇注时间，使夹杂物有时间脱离铸件本体上浮至冒口，图7所示浇注结束时大部分夹杂均已上浮至冒口中，表明可以获得纯净的铸件本体。

同时，三件叠加方案相当于下部两件实现了“无冒口设计”，使工艺出品率提高了近1/3，同时节省了造型场地和型砂用量，其耗材对比见表2。

通过上述方案我们成功生产了多件该类铸件，经外观和无损检测，所有产品无任何孔洞缺陷。同时，新方案采用多件叠加，显著降低了材料消耗，提高了产品的综合生产效益。

5.结语

（1）薄壁环形铸钢件的多件叠加设计新方案可有效减少孔洞类缺陷的产生，降低了补焊用材的消耗。

（2）通过合理的工艺设计，以更低成本获得了高品质的环形铸件，提高了产品的生产效益。

图3 浇注过程中的卷气模拟结果

图4 浇注结束时夹杂物结果

图5 多件叠加铸造

图6 模拟浇注过程中的卷气结果

图7 浇注结束时夹杂物结果（改善后）

表2 两种方案单件平均耗材对比