大型抽水蓄能水輪機轉輪鑄造技術研發

唐鐘雪，蘇志東，馮周榮

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

抽水蓄能水輪機發電設備的設計和制造是當今裝備制造領域最高端的先進技術之一，而水輪機轉輪作為抽水蓄能機組的核心配件，其制造技術反映了水輪機制造商競爭能力和水平，受到世界各地水電行業的高度重視。在我國工信部發布的《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2017年版）》中，抽水蓄能水電機組及其配套鑄鍛件也列入該目錄，是國家亟待研發和重點支持的產品，因而具有重大的戰略意義。

圖1 傳統轉輪焊裝示意

傳統的轉輪生產方式為先進行上冠、下環及葉片獨立鑄造、加工，然后再進行組焊，優點是利于鑄造和加工，但缺點也很明顯，后期回廠后焊接量大，操作困難，生產周期長，焊縫多，焊接質量不穩定等。

圖2 產品結構示意圖

1 產品介紹

抽水蓄能水輪機轉輪整體制造是將轉輪的上冠、下環、葉片作為一個整體進行鑄造、加工成型，此方法雖然避免了焊接，但是由于轉輪結構復雜，制造難度極大，是轉輪制造技術發展的方向。抽水蓄能整鑄轉輪是由上冠、下環及葉片組成，葉片翹曲度較大，壁厚極薄。相比與傳統的阻焊轉輪，此類轉輪相鄰兩個葉片之間的間距較小，空間更加狹窄，流道也更加狹長。本次研發的抽水蓄能整鑄轉輪輪廓尺寸為?1600 mm×817mm，鑄件凈重為2446 kg，最小壁厚為8 mm，材質為ASTM A743CM。

2 技術信息介紹

本文介紹的抽水蓄能轉輪是屬于水輪機轉輪的核心配件，用于抽水蓄能發電機組，用戶的技術要求如下：

（1）鑄件尺寸公差等級：要求相當于國標GB/T 6414鑄件尺寸公差CT9級控制葉片的型線和壁厚尺寸。

（2）鑄件粗糙度要求：顧客的要求相當于GB/T 6060.1鑄件表面粗糙度比較樣塊表面中的R a12.5。

（3）材質牌號ASTM A743 CA6NM：抗拉強度（MPa）≥755；屈服強度（MPa）≥550；伸長率（%）≥15；斷面收縮率(%)≥35；低溫（0℃）沖擊功（J）≥40。

（4）NDT檢測要求：UT按照標準ASTM A 609進行檢測，具體要求如下：

1）進、出水邊（①、②區）150mm范圍內UT檢測1級合格；

2）其他區域（③、④、⑤區）UT檢測2級合格。

圖3 檢測區域

表面缺陷按照標準磁粉檢測標準ASTM E 709或者滲透檢測標準ASTM A903進行檢測，具體接受等級如表1所示。

3 工藝方法

我公司經過與多家水輪機制造商的技術溝通，提出轉輪整鑄技術，將上冠、下環及葉片集成一體進行鑄造，極大的縮短轉輪的制造周期，同時提高了轉輪的整體質量及制造精度。該抽水蓄能轉輪整鑄項目采用MAGMA模擬驗證工藝和組芯造型工藝，砂芯通過3D打印成型，優化3D打印原輔材料及涂料，研究尺寸及性能的控制方案，開發不同尺寸、重量轉輪的整體鑄造技術，實現轉輪產品的成功研發，從而有效滿足國家抽水蓄能水輪機建設對高性能轉輪鑄件的需求，對促進國家經濟建設具有重大的戰略意義。

表1 各區域檢測要求

3.1 鑄造工藝方面

整體轉輪是集葉片與上冠、下環集一體的一種復雜的螺旋回轉型配件，葉片的最小壁厚只有8mm左右。對于此類薄壁鑄鋼件，澆注溫度升高有利于充型，但粘砂傾向會加大，相反，降低澆注溫度會減少鑄件的粘砂傾向，但充型難度會增大。分析鑄件的熱節分布發現，上冠與葉片結合處的熱節為一螺旋線形狀的帶狀熱節沿轉輪回轉中心一周均勻分布。同樣，葉片與下環結合處也具有類似熱節，且該熱節處于相對封閉的空間。

工藝上采用間斷式的圈冒口解決螺旋帶狀熱節的補縮問題，同時使用Magma模擬驗證工藝的可靠性。澆注系統采用開放式、底注式澆注系統，采用二分法多點進流，確保充型平穩。

3.2 成型設計

考慮到抽水蓄能轉輪流道比較狹長，且兩個葉片之間間距較小（最小55mm），采用傳統的成型方法存在難以起模或組芯累計誤差較大，因此該產品在成型時采用3D打印成型，將葉輪部分設計成整體砂芯，砂芯打印尺寸精確，提高轉輪的制造精度，同時可以極大限度的減小工藝貼量，在鑄件近終形研究方面有積極推動作用。通過3D打印調整鑄件的鑄造流程，根據現有打印機的打印尺寸及鑄造工藝需要的工藝信息，如冷鐵、保溫板等確定適合鑄鋼件的3D打印分芯方法。采用3DP制芯、模塊化組芯造型工藝方法，砂芯結構包含鑄件內外腔結構、澆注系統結構、冒口及出氣結構等。

圖4 轉輪Magma模擬示意圖

圖5 葉輪部分整體砂芯示意圖

圖6 現場砂芯照片

3.3 冶煉工藝

鋼水純凈度主要從有害氣體含量及夾雜物數量兩方面來控制，對于有害氣體，首先從原材料控制，選擇優質氣體含量低的廢鋼，其次是EAF脫碳量控制在0.4%以上，通過吹氧脫碳操作去除鋼液中的有害氣體，最后在LF爐提高氬氣軟吹時間，充分促進夾雜物的上浮。鋼水純凈度控制方法主要有：EAF爐吹氧階段防止鋼水過氧化，產生大量氧化物；VOD精煉階段根據廢氣溫度及氧勢變化控制吹氧量，防止VOD后碳含量過低，并且增加高真空下碳脫氧時間，減少鋼液中氧化物；最后在澆注過程通過型腔吹氬及水口吹氧保護的方式防止鋼液的二次氧化。

3.4 熱處理工藝設計

顧客熱處理要求回火保溫溫度為610℃，焊后保溫溫度595℃，均高于過去公司所生產的水電產品的相應的保溫溫度10～15℃。這樣的熱處理溫度公司以往從沒有執行過，且高于現有顧客水電規范中規定的溫度。較高的回火和焊后溫度對強度的保證增加了難度。同時該類整體轉輪，結構復雜，壁厚差大，熱節較多，且有薄壁。在高溫1030℃的熱處理過程、正火風冷和后續的中高溫回火過程及焊接過程鑄件容易產生變形以及有較大的裂紋風險。

為此采用在顧客規定成分范圍內，適當提高C、N、Si含量并加快鑄件正火風冷冷卻速度，同時采用鑄件上附著熱電偶配合爐偶來精確控溫嚴禁回火超溫的方式來保證鑄件高強度；采用厚大的上冠面接觸爐子墊鐵這種裝爐方式，保證了鑄件在高溫加熱區不會因為自重產生變形；除了正火出爐風冷外，在整個熱處理過程中采用緩升慢降的加熱方式，減小鑄件不同部位的溫差，防止鑄件變形開裂。

3.5 尺寸精整

通過對轉輪的結構分析，分析可加工區域及不可加工區域，并針對此制定專項的生產流程，在鑄件質量熱處理后進行劃線，按照顧客的一致性及相似性要求確定加工基準，然后按照加工基準加工卡板定位槽，利用每個高度的葉片卡板對不可加工區域進行精磨。

圖7 尺寸精整卡板示意

4 產品質量驗證

（1）尺寸檢測：鑄件尺寸檢測結果符合顧客要求，與工藝貼量完全吻合；

（2）化學成分檢測：化學成分檢測結果符合顧客材質規范；

（3）性能檢測：性能檢測各項指標均符合顧客規范；

（4）NDT檢測：磁粉檢測結果符合MT等級要求，超聲波檢，結果符合UT等級要求。

5 結束語

本文通過研究抽水蓄能水輪機轉輪的結構特性，采用整體鑄造工藝，利用MAGMA模擬檢驗，確定最優的鑄造工藝，利用3D打印整體成型，通過冶煉、熱處理以及尺寸精整工藝的研究，使得抽水蓄能水輪機轉輪整體鑄造技術研發成功。其創新性如下：

（1）實現水輪機轉輪的零件集成（上冠+下環+13葉片一體化制造），縮短了轉輪的制造周期，提高了轉輪質量的穩定性。

（2）鑄造工藝打破傳統的分體式組芯造型工藝，創新性應用3D打印工藝，實現葉輪型芯一體化，提高制造精度，實現鑄件制造近終形。

抽水蓄能水輪機轉輪整體制造是將轉輪的上冠、下環、葉片作為一個整體進行鑄造、加工成型，此方法雖然避免了焊接，但是由于轉輪結構復雜，制造難度極大，是轉輪制造技術發展的方向。目前國外已成功研發生產整體轉輪，產品價格十分昂貴。截止目前國內尚無企業能夠成功研發轉輪整體成型技術。我公司通過開發不同尺寸、重量轉輪的整體鑄造技術，實現轉輪產品的成功研發，從而使此類鑄件不再依賴進口，有效滿足國家抽水蓄能水輪機建設對高性能轉輪鑄件的需求，對促進國家經濟建設具有重大的戰略意義。