基于MAGMAsoft數值模擬的水輪機導葉鑄造工藝研究

吳彥軍，李鵬

1.概述

活動導葉是水輪機導水機構中最重要的過流部件，如圖1所示。活動導葉長期工作在泥沙和水流的沖擊環境下，要求耐泥砂磨損、耐腐蝕、耐空蝕以及良好的力學性能，因此多采用低碳馬氏體不銹鋼進行鑄造。

由于活動導葉的結構特點，瓣體在長短軸之間且小于長短軸的壁厚，整體鑄造后其內部質量往往不穩定，易于產生縮松、縮孔、沖砂等鑄造缺陷。以往在導葉鑄件的生產中，有臥式和立式兩種鑄造工藝方法，臥式工藝方法由于出品率低，長軸變形嚴重需要矯形或補焊，以及易產生砂眼、氣孔等缺陷而很少采用。立式鑄造工藝（見圖2）因其造型簡單，不易產生變形，以及鑄造缺陷少等優點成為主流的鑄造工藝方法。然而這種工藝方法加工余量大，且對于高水頭電站的長瓣體，短長軸的導葉結構，采用立式鑄造工藝無法在長短軸和瓣體之間形成良好的補縮通道，瓣體和軸連接處的鑄造質量難以保證，在實際生產中經常出現軸線縮松、縮孔，嚴重時可導致鑄件報廢（見圖3），工藝適用性差。因此對于長瓣體結構導葉，仍需采用臥式鑄造工藝方法。

本文針對具有長瓣體結構的國內某大型水電站活動導葉（導葉總長3810mm，瓣體長2270mm，凈重3460kg）設計了臥式鑄造工藝方法，并利用鑄造模擬軟件MAGMAsoft對其充型及凝固過程中的流場、溫度場、應力場進行數值模擬，驗證優化鑄造工藝，解決長瓣體結構導葉在以往制造中的鑄造質量問題。

2.導葉鑄造工藝方案設計

利用三維造型軟件對導葉鑄件進行實體造型，然后采用模數法對鑄件各部位模數進行計算，設計鑄件的冒口、澆注系統、冷鐵，以及集砂排砂通道數量和尺寸，具體方案如圖4所示。

（1）利用兩個明冒口補縮瓣體及其與長短軸的過渡區，保證這些部位內部質量。

（2）在長軸上布置隨形外冷鐵，短軸上布置端部外冷鐵，保證壁厚較大的長短軸形成合理的溫度梯度，同時有利于控制長軸在各方向上翹曲變形。

圖1 軸流式水輪機結構

（3）針對長短軸易產生砂眼、夾渣等缺陷，在鑄件長短軸及瓣體上設置集渣槽及出氣孔。

（4）采用開放式底返澆注系統，直澆道、橫澆道、內澆道總截面積比為1:2:4，有利于鑄件平穩充型，利于排渣、排氣。

3.導葉數值模擬結果分析

將上述編制的鑄造工藝實體文件在MAGMAsoft軟件中進行建模，設定初始條件，如澆注溫度、澆注時間等，定義材料屬性如鑄件材質、型砂、冷鐵以及邊界條件等，然后對導葉鑄件充型與凝固過程的流場、溫度場及應力場進行數值計算，結果分析如下。

（1）凝固過程的溫度場模擬結果分析 導葉鑄件凝固過程的溫度場模擬結果如圖5a～圖5d所示。從圖5a可以看出，在鋼液充型剛結束后，鑄件的大部分溫度在1540～1547℃，比澆注溫度（1560℃）低13～20℃，這是由于鋼液充型過程中和鑄型發生了熱傳導，造成了熱量損失。長軸處溫度較低，在（1490±10）℃，說明冷鐵起到了良好的激冷作用。圖5b、圖5c、圖5d分別為鑄件凝固30%、70%、100%時的溫度分布，從圖中可以看出，隨著凝固時間的延長，鑄件溫度呈現中心向四周遞減的趨勢，形成了良好的溫度梯度，冒口處最后凝固，溫度約為1408℃，長短軸兩端溫度最低，溫度在852～944℃，符合順序凝固的溫度分布規律。

（2）凝固后縮孔、縮松缺陷的模擬結果分析 利用MAGMAsoft的后處理程序顯示的導葉鑄件縮孔、縮松模擬結果如圖6所示。從圖中鑄件各部位孔隙率的顯示結果中可以看出，鑄件除冒口外，本體上無縮孔、縮松缺陷產生，冒口收縮區距離本體有一定的安全距離，工藝設計符合預期的效果。經過對實際生產的導葉鑄件粗加工后進行無損檢測，導葉各部位UT、PT檢測結果分別符合《CCH 70-3水力機械鑄鋼件檢驗規范》標準2級要求，驗證了工藝措施和數值模擬預測的科學性。

圖2 導葉立式鑄造工藝

圖3 立式鑄造導葉軸線縮松區

圖4 導葉鑄造工藝方案示意

圖5 導葉鑄件凝固過程的溫度場模擬

（3）凝固后應力場的模擬結果分析 圖7是導葉鑄件凝固后各方向應力場模擬。從圖7a～圖7c可以看出，鑄件凝固后其整體應力分布較為均勻，但在長軸端部的應力要明顯高于其他部位，Y、Z方向上的應力分別達到了209MPa、284MPa。當鑄件凝固時，在溫度變化的情況下彈性體如果受到外在約束，以及周圍相鄰各單元體之間的相互牽制作用，導致形變不能自由發生，于是便產生了應力，即所謂的溫度應力（熱應力）。這個溫度應力將由于物體的彈性引起附加的變形。因此，在變溫情況下應力越大，鑄件的變形量就越大，這說明導葉鑄件在其長軸端部最容易發生翹曲變形。

圖8是導葉鑄件凝固后各方向變形量模擬。從圖8a可以看出，鑄件凝固后其X方向上變形量分布很均勻，沿X軸由兩端向鑄件中心收縮，只需設定合理的縮尺即可滿足各部位加工量均勻。但在Y、Z方向，其長軸端部的變形量沒有按照軸向規律收縮，而是發生了翹曲變形，其中Y方向的變形量為-6～-8mm，Z方向的變形量為5～8mm，這與應力場的模擬結果相吻合。這說明工藝預留的長軸加工余量13mm是合理的，不用預留反變形量即可以保證鑄件后續的加工要求。在后續的鑄件實際生產中，一臺份24件導葉鑄件的劃線結果與模擬預測結果基本吻合，驗證了工藝措施和數值模擬的科學性。

4.結語

（1）針對長瓣體結構水輪機活動導葉在以往生產中存在的質量問題，設計了臥式鑄造工藝，并合理設置工藝參數，經過實際生產驗證，此工藝方案可有效降低臥式鑄造工藝中經常出現的變形、砂眼、氣孔等缺陷。

（2）通過利用MAGMAsoft模擬軟件對鑄件溫度場、應力場分析，準確地預測了鑄件內部質量及長軸的變形量，與實際情況相符，驗證并優化了鑄造工藝。

（3）按照此工藝方案生產的導葉鑄件內外部質量優良，質量符合設計要求，說明此工藝方案的先進性，為生產類似長瓣體結構導葉鑄件提供了參考方法。

圖6 導葉鑄件縮孔、縮松缺陷的模擬結果

圖7 導葉鑄件凝固后各方向應力場模擬

圖8 導葉鑄件凝固后各方向變形量模擬