大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化

雙螺桿泵

2023年8月23日 14:37

沈旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新

(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖南長沙 430074)

摘要：水輪機轉輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關鍵部件，是水流動能轉化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質地制造水輪機轉輪用鑄鋼件是高效、長效發電的基礎。本文以數值模擬為突破點，對水輪機轉輪用部件(上冠和下環)鑄造過程的典型缺陷進行預測，結合缺陷結果對水輪機部件分別進行工藝優化，以期獲得良好的鑄件。分析水輪機轉輪用下環鑄鋼件的典型缺陷，確定了夾雜為其主要缺陷。建立了夾雜粒子運動軌跡預測模型，對原始工藝水輪機轉輪用下環鑄鋼件進行充型過程流動分析及夾雜粒子運動軌跡預測，基于模擬分析手段，對下環鑄鋼件進行工藝優化，對夾雜缺陷的消除與轉移具有良好的效果。通過對下環、上冠兩部分鑄件的鑄造工藝分析優化，可以獲得質量優良的鑄件，為后續焊接成整個轉輪提供了強有力的方案支撐，對其他水輪機轉輪用鑄鋼件提供技術支持。

關鍵詞：缺陷預測；工藝優化；鑄鋼件；

目前水力發電主要采用水電裝機將水力轉換為電力，這些水電裝機核心部件是水輪機。隨著水輪機容量增大，轉輪直徑變大，水輪機的制造也越來越困難。水輪機主要包括底環導水機構、轉輪體、支持蓋和受油器等，其中轉輪體是水輪機的主要運動部件，是控制水電轉換的關鍵，同時也是易于摩損或損壞的關鍵部件。

水輪機輪轉體一般分為三個部分進行鑄造，分別為：上冠、葉片和下環，這三個部分鑄件鑄造的質量決定了轉輪體的質量，進而影響水輪機的運行效率與壽命。因此研究水輪機轉輪體部件鑄造工藝是保證水輪機質量的前提。

水輪機部件鑄造過程中會產生多種缺陷，主要包括夾渣和縮松縮孔等。夾渣主要是在金屬液流動過程中產生的，縮松縮孔主要是在金屬液凝固過程中產生的，因此，研究金屬液充型流動、凝固降溫是控制水輪機鑄造工藝的基礎。隨著計算機領域的高速發展，數值模擬技術已越來越多地應用于實際生產中，其不僅僅降低了人力、物力，而且大大提高了生產效率。采用數值模擬分析金屬液充型流動、凝固降溫過程，進而優化水輪機轉輪部件的鑄造工藝，是現階段高速發展的趨勢。

本文針對水輪機轉輪用下環鑄鋼件，對其鑄造過程中存在的典型缺陷進行了分析，確定了夾雜為其主要缺陷。基于上述缺陷，建立充型流動過程夾雜運動預測模型，將此模擬結果與實驗缺陷進行了對比，驗證了夾雜運動預測模型的準確性，在此基礎上，通過數值模擬手段進行下環鑄鋼件充型流動過程的工藝優化，并將工藝優化后的方案進行實際澆注，驗證了工藝優化方案的正確性。

1下環鑄造鋼件結構及鑄造工藝分析

1.1 下環鑄鋼件結構及初始鑄造工藝

水輪機下環鑄鋼件如圖 1a)所示，其結構看似簡單，即一圓環狀結構，但其壁厚不均勻，最薄壁僅有71mm最厚部位處于中部偏上區域達163mm內環半徑最小有 1525 mm,而外環半徑最大有1710mm，這種壁厚中間大兩端小的圓環結構易產生縮孔縮松。由于厚度最大位置處于圓環中上部為了補縮通道的暢通，以此方位設計澆注系統和補縮系統，鑄件外包絡盒尺寸為1484mmx1710mmx1710mm，為了保證金屬液澆注平穩對底部型砂沖擊小，同時利于夾渣氣的上浮，采用階梯式澆注系統。冒口設計需要添加補貼，以保證冒口補貼和鑄件組成的區域厚度，呈現由大至小的變化，方便金屬液的補縮，具體情況如圖 1b)所示。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖1

水輪機采用 06Cr13Ni4Mo 材質，具體化學成分見表1.06Cr13Ni4Mo是馬氏體不銹鋼，抗拉強度大于750 MPa,屈服強度大于550 MPa硬度處于217HB~286HB 范圍。

1.2 充型流動過程模擬分析

下環鑄造工藝參數如表2所示，模擬時采用相同的參數進行計算。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖2

模擬時，需要對鑄件進行劃分，為了保證模擬精度與充型流動的準確性，網格尺寸至少需要小于最薄壁厚的二分之一，此處取 12 mm

圖2是下環鑄鋼件的充型流動圖，整體過程呈現一種由下而上的充型模式，并且充型過程比較平穩。圖 2a)為充型初期的流動狀態，金屬液體從底部澆道流入鑄件；當金屬液體液面充型底部內澆口時，如圖2b)所示內澆口附近的液面會稍許高于遠離內澆口的液面：當金屬液高于底部澆口而低于上部內澆口時，如圖 2c)所示,整體液面呈現水平形態，非常平穩的上升；當金屬液升至上部內澆口時上部內澆口液體開始充型，非常符合階梯式充型模式，隨著液面的繼續上升，上下兩層內澆口同時充型，如圖2d)所示。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖3

1.3 夾雜粒子運動過程模擬與缺陷預測

為了分析充型時夾雜粒子的運動狀態，需對其運動軌跡進行繪制。由于粒子放入時間和放入位置不同對粒子運動有很大影響，所以對這兩種情況分別研究。圖3是固定位置放入的粒子隨時間變化的軌跡圖，圖 3a)中粒子軌跡從澆注入口經直澆道至底部橫澆道，最后流至底部內澆口位置，對照圖2的充型流動圖，此時金屬液體從內澆口散落入鑄件底部，于內澆口處轉變了流動形態；圖 3)中粒子在內澆口之前的路徑與3a 相同，從底部內澆口流入鑄件后隨著液面運動至鑄件底部又上升至另一內澆口附近，呈現明顯的流動特征；圖 3c)中粒子從內澆口流入后急速上升至液面，與此刻流動狀態相同；圖 3d)中粒子從內澆口進入鑄件后，在內澆口附近呈現非常紊亂的流動形態，說明底部內澆口進入的液體極易在內澆口附近運動，迫使上部金屬液上升。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖4

圖4是兩個粒子在不同的放入位置時的運動軌跡，其中左邊的粒子(設為粒子 A)放入位置不變可見其從直澆道流經底部橫澆道，進入鑄件后迅速向上方運動。右邊放入的粒子(設為粒子 B)位置是變化的，其運動軌跡也是變化的，圖4a)中粒子 B與粒子 A運動軌跡部分相近，在弧狀橫澆道處改變進入鄰近的澆道中，并于內澆口前沿處出現紊亂流狀態，此處極易出現夾雜缺陷；圖 4b)中 B 粒子從 A粒子反方向的橫澆道進入鑄件，也出現往上方紊流現象；圖4c)中 B粒子的位置與A 粒子的位置非常接近，但是兩者的流入路徑存在較大區別B粒子從上層內澆口流入鑄件中，亦是往上方運動，與此時刻的流動前沿狀態相關聯；圖 4d)中 B粒子與A粒子運動方向相反，流入鑄件的內澆口處于不同的層，B粒子在澆道內部時也出現了小渦流運動流入鑄件時呈現水平面運動。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖5

綜上所述，上層流道進入的粒子更趨向于水平或者向上運動，而從底層進容入的粒子運動比較復雜，既會于內澆口前沿發生紊流，亦可沿著流體運動方向出現上升。故極易在底層內澆口及偏上區域或者兩冒口間區域形成夾雜。

2下環鑄鋼件鑄造工藝設計優化分析

為了解決上述分析結果中的來雜問題，需要對下環鑄鋼件充型過程進行工藝優化，充型過程中還需要考慮溫降和凝固路徑，這些都會影響夾雜的上浮難易程度，具體改進方案包含三個方面，分別為澆注系統、冒口系統和冷鐵系統。

2.1澆注系統

由于鑄件較大，單入口充型速度太慢，致使鑄件充型完畢時整體溫度偏低，則鑄件凝固初始溫度不能滿足要求，會有礙夾雜的上浮，故需采用雙澆注入口，具體如圖 5 所示，一個澆注入口從明冒口中部進入鑄件，另一個澆注入口從底部進入鑄件此種設計可以對夾雜起到沖擊作用，加速上浮。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖6

2.2 冒口系統

為了保證凝固補縮路徑的暢通，加強夾雜的上浮，增加了冒口保溫措施，明冒口采用發熱冒口，即在原工藝基礎上加上發熱保溫冒口套。

2.3 冷鐵系統

冷鐵系統主要是依據冒口冷卻凝固補縮路徑進行設定，其位于底部兩內澆口之間位置，保證底部凝固初期從此處結晶，致使底部內澆口與頂部內澆口間存在明顯的溫度梯度，實現順序凝固。冷鐵采用ZG35 材質。

2.4 下環鑄鋼件充型過程模擬

圖6下環鑄鋼件優化后的型流動圖由于底層內澆口直徑尺寸較小，進入鑄件的金屬液主要由上層澆注入口提供，澆注充型模式也是由下往上。圖 6a)是充型初期金屬液的流動情況，上層澆注入口流量大，進入鑄件的液體呈現雨淋式，底部內澆口流入量小，減少上層澆注金屬液的流動沖擊作用，同時減少液面上升時間和高低液面差圖 6b)是金屬液面高于底層澆注入口低于上層澆注入口的流動狀態，可見雨淋式澆注的液體與旁邊的液體液面差距不大，增加液體擾動卻不易出現紊流；圖6c)是金屬液面接近冒口根部時的流動狀態，可見從冒口中流入的液體液面高于冒口間的液面，這種液面差促進了流體的運動，保證了冒口間區域的夾雜運動，減少冒口間上浮的夾雜停留時間，使得液面高于冒口根部時，冒口間區域的夾雜流入冒口區城中，最終減少夾雜在鑄件中的數量；圖6d)是金屬液面高于冒口根部，接近上次內澆口的流體流動狀態，此時液面趨于平緩，冒口中的夾雜可以有效平穩地上浮至液面上，減少夾雜從冒口流出至鑄件內的可能性，可以有效減少夾雜缺陷。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖7

與優化前的鑄件工藝相比，充型時間大大縮短，有效地減少了充型過程的溫降；雖然流動過程擾動大但有效地降低了夾雜產生趨勢。

2.5 夾雜粒子運動軌跡模擬與缺陷預測

圖7是下環鑄鋼件中兩個相同放入位置粒子的運動軌跡，其隨時間變化表現出不同的形態。設下層內澆口進入鑄件的粒子為 A，上層內澆口進入鑄件的粒子為B圖7a)為6.93s時A和B粒子的運動軌跡，A粒子從直澆道經底部橫澆道流入鑄件，于內澆口前端出現稍許渦流，B 粒子經另一澆注入口流過上層橫澆道進入鑄件，從內澆口處垂直下降至鑄件底部同此時的流動形態類似；圖7b)為20.94s時的A與B粒子運動路徑，可見A粒子進入鑄件上升距離比圖 7a)中的高，并且在液面附近出現渦流，B粒子與圖 7a)中的路徑相同，雖然顯示路徑終點較高，但隨著時間的延長，仍然為繼續下降；圖7c)為圖 7b)的進一步流動，規律與上同；圖7d)中 A粒子繼續維持上述規律，B粒子進入鑄件后反而往鑄件底部運動，隨后出現上升至另一冒口中。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖8

綜上所示，如果夾雜粒子從底層澆道進入鑄件，則會上浮至液體表面；如果夾雜粒子從上層澆道進入鑄件，則會有兩種情形，一種會往鑄件底部運動，經流體上浮至冒口中；另一種會直接浮于冒口中的液面處。

圖8是不同放入位置的粒子運動軌跡，由于存在兩個澆注入口，為了對比的合理性，每個澆注入口中固定位置存在一個粒子運動軌跡，圖8a)中兩個長運動軌跡的粒子即為固定位置的粒子，另外兩個位置的粒子運動距離比較短，為底層橫澆道處改變運動方向的粒子，一為上次澆道橫澆道處改變運動方向的粒子；圖 8)中變化的兩個粒子軌跡分別與 8a)中的固定粒子呈反方向，上層反方向粒子明顯出現先下降至鑄件底部，后上升至冒口中，與前文結論相符。

大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化的圖9