大型水輪機活門鑄件鑄造工藝模擬及質量控制

哈爾濱電機廠有限責任公司 （黑龍江 150040） 吳彥軍 李 鵬 王清宇

水輪機球閥位于水輪機組的入水口處，上游與壓力鋼管連接，下游與水輪機進水蝸殼連接，受高壓水流的沖擊作用，制造質量要求非常嚴格。活門是水輪機球閥機構的關鍵部件，其鑄造質量直接關系到水輪機組的安全可靠運行。活門鑄件由于其結構特點，截面尺寸變化大，在內壁及長短軸過渡段出現縮孔、縮松缺陷，打箱及氣割等造成鑄件裂紋的傾向均很大，鑄造難度較大。在我公司以往生產的活門鑄鋼件中，經常出現類似鑄造缺陷，后續存在較大修復工作量，嚴重影響了鑄件成本及工期進度。本文研究的我公司生產的某水電站活門鑄件材質為ZG20SiMn，鑄件重29.5t，無損檢測要求為ASTM A609 UT二級。其三維實體如圖1所示。

圖1 活門鑄件三維造型

一、鑄造工藝設計

1.模樣工藝

模樣結構和造型方法的選擇直接影響鑄件的質量。因為該活門鑄件帶長短軸，為獲得尺寸準確、同一性和質量完好的砂型，模樣結構采用模樣中間開邊、上下實樣加芯盒的方式，最大限度地保證鑄件的尺寸精度。

2.冒口、本體補貼工藝及外冷鐵設計

由于該活門結構是厚大的球形及長短軸相貫結構，長短軸過渡段為最大熱節、不利于補縮。如果不在工藝上采取有效的手段，必然在長短軸與鑄件主旋轉體的相貫處，以及冒口下產生嚴重的縮孔、縮松缺陷。

工藝方案如圖2所示，布置一個明冒口，在球形內徑設置環形本體補貼，以形成補縮通道對長短軸進行補縮。同時，長短軸下方布置外冷鐵，上方設置集渣槽，使長短軸與鑄件主旋轉體形成合理溫度梯度。采用此方案的優點如下：

（1）利用冒口及其下方的本體補貼補縮旋轉體及長短軸的過渡位置，保證鑄件內部質量。

（2）在長短軸上布置隨形外冷鐵，保證長短軸的順序凝固。

（3）針對長短軸處浮砂困難，易在鑄件內部產生砂眼、夾渣等缺陷，在鑄件長短軸及瓣體上設置集渣槽及出氣孔，作為排砂、排氣的通道。

（4）同時采用底反式澆注系統，有利于鑄件平穩充型，利于排渣、排氣。

圖2 活門鑄造工藝方案

3.型砂工藝設計

良好的砂型強度和耐火度是避免產生砂眼、粘砂缺陷的主要手段。該活門鑄件壁厚大，T形交叉及圓角較多，非常容易粘砂。因此采用水玻璃鉻鐵礦砂作面砂，水玻璃硅砂作背砂的型砂工藝。

4.澆注系統設計

澆注系統是砂型中引導液態金屬進入型腔的通道，其設計與鑄件質量有密切的關系。根據所確定的工藝方法，采用底注、開放式階梯澆注系統，并在冒口處設置補澆。這種澆注系統既能保證鋼液平穩充型、排氣，又能實現自下而上至冒口的順序凝固，使冒口充分補縮鑄件，保證鑄件組織致密。

5.計算機數值模擬

利用MAGMASOFT鑄造模擬軟件研究了鑄件從澆注到凝固過程中，鑄件內部流場和溫度場的變化，判斷缺陷產生的可能性、缺陷性質、缺陷大小等，進而對工藝進行優化。鑄件的模擬結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 鑄件充型模擬的流場分布

圖4 鑄件凝固模擬的溫度場分布

圖5 鑄件縮孔、縮松缺陷的模擬結果

通過模擬結果可以看出，采用此工藝方案，鑄件充型過程平穩、凝固過程溫度梯度分布合理，形成了有效的順序凝固條件。凝固后鑄件內部無超標的縮孔、縮松等缺陷，可以有效地保證鑄件質量。

二、質量控制方法

為保證鑄件質量，工藝上制訂了各工序的質量控制措施，具體如下。

（1）砂型排氣措施 為保證鑄件不產生氣孔缺陷，砂芯中每間隔200～250mm放置一層雙股排氣繩，共放置5層，并最終將排氣繩集中引到箱外，保證排氣通暢，同時保證排氣繩與鑄件有一定的安全距離，防止從排氣繩跑火。

（2）熔煉及澆注控制措施 為保證鋼液平穩、低溫、快速充型，采用雙包雙注口同時澆注，最后補澆冒口。澆注溫度控制在1550～1560℃。澆注完畢后在冒口添加發熱覆蓋劑，其重量大于等于冒口重量的1.5%。

（3）鑄件清理過程 澆注完畢后，采用紅外測溫儀對鑄件進行測溫，待冒口根部溫度降至350～400℃時打上箱并切割冒口。冒口切除完畢后，將冒口留在鑄件上一段時間，待冒口溫度與鑄件本體基本一致后再進行打下箱及除砂操作。型砂清理干凈后，進行切割環形補貼，然后馬上裝爐進行一次正火+一次回火。

三、生產效果

采用上述工藝措施現已成功制造了4件活門鑄件，鑄件除局部圓角處有少量粘砂外，其外觀質量良好，UT檢測一次合格，鑄件內部無夾渣、縮松等缺陷，較以往生產的活門鑄件質量有了較大的提高，為下序提供了優質合格的鑄件。

(1) 采用鑄造數值模擬技術，對活門鑄件的充型、凝固過程等進行數值模擬，有效地預測了鑄件澆注、凝固等過程，并結合模擬結果驗證鑄造工藝的可靠性，為生產的順利實施提供了保障。

(2) 按照此工藝方案及質量控制方法生產的活門鑄件，質量完全符合設計要求，說明此工藝方案及質量控制方法切實可行。