CN103567419B - 电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法 - Google Patents

电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到贯流式水轮机导叶的熔铸制造方法，特别是高要求、高性能贯流式水轮机活动导叶的制造工艺，具体为一种电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面(扇形)活动导叶的制造方法，解决目前电渣熔铸技术无法生产连续变化截面铸件的技术难题。针对这一技术难题，本发明提出针对连续变截面的铸件电渣熔铸工艺设计方法和制造方法，电渣熔铸贯流式水轮发电机活动导叶的工艺方法，采用熔铸过程截面连续变化的电渣熔铸，所生产的贯流式水轮发电机活动导叶性能指标较目前制造方法得到大幅度提高。本发明以电渣熔铸技术替代砂型铸造生产贯流式水轮发电机活动导叶，提高了材料的利用率20%以上。

Description

电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法
技术领域：
本发明涉及到贯流式水轮机导叶的熔铸制造方法，特别是高要求、高性能贯流式水轮机活动导叶的制造工艺，具体为一种电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面(扇形)活动导叶的制造方法。
背景技术：
随着国家对电力建设的结构性调整和对环境保护的重视，积极发展水电已成为我国电力工业建设的发展方向。水电属于可再生的清洁能源，发展水电，提高大型水轮机组的设计、制造和生产能力，是促进国民经济发展的和促进机械工业发展的需求。随着大型贯流式水力发电机组对活动导叶性能的要求不断提高，对贯流式水轮发电机活动导叶的制造方法提出了更高的要求。
国内目前生产贯流式水轮发电机活动导叶的工艺方法是砂型铸造，由于该工艺制造的导叶内部质量差，铸造过程中容易产生缩孔、疏松、裂纹等缺陷，造成产品的使用寿命及使用安全性不高。
电渣熔铸技术，作为一种精炼及精铸工艺，目前已经成功用于制造混流机及轴流式水轮发电机活动导叶，即熔铸等截面的铸件（图1）。但由于工艺发展的技术局限，对于连续变截面的大型铸件（图2），目前尚无法生产。
发明内容：
本发明的目的是提供一种电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面(扇形)活动导叶的制造方法，解决目前电渣熔铸技术无法生产连续变化截面铸件的技术难题。
本发明的技术方案是：
一种电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，具体步骤如下：
（1）、采用渣系ANF-6：70wt%CaF2+30wt%Al2O3；
（2）、结晶器型线设计原则：
采用三维实体造型软件设计结晶器内腔，其中贯流式水轮发电机的导叶瓣体根据厚度及曲率变化设计熔铸毛坯增量；
（3）、结晶器冷却强度的设定：
由于熔铸截面的连续变化，冷却采用梯度设置，出水温度及水流速度与熔铸截面连续变化匹配控制；通过程序控制实时冷却截面变化，保证单位截面面积冷却强度相等，设置以下经验公式：
S=（H×cosα×k+1）×S0           (1)
其中：S为当前冷却面积，H为导叶瓣体段熔铸叶面高度，角α为铸件分型计算角度（°），k为经验系数，取值范围为0.12～0.75，S0为当结晶器初始截面面积；
（4）、自耗电极设计原则：
采用理论计算按照熔铸过程中电极截面与结晶器截面间隙保持稳定的原则，设计连续变化截面电极；
（5）、供电制度的设计原则：
由于熔铸过程中，铸件为连续变截面，使得熔铸电极与结晶器的截面随高度的变化处于一个连续变化的过程，又因铸件截面为不规则形状，为了计算电极与结晶器截面连续变化规律，熔铸过程中保持电流（I）和电压（U）的稳定性，设置以下经验公式：
U=[D结晶器×(k1+H×cosα)+Q1]    (V)      (2)
I=[D电极×(k2+H×cosα)+Q2]        (A)      (3)
其中：k1、k2为经验系数，D结晶器、D电极分别为结晶器和电极的连续变化段最小截面等效直径（mm），Q1、Q2为经验值，角α为铸件分型计算角度（°），H为导叶瓣体段熔铸液面高度；
（6）、渣料添加控制：
采用程序控制设备控制连续添加渣料，保持渣层稳定；
（7）、热处理：
为保证铸件的使用性能，首先熔铸毛坯需要及时进行防裂退火处理，退火温度580～700℃；然后进行正火及回火热处理，正火温度范围900～1060℃；回火温度范围520～670℃；以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5～3小时。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（5）中，由于导叶瓣体结晶器截面的连续变化，通过熔铸液面高度的变化检测连续调整熔铸电压电流的变化，使单位截面熔铸功率的一致。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（5）中，经验系数k1、k2的含义：通过三维造型结晶器熔铸变化的经验匹配参数，k1取值范围为0.1～1.4，k2取值范围20～40。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（5）中，经验值Q1、Q2的含义：Q1为电压经验参数值，取值范围为20～40；Q2为电流经验参数，取值范围450～700。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（5）中，铸件分型计算角度α的含义：为导叶瓣体中心截面位置叶面放射状倾角。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（7）中，由于贯流式水轮发电机的导叶特殊叶面形式，为防止热处理变形及优化组织及性能，采用缓慢加热升温的方式进行加热升温，升温速度根据导叶的叶面厚度的不同控制在每小时升温50～80℃；冷却强度方面，在保证使用性能的基础上，保证导叶各部分冷却强度的均匀性。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，步骤（7）中，根据需要进行二次回火热处理，回火温度比前一次回火降低5～30℃，保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5～3小时。
所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，熔铸电极材料为：20SiMn钢；低碳马氏体不锈钢为06Cr13Ni4Mo、06Cr13Ni5Mo或06Cr16Ni5Mo；超低碳马氏体不锈钢为03Cr13Ni4Mo、03Cr13Ni5Mo或03Cr16Ni5Mo。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
1、本发明是对电渣熔铸工艺的发展，在熔铸出连续变截面铸件的基础上，保持了其铸件优良组织结构及性能，所生产的铸件结晶组织均匀致密、纯度高、硫磷含量低、非金属夹杂少、具有良好的强韧配合、抗疲劳抗裂纹伸展及良好的焊接及加工工艺性能，解决了目前电渣熔铸技术无法生产连续变化截面铸件的技术难题。
2、对比现有的砂型铸造贯流式水轮发电机活动导叶，采用电渣熔铸的方法制造，提高贯流式水轮发电机活动导叶使用寿命30%以上。
3、对比现有的砂型铸造工艺生产的贯流式水轮发电机活动导叶，电渣熔铸贯流式水轮发电机活动导叶的探伤等级提升一个级别，提高了铸件的使用安全性。
4、本发明以电渣熔铸技术替代砂型铸造生产贯流式水轮发电机活动导叶，提高了材料的利用率20%以上。
附图说明
图1为等截面的铸件示意图。
图2为连续变截面的大型铸件示意图。
具体实施方式
对于熔铸过程中连续变截面铸件，目前电渣熔铸所采用的结晶器设计方法如冷却强度的设计工艺和熔铸参数如电流、电压的设计方法等将不再适用。针对这一技术难题，本发明提出针对连续变截面的铸件电渣熔铸工艺设计方法和制造方法，电渣熔铸贯流式水轮发电机活动导叶的工艺方法，采用熔铸过程截面连续变化的电渣熔铸，所生产的贯流式水轮发电机活动导叶性能指标较目前制造方法得到大幅度提高，具体如下：
熔铸电极材料为：20SiMn钢；低碳马氏体不锈钢为06Cr13Ni4Mo、06Cr13Ni5Mo或06Cr16Ni5Mo；超低碳马氏体不锈钢为03Cr13Ni4Mo、03Cr13Ni5Mo或03Cr16Ni5Mo。
1、采用渣系ANF-6：70wt%CaF2+30wt%Al2O3。
2、结晶器型线设计原则：
采用三维实体造型软件设计结晶器内腔，其中贯流式水轮发电机的导叶瓣体根据厚度及曲率变化随形设计熔铸毛坯增量，具体如下：
1）针对贯流机活动导叶瓣体的形状为扇形曲面且各部分厚度及曲率变化大的特点，进行数字造型；
2）根据导叶瓣体曲率及厚度情况设毛坯增量；
3）修整毛坯数字模型，完成型线设计。
3、结晶器冷却强度的设定：
由于熔铸截面的连续变化，冷却采用梯度设置，出水温度及水流速度与熔铸截面连续变化匹配控制。通过程序控制实时冷却截面变化，保证单位截面面积冷却强度相等，设置以下经验公式：
S=（H×cosα×k+1）×S0         (1)
其中：S为当前冷却面积，H为导叶瓣体段熔铸叶面高度，角α为铸件分型计算角度（°），k为经验系数，取值范围为0.12～0.75，S0为当结晶器初始截面面积。
4、自耗电极设计原则：
采用理论计算按照熔铸过程中电极截面与结晶器截面间隙保持稳定的原则，设计连续变化截面电极，具体如下：
1）以结晶器设计步骤中的结晶器内腔数字模型为基础，按照熔铸截面变化情况设计电极与结晶器内壁间隔；
2）导叶瓣体电极重量为熔铸毛坯瓣体部分重量，电极长度根据前步间隔等比例延长电极长度。
5、供电制度的设计原则：
由于熔铸过程中，铸件为连续变截面，使得熔铸电极与结晶器的截面随高度的变化处于一个连续变化的过程，又因铸件截面为不规则形状，为了计算电极与结晶器截面连续变化规律，熔铸过程中保持电流（I）和电压（U）的稳定性，设置以下经验公式：
U=[D结晶器×(k1+H×cosα)+Q1]      (V)       (2)
I=[D电极×(k2+H×cosα)+Q2]    (A)       (3)
其中：k1、k2为经验系数，D结晶器、D电极分别为结晶器和电极的连续变化段最小截面等效直径（mm），Q1、Q2为经验值，角α为铸件分型计算角度（°），H为导叶瓣体段熔铸液面高度。
经验公式的设计思想：由于导叶瓣体结晶器截面的连续变化，通过熔铸液面高度的变化检测连续调整熔铸电压电流的变化，使单位截面熔铸功率的一致。
经验系数k1、k2的含义：通过三维造型结晶器熔铸变化的经验匹配参数，k1取值范围为0.1～1.4，k2取值范围20～40。
经验值Q1、Q2的含义：Q1为电压经验参数值，取值范围为20～40；Q2为电流经验参数，取值范围450～700。
铸件分型计算角度α的含义：为导叶瓣体中心截面位置叶面放射状倾角。
6、渣料添加控制：
采用程序控制设备控制连续添加渣料，保持渣层稳定，具体如下：
1）通过侦测熔铸页面渣料情况，添加混合渣料；
2）加料于电极与结晶器间熔铸液面间隙处，均匀散布。
7、热处理：
由于贯流式水轮发电机的导叶特殊叶面形式，为防止热处理变形及优化组织及性能，应采用缓慢加热升温的方式进行加热升温，升温速度根据导叶的叶面厚度的不同控制在每小时升温50～80℃。冷却强度方面，在保证使用性能的基础上，保证导叶各部分冷却强度的均匀性。为保证铸件的使用性能，熔铸毛坯需要及时进行防裂退火处理，退火温度580～700℃，保温时间依据铸件厚度及装炉密度确定；然后进行正火及回火热处理，正火温度范围900～1060℃；回火温度范围520～670℃；并根据需要进行二次回火热处理，回火温度比前一次回火降低5～30℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5～3小时。
8、熔铸后铸件合金成分（以重量百分比计）：
表1为20SiMn钢合金成分
C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe
0.18～0.25 0.30～0.80 1.20～1.50 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.30 ≤0.30 余量
表2为低碳马氏体不锈钢合金成分
表3为超低碳马氏体不锈钢合金成分
下面通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
采用低合金钢20SiMn制备贯流式水轮发电机导叶电渣熔铸毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为50V，电流6500A，熔铸过程随计算式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成20SiMn钢毛坯。其化学成分为：
表4
C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe
0.20 0.7 1.20 0.020 0.013 0.010 0.10 0.10 余量
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为570℃；正火工艺温度为950℃；回火工艺温度为585℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为565℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温1小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例2
采用电渣熔铸制备06Cr13Ni4Mo钢贯流式水轮发电机导叶毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为75V，电流12000A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成06Cr13Ni4Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为610℃；正火工艺温度为1000℃；回火工艺温度为600℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为570℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温2小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例3
采用电渣熔铸制备06Cr13Ni5Mo钢贯流式水轮发电机导叶毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为50V，电流7500A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成06Cr13Ni5Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为580℃；正火工艺温度为1010℃；回火工艺温度为580℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为570℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例4
采用电渣熔铸制备06Cr16Ni5Mo钢贯流式水轮发电机导叶毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为80V，电流14500A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成06Cr16Ni5Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为590℃；正火工艺温度为1030℃；回火工艺温度为600℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为590℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温3小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例5
采用电渣熔铸制备03Cr13Ni5Mo钢贯流式水轮发电机导叶毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为88V，电流18000A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成03Cr13Ni5Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为650℃；正火工艺温度为1100℃；回火工艺温度为610℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为585℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温1小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例6
采用电渣熔铸制备03Cr16Ni5Mo钢分体式贯流式水轮发电机导叶水斗毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为105V，电流19500A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成03Cr16Ni5Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为650℃；正火工艺温度为1050℃；回火工艺温度为590℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为580℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温2小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例7
采用电渣熔铸制备03Cr16Ni5Mo钢分体式贯流式水轮发电机导叶水斗毛坯。
用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定起始熔铸电压为50V，电流20000A，熔铸过程随电压电流公式调节。
通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型，制成03Cr16Ni5Mo钢毛坯。其化学成分为：
为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，需及时进行热处理，采用防裂热处理+正火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理，以优化铸件综合性能。
本实施例中，防热裂及消除内应力热处理温度为700℃；正火工艺温度为1020℃；回火工艺温度为600℃；并可根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为570℃。以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温3小时。
热处理后铸件机械性能为：
实施例结果表明，本发明采用电渣熔铸技术，生产贯流式水轮机活动导叶毛坯性能质量高于同材质砂铸毛坯质量标准，可以满足：美国铸造协会标准ASTMA609和欧共体标准CCH70-3无损探伤最高级别要求。

Claims (5)

1.一种电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、采用渣系ANF-6：70wt％CaF2+30wt％Al2O3；
(2)、结晶器型线设计原则：
采用三维实体造型软件设计结晶器内腔，其中贯流式水轮发电机的导叶瓣体根据厚度及曲率变化设计熔铸毛坯增量；
(3)、结晶器冷却强度的设定：
由于熔铸截面的连续变化，冷却采用梯度设置，出水温度及水流速度与熔铸截面连续变化匹配控制；通过程序控制实时冷却截面变化，保证单位截面面积冷却强度相等，设置以下经验公式：
S＝(H×cosα×k+1)×S0
其中：S为当前冷却面积，H为导叶瓣体段熔铸叶面高度，角α为铸件分型计算角度(°)，k为经验系数，取值范围为0.12～0.75，S0为当结晶器初始截面面积；
(4)、自耗电极设计原则：
采用理论计算按照熔铸过程中电极截面与结晶器截面间隙保持稳定的原则，设计连续变化截面电极；
(5)、供电制度的设计原则：
由于熔铸过程中，铸件为连续变截面，使得熔铸电极与结晶器的截面随高度的变化处于一个连续变化的过程，又因铸件截面为不规则形状，为了计算电极与结晶器截面连续变化规律，熔铸过程中保持电流(I)和电压(U)的稳定性，设置以下经验公式：
U＝[D结晶器×(k1+H×cosα)+Q1]  (V)
I＝[D电极×(k2+H×cosα)+Q2]  (A)
其中：k1、k2为经验系数，D结晶器、D电极分别为结晶器和电极的连续变化段最小截面等效直径(mm)，Q1、Q2为经验值，角α为铸件分型计算角度(°)，H为导叶瓣体段熔铸液面高度；
步骤(5)中，经验系数k1、k2的含义：通过三维造型结晶器熔铸变化的经验匹配参数，k1取值范围为0.1～1.4，k2取值范围20～40；
步骤(5)中，经验值Q1、Q2的含义：Q1为电压经验参数值，取值范围为20～40；Q2为电流经验参数，取值范围450～700；
步骤(5)中，铸件分型计算角度α的含义：导叶瓣体中心截面位置叶面放射状倾角；
(6)、渣料添加控制：
采用程序控制设备控制连续添加渣料，保持渣层稳定；
(7)、热处理：
为保证铸件的使用性能，首先熔铸毛坯需要及时进行防裂退火处理，退火温度580～700℃；然后进行正火及回火热处理，正火温度范围900～1060℃；回火温度范围520～670℃；以上热处理保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5～3小时。
2.按照权利要求1所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，其特征在于，步骤(5)中，由于导叶瓣体结晶器截面的连续变化，通过熔铸液面高度的变化检测连续调整熔铸电压电流的变化，使单位截面熔铸功率的一致。
3.按照权利要求1所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，其特征在于，步骤(7)中，由于贯流式水轮发电机的导叶特殊叶面形式，为防止热处理变形及优化组织及性能，采用缓慢加热升温的方式进行加热升温，升温速度根据导叶的叶面厚度的不同控制在每小时升温50～80℃；冷却强度方面，在保证使用性能的基础上，保证导叶各部分冷却强度的均匀性。
4.按照权利要求1所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，其特征在于，步骤(7)中，根据需要进行二次回火热处理，回火温度比前一次回火降低5～30℃，保温时间范围为每50mm导叶厚度保温0.5～3小时。
5.按照权利要求1所述的电渣熔铸贯流式水轮机连续变截面活动导叶的制造方法，其特征在于，熔铸电极材料为：20SiMn钢；低碳马氏体不锈钢为06Cr13Ni4Mo、06Cr13Ni5Mo或06Cr16Ni5Mo；超低碳马氏体不锈钢为03Cr13Ni4Mo、03Cr13Ni5Mo或03Cr16Ni5Mo。
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