水輪機(jī)組用薄壁環(huán)形鑄鋼件工藝模擬優(yōu)化

徐鵬程，張周欽

1.產(chǎn)品介紹

本課題研究的環(huán)形類鑄鋼件應(yīng)用于水輪機(jī)組核心部位，起密封、止漏、減少水力損耗等作用，同時(shí)還要求工件承壓耐腐蝕，產(chǎn)品質(zhì)量要求高。此類產(chǎn)品特點(diǎn)一般為壁薄，鑄件最大直徑達(dá)8m。

該產(chǎn)品的材質(zhì)為國內(nèi)牌號(hào)ZG20Cr13，化學(xué)成分要求見表1，鑄件要求進(jìn)行正火+回火，鑄件無損檢測(cè)要求按T7233.1—2009、GB/T9443—2007一級(jí)執(zhí)行，鑄件所有表面要求機(jī)加工。

2.以往類似產(chǎn)品生產(chǎn)總結(jié)

以往薄壁環(huán)形鑄件缺陷多，孔洞類缺陷如圖1所示，不同批次生產(chǎn)的鑄件補(bǔ)焊量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2所示，可見焊材消耗量大，該類產(chǎn)品一直以來生產(chǎn)效率非常低。

3.缺陷原因分析

為了找出上述缺陷產(chǎn)生的真正原因，本文采用虛擬技術(shù)來模擬鑄造現(xiàn)場(chǎng)，通過采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并輸入軟件進(jìn)行模擬，從而對(duì)澆注過程中鋼液在型腔中的流動(dòng)狀況進(jìn)行評(píng)估，并與實(shí)際鑄件的缺陷進(jìn)行對(duì)比。

表1 ZG20Cr13化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 環(huán)形件孔洞缺陷照片

圖2 不同批次批環(huán)形件補(bǔ)焊量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3為模擬澆注過程中的卷氣結(jié)果，顯示了黃白色區(qū)域?yàn)榫須飧甙l(fā)區(qū)域。鑄件在充型結(jié)束時(shí)有較多夾雜物殘留在鑄件中，如圖4所示。這是由于紊流使鋼液有機(jī)會(huì)吸收來自空氣中的氧產(chǎn)生了大量的夾雜物，同時(shí)由于整個(gè)澆注時(shí)間短，夾雜物無法及時(shí)從鑄件中上浮至冒口所致。

綜上所述，孔洞類缺陷的真正原因主要是由于澆注過程中的卷氣及氧化夾雜共同導(dǎo)致的。

4.工藝優(yōu)化

根據(jù)上述模擬結(jié)果且從節(jié)能節(jié)材角度考慮，本文對(duì)某圖樣壁厚約20mm、直徑約5m的環(huán)形鑄鋼件提出了多件疊加設(shè)計(jì)的新方案，如圖5所示。

通過把工藝參數(shù)輸入軟件重新模擬確認(rèn)，圖6所示卷氣結(jié)果均顯示為藍(lán)色，說明無明顯卷氣發(fā)生；由于新工藝為多件疊加鑄造，大幅增加了澆注時(shí)間，使夾雜物有時(shí)間脫離鑄件本體上浮至冒口，圖7所示澆注結(jié)束時(shí)大部分夾雜均已上浮至冒口中，表明可以獲得純凈的鑄件本體。

同時(shí)，三件疊加方案相當(dāng)于下部兩件實(shí)現(xiàn)了“無冒口設(shè)計(jì)”，使工藝出品率提高了近1/3，同時(shí)節(jié)省了造型場(chǎng)地和型砂用量，其耗材對(duì)比見表2。

通過上述方案我們成功生產(chǎn)了多件該類鑄件，經(jīng)外觀和無損檢測(cè)，所有產(chǎn)品無任何孔洞缺陷。同時(shí)，新方案采用多件疊加，顯著降低了材料消耗，提高了產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)效益。

5.結(jié)語

（1）薄壁環(huán)形鑄鋼件的多件疊加設(shè)計(jì)新方案可有效減少孔洞類缺陷的產(chǎn)生，降低了補(bǔ)焊用材的消耗。

（2）通過合理的工藝設(shè)計(jì)，以更低成本獲得了高品質(zhì)的環(huán)形鑄件，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效益。

圖3 澆注過程中的卷氣模擬結(jié)果

圖4 澆注結(jié)束時(shí)夾雜物結(jié)果

圖5 多件疊加鑄造

圖6 模擬澆注過程中的卷氣結(jié)果

圖7 澆注結(jié)束時(shí)夾雜物結(jié)果（改善后）

表2 兩種方案單件平均耗材對(duì)比