水輪機組用薄壁環形鑄鋼件工藝模擬優化

徐鵬程，張周欽

1.產品介紹

本課題研究的環形類鑄鋼件應用于水輪機組核心部位，起密封、止漏、減少水力損耗等作用，同時還要求工件承壓耐腐蝕，產品質量要求高。此類產品特點一般為壁薄，鑄件最大直徑達8m。

該產品的材質為國內牌號ZG20Cr13，化學成分要求見表1，鑄件要求進行正火+回火，鑄件無損檢測要求按T7233.1—2009、GB/T9443—2007一級執行，鑄件所有表面要求機加工。

2.以往類似產品生產總結

以往薄壁環形鑄件缺陷多，孔洞類缺陷如圖1所示，不同批次生產的鑄件補焊量統計數據如圖2所示，可見焊材消耗量大，該類產品一直以來生產效率非常低。

3.缺陷原因分析

為了找出上述缺陷產生的真正原因，本文采用虛擬技術來模擬鑄造現場，通過采集現場數據，并輸入軟件進行模擬，從而對澆注過程中鋼液在型腔中的流動狀況進行評估，并與實際鑄件的缺陷進行對比。

表1 ZG20Cr13化學成分（質量分數） （%）

圖1 環形件孔洞缺陷照片

圖2 不同批次批環形件補焊量數據統計

圖3為模擬澆注過程中的卷氣結果，顯示了黃白色區域為卷氣高發區域。鑄件在充型結束時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會吸收來自空氣中的氧產生了大量的夾雜物，同時由于整個澆注時間短，夾雜物無法及時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致的。

4.工藝優化

根據上述模擬結果且從節能節材角度考慮，本文對某圖樣壁厚約20mm、直徑約5m的環形鑄鋼件提出了多件疊加設計的新方案，如圖5所示。

通過把工藝參數輸入軟件重新模擬確認，圖6所示卷氣結果均顯示為藍色，說明無明顯卷氣發生；由于新工藝為多件疊加鑄造，大幅增加了澆注時間，使夾雜物有時間脫離鑄件本體上浮至冒口，圖7所示澆注結束時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，三件疊加方案相當于下部兩件實現了“無冒口設計”，使工藝出品率提高了近1/3，同時節省了造型場地和型砂用量，其耗材對比見表2。

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

5.結語

（1）薄壁環形鑄鋼件的多件疊加設計新方案可有效減少孔洞類缺陷的產生，降低了補焊用材的消耗。

（2）通過合理的工藝設計，以更低成本獲得了高品質的環形鑄件，提高了產品的生產效益。

圖3 澆注過程中的卷氣模擬結果

圖4 澆注結束時夾雜物結果

圖5 多件疊加鑄造

圖6 模擬澆注過程中的卷氣結果

圖7 澆注結束時夾雜物結果（改善后）

表2 兩種方案單件平均耗材對比