加铸造行业群，学习铸造知识，加微信：15893249819
徐恩献1,2，张凯强1,2，王雪莲1,2，
杨继红1,2，胡中华1,2，田 磊1,2
关键词：转轮体；数值模拟；工艺优化
转轮体作为大型轴流式、贯流式水电机组能量转换的重要组成部件，因其结构和在机组运行过程中承受载荷的复杂性，它的刚强度在机组安全运行中起着决定性作用，因此对水轮机转轮体的材料选择、设计结构、制造标准、质量和性能指标等方面均有较高要求[1-3]。
转轮体最大直径3 400 mm，高度2 830 mm，最大壁厚460 mm，最小壁厚110 mm，壁厚差较大，共有5个叶片轴孔，具体结构如图1所示，属于设计工艺性不良的结构形式的转轮体，结构复杂是转轮体铸造工艺性和机械加工性较差的主要原因[4]。
转轮体材质为ZG20Mn，化学成分要求见表1。
转轮体力学性能按照JB/T 6402—2018《大型低合金钢铸件 技术条件》执行，并增加弯曲试验和0 ℃V型冲击试验且冲击功≥20.8 J的要求，弯曲试验按照JB/T 6405—2018《大型不锈钢铸件 技术条件》执行。弯曲试验和V型冲击试验已超出JB/T 6402—2018标准中的性能要求，力学性能指标要求高，具体见表2。
根据转轮体结构特点，采用热节圆比例法、模数法设计并校核冒口，以验证冒口补缩能力是否满足要求，设置补贴、冷铁实现铸件顺序凝固和增强冒口补缩效果[5]。
采用密封环带朝上的工艺方案时，外球面轴孔间设置工艺补贴后，数值模拟结果见图2。设置补贴后的球面与大平面形成的“T”型交接热节远大于环带壁厚，该热节区域因存在孤立液相而产生缩孔、缩松缺陷显示，温度场显示出铸件无法实现顺序凝固的效果，采用分散冒口或整圈冒口均无法消除交接热节区域产生缩孔的不利影响；环带为转轮体高应力区域，交接热节的产生导致环带处补贴进一步增厚，降低心部组织致密度，易产生疏松缺陷[4]。传统工艺方案无法满足转轮体质量要求。
采用EBT电弧炉初炼+LF精炼工艺。熔炼过程应充分造渣和脱氧，严格控制P、S含量，吹氩过程严格控制压力和时间，及时关注渣面波动情况，降低钢液夹杂物含量，提高钢液纯净度和浇注过程的流动性；可加入适量的微合金元素，利用其细晶强化作用避免转轮体热处理过程产生粗晶风险，进一步提高材料强韧性；严格控制精炼出钢温度和浇注温度，降低钢液过热度对铸件凝固过程产生缺陷的影响[5]。
转轮体内腔砂芯结构复杂，下芯过程应做好支撑，避免“漂芯”导致铸件报废的风险，同时，浇注过程内腔热量集中，应合理选择型砂种类，以确保砂芯强度和溃散性，避免产生夹砂缺陷，降低清砂难度并改善内腔表面质量；整体壁厚尺寸大，铸件液态收缩和凝固收缩量较大，同时根据内腔非加工面尺寸公差要求合理放置补正量，避免精加工后壁厚尺寸超差，并作为清理工序打磨余量，进一步提高表面质量；圆角区域表面包覆铬铁矿砂以提升砂型蓄热能力，避免圆角热裂纹缺陷产生；生产条件允许时，可采用型腔吹氩+氩气保护浇注，减轻浇注过程钢液的二次氧化，减少夹渣缺陷，提高钢液流动能力；采用本体底部、补贴中部和上部设置三层内浇道的阶梯式浇注系统，确保钢液充型平稳，有利于减轻夹渣、夹砂缺陷，并实现顺序凝固的效果，提高铸件组织致密度[5]。
[5] 李晨希. 铸造工艺设计及铸件缺陷控制 [M]. 北京:化学工业出版社， 2009.
