半整铸式转轮铸件工艺研究

张军宝 杨晓兵 吕友清 韩童童 陈磊 雷小波

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川 德阳618013)

十五～十三五期间，公司实现了单机容量700 MW级及以上水电转轮铸件的国产化，打破了我国大型转轮关键铸件长期依赖进口的局面[1]。随着我国主要流域大型水电资源开发进程的不断完善，目前大型水电铸件市场总体需求量不断缩小，转而是以中小型水电铸件及抽水蓄能机组铸件市场需求量居多，根据电网经济运行和电源结构调整的要求，抽水蓄能电站将呈规模化发展[2]，而抽水蓄能机组转轮外形扁平，空腔狭小[3]，后期组焊装配操作难度极大，因此部分主机厂逐步将原有分体式设计结构改为半整铸式结构(如图1所示)，由于结构的变化引起的铸造难度呈指数级增加。本文通过对该结构产品铸造凝固补缩、应力变形、浇注卷渣排气、余量控制等方面进行研究，设置合理的铸造工艺参数，生产的新型结构转轮上冠、下环铸件满足技术质量要求。

1 半整铸式转轮铸件工艺性分析

1.1 产品内部质量风险

在上冠、下环本体与叶片的交接部位，形成了空间扭曲变化的T型热结(如图2中①区所示)，凝固补缩容易发生疏松类缺陷；上冠、下环壁厚相差悬殊(45～372 mm)，各区域凝固时间相差较大，组织转变应力复杂，且产品空间结构复杂，铸造凝固过程中砂型各部位收缩阻力不一致，容易在交接R区域(如图2中②区所示)产生裂纹缺陷；半整铸式上冠、下环主体结构为典型的抽水蓄能结构，其曲率较大，进水侧部位及部分叶片较为平坦(如图2中③区所示)，重力补缩效果较差，容易产生疏松类缺陷。

图2 半整铸式转轮铸件示意图Figure 2 Schematic diagram of semi-integral casting type rotary wheel casting

1.2 产品表面质量风险

由于大型复杂铸钢件砂型手工造型的特性，在浇注过程中会有部分浮砂及氧化渣随钢水上浮，大部分会随钢水上浮至冒口内，但部分碰到砂型上型面时会瞬时凝固粘接在砂型表面，而半整铸式转轮铸件多数曲面结构型腔狭小、结构平坦，在上型面处容易发生夹渣类缺陷；下环所带叶片结构浇注时容易憋气产生孔洞类表面缺陷。

1.3 尺寸保证难度

半整铸式转轮零件空间结构复杂、异形曲面结构多、尺寸互相联动。该结构产品属公司首次生产，凝固阶段线收缩率及应力变形、热处理阶段变形情况均无成熟技术参数，工艺余量精确设置是一大难点，制造环节如何确保尺寸满足工艺要求是另一大难点。

2 铸造工艺设计

该产品过流面及叶片表面均属空间异形曲面，其余表面为规则的回转结构，考虑产品凝固补缩质量、砂型铸造可操作性、尺寸控制等因素，确定了产品铸造工艺方案。

2.1 冒口及补贴设置

上冠本体补缩斜度较好，考虑T型热节及其余区域的顺序凝固补缩通道建立，依据M冒口≥1.2M件原则计算冒口大小，通过水平方向分区、高度方向逐级补缩的方式确保产品质量。下环凝固补缩条件相对较差，T型热节无法通过本体顺序补缩，本文采用热节圆法设计T型部位的补贴，并采用外冷铁工艺减小凝固末端的模数，形成更良好的补缩通道，上冠、下环铸造工艺经MAGMA凝固模拟验证，均无缩孔、缩松缺陷显示，补缩通道顺畅，铸件无内部缺陷风险。

2.2 加工余量及缩尺设置

根据多年生产积累的经验，初步设定产品凝固过程线收缩率，采用MAGMA模拟软件验证分析后，发现上冠、下环的总体线收缩率与预设值基本吻合，再全面考虑精整、热处理等过程变形量，局部采用特殊余量，确定了合理的加工余量。

2.3 造型方式

该产品可以采用3D打印砂芯及传统制芯、组芯两个方式进行造型，采用制模→制芯→组芯的方案进行造型。

2.4 裂纹风险预防

该转轮铸件材料为Cr13Ni4型马氏体不锈钢，从材料特性及产品结构分析，裂纹风险主要发生于叶片与上冠、下环交接R部位，通过MAGMA模拟进一步证实：上冠、下环的热裂倾向主要集中在叶片末端区，热裂缺陷形成时期在液固相区，该时期叶片末端区上部有冒口可提供足够钢液补缩，热裂点实际主应变率一直小于参考应变率，无明显的开裂风险，但从铸件质量安全考虑，仍将叶片与过流面相交的所有铸造圆角适当增大。另外，通过模拟分析了不同砂型强度对产生裂纹的影响，造型时对不同部位砂型的树脂、固化剂加入量进行调整，通过面砂、背砂强度的差异化控制，有效预防产品的裂纹风险，图3为转轮下环的热裂应变曲线，图4为其冷裂模拟结果。

图3 转轮下环热裂应变曲线 Figure 3 Hot cracking strain curveof rotary wheel lower ring

图4 转轮下环冷裂模拟结果Figure 4 Simulation results of cold crackingof rotary wheel lower ring

2.5 其他

大型铸钢件浇注过程中应确保钢液均匀、迅速、平稳地充满型腔[4]，本文采用了全开放式底返浇注系统，保证充型过程中气体、氧化渣的顺利排出，为了解决垂直度较差区域及叶片尖角区域出现的夹渣、憋气等缺陷，在上述部位设置了集渣排气结构，避免了铸件可能出现的表面缺陷。

3 冶炼工艺

本文产品材料为ZG04Cr13Ni4Mo，钢水采用EF+LF+VOD冶炼工艺，为了保证产品内外部质量，冶炼过程需注意C、气体含量等元素控制及钢液纯净度控制，为了防止浇注过程钢水氧化，浇注过程采用惰性气体(Ar气)保护浇注。

4 产品检验结果

(1)理化性能

用产品本体实样做了化学分析、力学性能试验，结果均符合技术标准要求，其中实测wC=0.026%、wP=0.009%、wS=0.002%、wCu+wW+wV=0.1%、wO=48×10-6、wN=127×10-6，实现了低C、低N、低有害元素及低气体含量的优良结果。

(2)无损检测

按产品制造技术规范要求采用CCH70-3标准对转轮铸件进行了100%UT、MT检测，UT采用DAC方法，使用2 MHz标准直探头和横波探头分别进行检测，均未发现超标缺陷，产品整体可探性良好、材质衰减系数较小、底波反射良好，整体内部质量优良，产品实物图片见图5。

(3)型线尺寸

采用V-STARS摄影测量系统对产品进行三维检测，发现转轮上冠、下环的余量分布较为均匀，所有部位的余量均符合工艺要求及技术协议要求。

5 结论

(1)通过热节圆法设计T型部位补贴，合理设计冒口及浇注系统，采用模拟软件预测缩孔、缩松及裂纹等缺陷风险后进行工艺优化，解决了半整铸式复杂结构转轮铸件内部质量难以保证的问题。

(2)通过合理的模型分型及尺寸精度控制，采用传统的制模、组芯方式可以满足复杂曲面类大型铸钢件的尺寸要求。

(3)在铸件型腔容易憋气的负压区域设计集渣及通气结构，可有效解决异形尖角区域夹渣及尺寸问题。

(4)采用真空吹氧脱碳精炼工艺及惰性气体浇注环境，可有效保障产品化学成分符合要求，减少钢液充型过程一次及二次氧化渣的形成。