CN1125649A - 电渣熔铸导叶工艺方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于电渣熔铸工艺及设备领域，它采用结晶器上、下箱分体结构，自耗电极为随形结构分体制作，组焊成型，在熔铸过程中采用两工位或多工位一次整体熔铸成型。本发明工序简单、灵活，生产周期短，金属利用率高达80％以上，能使导叶毛坯铸件各向同性能指标达到同样材质锻件水平，导叶内部组织致密，对水轮机制造向型化、高功率发展起到推动作用。

Description

电渣熔铸导叶工艺方法及设备

本发明所属技术领域是：电渣熔铸工艺及设备。

目前，国际上对于水轮机关键部件导叶的制造上采用了多种方法，随着水电事业的发展，水轮机向大型化、高功率发展，大型水轮机的导叶在质量要求上更高，在制造难度上更困难。本发明将电渣熔铸工艺用于制造导叶，特别是大型导叶的制造取得了显著的技术进步。

针对导叶这种变曲面形状和作为水轮机关键部件的高质量要求在国内外采用下列一些制造方法；

1、普通砂型整体铸造：目前是国内外制造导叶的主要方法。它采用精炼钢水，但是导叶的内部质量由于受到瓣体与轴的铸造热节以及铸造过程中产生的缩孔、疏松、裂纹等缺陷的影响而难以保证。

2、瓣体模压成型或砂型铸造成型与轴组焊：该方法制造的导叶工序复杂，生产周期长，而且使用范围受到限制，铸造瓣体易产生铸造缺陷。

3、整体锻造导叶：锻造导叶质量较好，但由于工艺原因只适用于制造小型导叶，且后续仿型加工量较大，使用范围受到限制。

4、电渣熔铸导叶：经查新得知，日本日立公司曾申报有关方面的专利(日本专利昭57—00542)，这是和本发明最接近的背景技术，它的内容是：(1)工艺方法上控制结晶器的冷却速度，在600℃/h实现以电渣熔铸工艺来代替淬火工艺的急冷，并且熔铸过程中是整体箱式结构，其上轴部采用抽锭方法逐渐成型，这种方法对于轴与瓣体结合处的金相组织没有保证，而且操作复杂，结晶器成本虽不高，但工装费用高、总成本高，生产效率低。

针对上述问题，本发明的目的是；用电渣熔铸方法制造导叶，解决砂型铸造难以消除的缩孔、疏松、夹渣、裂纹等缺陷，铸件各向同性，性能指标达到同样材质锻件水平，且使金属利用率高达85％以上，同时工序简单、灵活，生产周期短，能够生产大型导叶，且使导叶质量有可靠保证，高于其它电渣熔铸导叶。

本发明的具体内容是；

一、、本发明电渣熔铸装置采用结晶器上、下箱分体结构，自耗电极为随型结构分体制作，在熔铸过程中采用两工位或多工位连续进行熔铸，整体熔铸成型，上箱为整体结构，下箱为组合结晶器，上、下箱定位采用标尺定位法，如图1所示：1为自耗电极、2为下结晶器、3为熔铸渣池、4为金属熔池、5为电渣熔铸毛坯、6为底水箱、7为变位机、8为上结晶器。图1、2分别为下、上结晶器结构和电渣熔铸导叶两工位工艺过程示意图。

二、本发明工艺：

1、本发明上下结晶器采用不同导热系数的材质制作，上结晶器用铜材，下结晶器用钢材或铜铜复合材料，对于导叶类异型铸件各部分的截面形状和面积不同，熔铸中出现结晶组织的差异，利用结晶器不同材质控制不同部位冷却强度，按照需要可以对异型铸件采用铜、钢、铝、铁不同的配合达到控制冷却强度的范围要求。

本发明工艺过程；

(1)、通电起弧造渣：在一定时间内形成渣层，将随型自耗电极插入液态熔渣，，液态熔渣通过电流产生电阻热将金属自耗电极熔化，熔化的金属汇集成熔滴，穿过渣层进入金属熔池，然后在导叶下结晶器内形成导叶，瓣体液态形状如图，如果是大型导叶采用多次变换工位连续熔铸成型。

(2)、当下箱铜水充填完后，利用变位机将下箱结晶器换到下一工位上，利用外降装置将上箱结晶器与下箱结晶器联接并定位，上结晶器内自耗电极开始熔化充填成型完成轴部熔铸导叶整体成型。

(3)、本发明渣系采用二元渣系，其配比为CaF2 70％Al2O3 30％(重量比)，渣层厚度控制在100mm-220mm范围。

(4)、在电制度给定上，采用不同的断面给定不同的熔化电流和电压，熔化速率控制在2kg-5kg/min，电压52—70V，电流2500A、1000A，渣量40—200kg。

如图3所示，a区探伤要求为φ3当量I级，该区在工作状态下受到扭矩与冲击力的作用，因此，内部质量和表面质量要求较高，其它区探伤要求为φ当量II级，这样在工区本发明采用不同导热系数材料作为结晶器内腔，控制水冷强度，上下结晶器水缝间隙依毛坯壁厚的大小，控制在5—100mm范围内，以控制水冷强度，使该区形成一定温度梯度的顺序凝固，从而得到结晶组织致密，性能良好不能产生开裂等高质量铸件。

本发明与背景技术相比所具有的有益的效果如下：本发明采用上下箱分体结构，分箱面设在轴与瓣体相接面上，使我们采用不同导热系数材质制作上下结晶器内腔，以及控制水冷强度的变化使轴与瓣体交界处熔融金属在一定温度梯度下顺序凝固，从而使铸件组织致密性能优异，而对比技术没有采用上下箱分体结构，轴部采用抽锭方法熔铸成型，该方法与本发明相比设备复杂，操作困难，抽锭设备成本高，而其发明解决的是：对某些材料利用电渣重熔方法可减少淬火工序(以一定的冷却速度)。对不同断面尤其是轴与瓣体交界处由于冷却速度的不同易造成热应力而产生裂纹没有提出有效的解决办法。

实施例1：利用如下表1的化学成分的材质采用图2所示的装置。上、下结晶器内腔分别采用铜、钢材料制造，水缝为10—75mm，电渣熔铸导叶自耗电极为随型结构，分体制作，渣系采用二元渣系其配比为CaF2 70％：Al2O3 30％(重量比)，渣层高度控制在100—220mm范围，电制度给定上采用不同的断面给定不同的熔化电流和电压，电流2500-7500，电压52—72，冷却时通过水冷控制冷却强度，然后进行补缩制成导叶毛坯。本实施例在图4所示a、b、c、d位置上取样，与同样材质砂型铸造工艺方法生产的导叶毛坯测定的性能指标作了比较，如表2、3所示：

                                                                                                             表1

元素	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	MO
									含量％	0.03	0.31	0.43	0.02	0.022	15.06	5.52	0.72

本发明电渣熔铸导叶的机械性能如表2所示：

                                                                            表2

机械性能	A	B	C	D
					δbN/mm2	919.4	986.5	998.6	949.4
δsN/mm2	756.2	828.8	834.7	831.2
					δ％	18.8	18.1	17.6	17.6
ψ％	62.8	56	51	59.5
					AkJ/cm2	121.3	91.5	90.1	108.9

砂型铸造导叶机械性能

                                                              表3

δbN/mm2	δsN/mm2	δ％	ψ％	AkJ/cm2
					885	635	19	43	63.9

Claims (4)

1、一种电渣熔铸导叶的工艺方法，其特征是；采用两工位或多工位连续进行熔铸直至成型，其过程是：先完成对导叶瓣体部分(下箱)的熔铸(可采用多次变换工位连续熔铸)，瓣体成型部分的钢水充填完了以后，利用变位机将下箱结晶器换到下一工位上，将上、下箱联接并定位上结晶器内自耗电极开始熔化充填成型。

2、根据权利要求1所述的工艺，其特征是：其上、下结晶器采用两种具有不同导热系数的材质制作，上结晶器用铜材，下结晶器用钢材或铜与钢的复合材料，以控制冷却强度。

3、根据权利要求1所述的工艺，其特征是：上、下结晶器水缝间隙依毛坯壁厚的大小控制在5—100mm范围内以控制水冷强度和结晶顺序。

4、一种电渣熔铸导叶的设备，其特征是：其结晶器结构采用上、下箱分体结构，上箱为整体结构，下箱为分块组合结晶器，上、下箱定位采用标尺定位法，自耗电极为随形结构分体制作。

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