大型混流式水轮机转轮用铸钢件夹杂缺陷预测与工艺优化

大型混流式水轮机转轮用铸钢件夹杂缺陷预测与工艺优化

沈 旭,鲁文涛,殷亚军,计效园,万鹏,周建新

(华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室,湖南 长沙 430074)

摘  要：水轮机转轮用铸钢件是大型混流式水轮机的关键部件，是水流动能转化为电能的主要运动装置，如何高效、高质地制造水轮机转轮用铸钢件是高效、长效发电的基础。本文以数值模拟为突破点，对水轮机转轮用部件(上冠和下环)铸造过程的典型缺陷进行预测，结合缺陷结果对水轮机部件分别进行工艺优化，以期获得良好的铸件。分析水轮机转轮用下环铸钢件的典型缺陷，确定了夹杂为其主要缺陷。建立了夹杂粒子运动轨迹预测模型，对原始工艺水轮机转轮用下环铸钢件进行充型过程流动分析及夹杂粒子运动轨迹预测，基于模拟分析手段，对下环铸钢件进行工艺优化，对夹杂缺陷的消除与转移具有良好的效果。通过对下环、上冠两部分铸件的铸造工艺分析优化，可以获得质量优良的铸件，为后续焊接成整个转轮提供了强有力的方案支撑，对其他水轮机转轮用铸钢件提供技术支持。

关键词：缺陷预测；工艺优化；铸钢件；

目前水力发电主要采用水电装机将水力转换为电力，这些水电装机核心部件是水轮机。随着水轮机容量增大，转轮直径变大，水轮机的制造也越来越困难。水轮机主要包括底环导水机构、转轮体、支持盖和受油器等，其中转轮体是水轮机的主要运动部件，是控制水电转换的关键，同时也是易于摩损或损坏的关键部件。

水轮机轮转体一般分为三个部分进行铸造，分别为：上冠、叶片和下环，这三个部分铸件铸造的质量决定了转轮体的质量，进而影响水轮机的运行效率与寿命。因此研究水轮机转轮体部件铸造工艺是保证水轮机质量的前提。

水轮机部件铸造过程中会产生多种缺陷，主要包括夹渣和缩松缩孔等。夹渣主要是在金属液流动过程中产生的，缩松缩孔主要是在金属液凝固过程中产生的，因此，研究金属液充型流动、凝固降温是控制水轮机铸造工艺的基础。随着计算机领域的高速发展，数值模拟技术已越来越多地应用于实际生产中，其不仅仅降低了人力、物力，而且大大提高了生产效率。采用数值模拟分析金属液充型流动、凝固降温过程，进而优化水轮机转轮部件的铸造工艺，是现阶段高速发展的趋势。

本文针对水轮机转轮用下环铸钢件，对其铸造过程中存在的典型缺陷进行了分析，确定了夹杂为其主要缺陷。基于上述缺陷，建立充型流动过程夹杂运动预测模型，将此模拟结果与实验缺陷进行了对比，验证了夹杂运动预测模型的准确性，在此基础上，通过数值模拟手段进行下环铸钢件充型流动过程的工艺优化，并将工艺优化后的方案进行实际浇注，验证了工艺优化方案的正确性。

1下环铸造钢件结构及铸造工艺分析

1.1 下环铸钢件结构及初始铸造工艺

水轮机下环铸钢件如图 1a)所示，其结构看似简单，即一圆环状结构，但其壁厚不均匀，最薄壁仅有71mm最厚部位处于中部偏上区域达163mm内环半径最小有 1525 mm,而外环半径最大有1710mm，这种壁厚中间大两端小的圆环结构易产生缩孔缩松。由于厚度最大位置处于圆环中上部为了补缩通道的畅通，以此方位设计浇注系统和补缩系统，铸件外包络盒尺寸为1484mmx1710mmx1710mm，为了保证金属液浇注平稳对底部型砂冲击小，同时利于夹渣气的上浮，采用阶梯式浇注系统。冒口设计需要添加补贴，以保证冒口补贴和铸件组成的区域厚度，呈现由大至小的变化，方便金属液的补缩，具体情况如图 1b)所示。

水轮机采用 06Cr13Ni4Mo 材质，具体化学成分见表1.06Cr13Ni4Mo是马氏体不锈钢，抗拉强度大于750 MPa,屈服强度大于550 MPa硬度处于217HB~286HB 范围。

1.2 充型流动过程模拟分析

下环铸造工艺参数如表2所示，模拟时采用相同的参数进行计算。

模拟时，需要对铸件进行划分，为了保证模拟精度与充型流动的准确性，网格尺寸至少需要小于最薄壁厚的二分之一，此处取 12 mm

图2是下环铸钢件的充型流动图，整体过程呈现一种由下而上的充型模式，并且充型过程比较平稳。图 2a)为充型初期的流动状态，金属液体从底部浇道流入铸件；当金属液体液面充型底部内浇口时，如图2b)所示内浇口附近的液面会稍许高于远离内浇口的液面：当金属液高于底部浇口而低于上部内浇口时，如图 2c)所示,整体液面呈现水平形态，非常平稳的上升；当金属液升至上部内浇口时上部内浇口液体开始充型，非常符合阶梯式充型模式，随着液面的继续上升，上下两层内浇口同时充型，如图2d)所示。

1.3 夹杂粒子运动过程模拟与缺陷预测

为了分析充型时夹杂粒子的运动状态，需对其运动轨迹进行绘制。由于粒子放入时间和放入位置不同对粒子运动有很大影响，所以对这两种情况分别研究。图3是固定位置放入的粒子随时间变化的轨迹图，图 3a)中粒子轨迹从浇注入口经直浇道至底部横浇道，最后流至底部内浇口位置，对照图2的充型流动图，此时金属液体从内浇口散落入铸件底部，于内浇口处转变了流动形态；图 3)中粒子在内浇口之前的路径与3a 相同，从底部内浇口流入铸件后随着液面运动至铸件底部又上升至另一内浇口附近，呈现明显的流动特征；图 3c)中粒子从内浇口流入后急速上升至液面，与此刻流动状态相同；图 3d)中粒子从内浇口进入铸件后，在内浇口附近呈现非常紊乱的流动形态，说明底部内浇口进入的液体极易在内浇口附近运动，迫使上部金属液上升。

图4是两个粒子在不同的放入位置时的运动轨迹，其中左边的粒子(设为粒子 A)放入位置不变可见其从直浇道流经底部横浇道，进入铸件后迅速向上方运动。右边放入的粒子(设为粒子 B)位置是变化的，其运动轨迹也是变化的，图4a)中粒子 B与粒子 A运动轨迹部分相近，在弧状横浇道处改变进入邻近的浇道中，并于内浇口前沿处出现紊乱流状态，此处极易出现夹杂缺陷；图 4b)中 B 粒子从 A粒子反方向的横浇道进入铸件，也出现往上方紊流现象；图4c)中 B粒子的位置与A 粒子的位置非常接近，但是两者的流入路径存在较大区别B粒子从上层内浇口流入铸件中，亦是往上方运动，与此时刻的流动前沿状态相关联；图 4d)中 B粒子与A粒子运动方向相反，流入铸件的内浇口处于不同的层，B粒子在浇道内部时也出现了小涡流运动流入铸件时呈现水平面运动。

综上所述，上层流道进入的粒子更趋向于水平或者向上运动，而从底层进容入的粒子运动比较复杂，既会于内浇口前沿发生紊流，亦可沿着流体运动方向出现上升。故极易在底层内浇口及偏上区域或者两冒口间区域形成夹杂。

2下环铸钢件铸造工艺设计优化分析

为了解决上述分析结果中的来杂问题，需要对下环铸钢件充型过程进行工艺优化，充型过程中还需要考虑温降和凝固路径，这些都会影响夹杂的上浮难易程度，具体改进方案包含三个方面，分别为浇注系统、冒口系统和冷铁系统。

2.1浇注系统

由于铸件较大，单入口充型速度太慢，致使铸件充型完毕时整体温度偏低，则铸件凝固初始温度不能满足要求，会有碍夹杂的上浮，故需采用双浇注入口，具体如图 5 所示，一个浇注入口从明冒口中部进入铸件，另一个浇注入口从底部进入铸件此种设计可以对夹杂起到冲击作用，加速上浮。

2.2 冒口系统

为了保证凝固补缩路径的畅通，加强夹杂的上浮，增加了冒口保温措施，明冒口采用发热冒口，即在原工艺基础上加上发热保温冒口套。

2.3 冷铁系统

冷铁系统主要是依据冒口冷却凝固补缩路径进行设定，其位于底部两内浇口之间位置，保证底部凝固初期从此处结晶，致使底部内浇口与顶部内浇口间存在明显的温度梯度，实现顺序凝固。冷铁采用ZG35 材质。

2.4 下环铸钢件充型过程模拟

图6下环铸钢件优化后的型流动图由于底层内浇口直径尺寸较小，进入铸件的金属液主要由上层浇注入口提供，浇注充型模式也是由下往上。图 6a)是充型初期金属液的流动情况，上层浇注入口流量大，进入铸件的液体呈现雨淋式，底部内浇口流入量小，减少上层浇注金属液的流动冲击作用，同时减少液面上升时间和高低液面差图 6b)是金属液面高于底层浇注入口低于上层浇注入口的流动状态，可见雨淋式浇注的液体与旁边的液体液面差距不大，增加液体扰动却不易出现紊流；图6c)是金属液面接近冒口根部时的流动状态，可见从冒口中流入的液体液面高于冒口间的液面，这种液面差促进了流体的运动，保证了冒口间区域的夹杂运动，减少冒口间上浮的夹杂停留时间，使得液面高于冒口根部时，冒口间区域的夹杂流入冒口区城中，最终减少夹杂在铸件中的数量；图6d)是金属液面高于冒口根部，接近上次内浇口的流体流动状态，此时液面趋于平缓，冒口中的夹杂可以有效平稳地上浮至液面上，减少夹杂从冒口流出至铸件内的可能性，可以有效减少夹杂缺陷。

与优化前的铸件工艺相比，充型时间大大缩短，有效地减少了充型过程的温降；虽然流动过程扰动大但有效地降低了夹杂产生趋势。

2.5 夹杂粒子运动轨迹模拟与缺陷预测

图7是下环铸钢件中两个相同放入位置粒子的运动轨迹，其随时间变化表现出不同的形态。设下层内浇口进入铸件的粒子为 A，上层内浇口进入铸件的粒子为B图7a)为6.93s时A和B粒子的运动轨迹，A粒子从直浇道经底部横浇道流入铸件，于内浇口前端出现稍许涡流，B 粒子经另一浇注入口流过上层横浇道进入铸件，从内浇口处垂直下降至铸件底部同此时的流动形态类似；图7b)为20.94s时的A与B粒子运动路径，可见A粒子进入铸件上升距离比图 7a)中的高，并且在液面附近出现涡流，B粒子与图 7a)中的路径相同，虽然显示路径终点较高，但随着时间的延长，仍然为继续下降；图7c)为图 7b)的进一步流动，规律与上同；图7d)中 A粒子继续维持上述规律，B粒子进入铸件后反而往铸件底部运动，随后出现上升至另一冒口中。

综上所示，如果夹杂粒子从底层浇道进入铸件，则会上浮至液体表面；如果夹杂粒子从上层浇道进入铸件，则会有两种情形，一种会往铸件底部运动，经流体上浮至冒口中；另一种会直接浮于冒口中的液面处。

图8是不同放入位置的粒子运动轨迹，由于存在两个浇注入口，为了对比的合理性，每个浇注入口中固定位置存在一个粒子运动轨迹，图8a)中两个长运动轨迹的粒子即为固定位置的粒子，另外两个位置的粒子运动距离比较短，为底层横浇道处改变运动方向的粒子，一为上次浇道横浇道处改变运动方向的粒子；图 8)中变化的两个粒子轨迹分别与 8a)中的固定粒子呈反方向，上层反方向粒子明显出现先下降至铸件底部，后上升至冒口中，与前文结论相符。

3 实际验证

图9是下环铸钢件杂缺陷验证结果，图9a)为实际铸件夹杂缺陷，主要处于铸件中部区域及上端面冒口间区域；图9b)为模拟夹杂运动轨迹可发现粒子于铸件中部区域容易出现紊流，并且易于上浮至冒口中间区域，与实际夹杂缺陷位置相符。

图10是下环铸钢件工艺优化后的夹杂结果验证，图10a)中的实际铸件明显不存在夹杂缺陷；而图 10b)中的夹杂运动轨迹显示杂最后大部分集中于冒口区域中，铸件中基本没有夹杂缺陷，与实际结果合。

4结论

以水轮机转轮用下环铸钢件为对象分析了其主要铸造缺陷为夹杂。首先对夹杂粒子运动轨迹进行建模，给出计算粒子轨迹的速度差值算法，然后通过充型过程与夹杂粒子运动轨迹过程的模拟分析预测了夹杂缺陷，并进行工艺优化，得出以下结论：

1)初始艺方案易于在中部上端面冒口中间区域形成表面式夹杂缺陷;

2)优化工艺方案通过双浇注入口实现上下层同时充型的浇注系统对夹杂上浮于冒口中具有非常好的效果最终铸件内部基本无夹杂缺陷;

3)通过与实际浇注方案对比，发现来杂预测结果与实际结果吻合良好，并获得了较优的工艺优化方案。

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文章来源：中铸协铸钢委