240MW抽水蓄能机组阀体的铸造工艺研发

240MW抽水蓄能机组阀体的铸造工艺研发
张立文;王晓刚
【摘要】介绍了抽水蓄能机组阀体的结构特点、技术条件,分析了铸件制造过程中可能出现的质量问题,并针对这些潜在的质量问题从铸造工艺上提出了一系列的质量控制措施.研究了分型面的选择、补贴、浇注系统的设计和热处理工艺的设计,并利用MAGMA软件对凝固及充型过程进行了模拟仿真,最终达到了降低生产制造成本、提高铸件质量的目的.
【期刊名称】《铸造设备与工艺》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】3页(P13-15)
【关键词】阀体;工艺研发;MAGMA模拟
【作者】张立文;王晓刚
【作者单位】宁夏共享铸钢有限公司,宁夏银川 750021
【正文语种】中文
【中图分类】TG24
抽水蓄能机组是电力系统中具有调峰、填谷、调频、调相和事故备用等多种功能的特殊电源，是电力系统的一个重要组成部分[1]。

随着常规水电建设速度放缓，核电、风电、太阳能等清洁能源建设速度的加快，为抽水蓄能电站建设提供了契机，抽水蓄能电站将迎来新一轮的建设高峰[1]。

本文研究的240 M W抽水蓄能机组
阀体（以下简称阀体）是为国外某水电项目开发的抽水蓄能系列铸件，其制造工艺复杂，是抽水蓄能机组中最复杂的铸件之一，制造过程包括了几十道工序，主要涉及工艺设计、模型制作、造型、合金冶炼、毛坯清理、热处理、型线检测、加工成型等。

它的制造技术,是反映水轮机制造商竞争能力和水平的核心技术,受到水电行业的高
度重视。

1 铸件结构及工艺难点分析
1.1 铸件结构分析
阀体铸件轮廓尺寸：3800mm×3500mm×2425mm，最大壁厚350 mm，最小壁厚100 mm，见图1.
图1 阀体铸件图
阀体结构相对复杂，特别是支撑架部位极易产生变形、裂纹，且造型操作困难。

圆孔端面脐子多，如图2所示易产生热节，补缩困难，导致铸件缩松.
阀体内腔轮廓尺寸R1400，公差要求0 mm～5 mm.内腔为非连续的圆弧面如图3所示，很难通过加工的方法，保证铸件尺寸公差。

如何通过铸造的方法，直接满足顾客公差要求，是铸造工艺设计的一个难点。

图2 阀体正视图
图3 阀体剖视图
1.2 力学性能难点分析
阀体的材质牌号为ASTMA216 GRWCC与ZG 20 Mn相近，ZG 20 Mn的力学性能要求及客户对性能要求见表1（根据标准JB/T 6402-2006中规定）。

通过力学性能要求对比，分析出阀体的硬度、强度和低温冲击韧性方面较难达到。

表1 顾客要求的性能与标准性能对照A5/% Z/% Akv HB≥18 ≥30 无≥145顾客要求510295 ≥20 ≥30 ≥27* ≥156
根据与此材质相近的几种船厂、矿机产品的正回火处理情况评估，在有利于得到较高硬度的成分内控下，即使正火喷水雾，铸件本体硬度基本在130 HB～143 HB，试验多组-20℃的AK V，均值基本刚够标准，但20%的试样个值低于最低要求。

对于抽水蓄能这样高标准要求的产品，采用以前的工艺方案不可取，如何优化工艺方案，满足顾客力学性能要求是一个难点。

2 工艺方案实施
2.1 工艺方案设计
2.1.1 造型方案的确定
根据该类铸件的结构特点及技术质量要求，兼顾到生产操作以及经济性等因素的综合分析、考虑，并吸取以往生产类似阀壳的经验，选择圆孔中心作为分型面，采用内腔出芯的工艺方案，由于内腔芯子较大不宜翻芯，将内腔芯分成两块，见图4.
采用适当的工艺措施能很好地达到对法兰和圆孔厚大部位的补缩，且由于采用曲线法设计加工余量代替补贴，不仅能减少钢水量，也不用去除补贴，能避免采用气割方法去除补贴引起的铸造缺陷。

图4 阀体造型方案
2.1.2 铸件的冒口及补贴的设计
铸件的结构及造型方案决定了铸件的冒口及补贴的设计方案，根据铸件热节分布、铸件的模数、水平补缩距离确定冒口的型号和数量，再用铸件补缩液量的校核[2]。

冒口的设计采用模数确定其最小型号，通过补缩液量校核确定冒口最终尺寸，这种方法的基本原理确保冒口最后凝固，并给铸件提供充裕的补缩液量，确保铸件组织致密，满足顾客对铸件内在质量的要求。

明冒口的选择取决于法兰的模数，通常计算法兰的公式为[3]：
式中:S－铸件截面积，mm;
CL－截面周长（不包括非散热面,mm.一般M冒=1.2 M件，即可满足补缩要求，按上述方法，计算法兰模数：
M 件=S/CL=（32×46）/[2（46+32）-16]=11
M冒=11×1.2=13.2
在下部设置暗冒口，上部设置明冒口的情况下。

必须注意在暗冒口与明冒口之间处于熔融状态期间能从上部的明冒口向下部的暗冒口补给钢液，并要求在中间部位凝固之后,暗冒口必须能充分利用其自身的补缩能力。

因此,设置暗冒口时,其重量的60%～70%应看作铸件的一部分进行考虑,以免补缩钢水量不足而产生缩孔。

暗冒口的计算方法与明冒口的计算方法相同。

阀体的中间段即圆弧处,壁薄、且长，若不采取措施,必然会产生缩孔缩松，达不到技术要求。

目前，日本,德国等国家根据实验，均总结出了一套保证各级探伤要求所需的不同补缩斜度，根据有关数据与不同探伤等级，对不同部位采用了不同的补缩斜度，见图5，使铸件自上而下顺序凝固，防止了缩孔、缩松，满足了技术条件要求。

图5 铸造工艺方案简图
铸件的补贴及冒口是确定铸件有无缩松及缩孔决定因素。

除模数计算外，应用MAGMA凝固模拟与模数计算相互验证，设计冒口及冒口补贴尺寸规格，确定合理的补缩梯度，补缩末端区设置冷铁，调整补缩区域、调整温度场，有利于顺序凝固和有效补缩，确保内部组织致密。

模拟结果见图6.
2.2 铸件内应力模拟
通过对铸件应力模拟，预测铸件在凝固过程中的收缩及变形情况，设计合理的缩尺和铸件贴量。

2.3 浇注系统的设计
浇注系统必须保证钢液平稳、迅速且连续的流入型腔,并能够顺利排气、浮清，防
止局部过热而产生裂纹、缩孔等缺陷，针对缸体表面积大、壁厚悬殊的特点，应用GS-100浇注系统设计计算软件，进行模拟优化。

图6 MAGMA凝固模拟
浇注系统包眼为 120 mm的3个,要求快速浇注。

计算浇注时间利用GS-100浇注系统设计计算。

计算结果为：浇注时间86 s，
钢水上升速度:V=h/t，
式中：h为铸件高度，mm；
计算结果V=14 mm/s.
浇注系统用开放式,截面积比为：
钢包水口∶直浇口∶横浇口∶内浇口=1∶2.0∶2.5∶5.2
利用MAGAM模拟软件，对浇注系统进行模拟优化改进，见图7，设计出最佳的浇注系统。

图7 阀体充型模拟
3 结论
1）通过模数计算及MAGMA凝固模拟对阀体的冒口、补贴、冷铁、砂芯等工艺措施方面做出优化设计；
2）通过GS-100浇注系统设计计算软件及MAGMA的充型模拟，对浇注系统进行模拟验证，确保浇注过程稳定充型；
3）通过MAGMA应力模拟对阀体进行铸件的热裂、冷裂、变形模拟，预测铸件的变形及易产生裂纹的部位，采取相应的解决措施。

【相关文献】
［1］单福胜.主机厂抽水蓄能机组现场整体调试国产化之路［J］.科技创业家，2012（14）：8. ［2］魏兵，袁森等.铸件均衡凝固技术及气应用［M］.北京：机械工业出版社，1998.
［3］中国机械工程学会铸造专业学会编.铸造手册[M].铸造工艺.北京:机械工业出版社，2000. ［4］孙军，WD 615球墨铸铁曲轴的开发［D］.济南：山东大学，2008.
［5］邱斌.汽车发动机缸体低压铸造工艺设计及数值模拟［D］.太原：太原理工大学，2011. ［6］任建刚.抽水蓄能电站价值实现机制研究［D］.北京：华北电力大学,2006.
［7］吴新平.惠州抽水蓄能电站技术供水系统设计与研究［J］.水利水电,2004（02）:66-69.。