水轮机X型叶片的铸造工艺实践
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表 2 SF 叶片力学性能
牌号
Rp0.2
Rm
A
Z
Akv
（N/mm2）（N/mm2） （%） （%） （J）
HBW
ZG06Cr13Ni4Mo 550
750 15 35 45 217~286
注：无范围要求者为最低值
查要求如下，在 100mm×100mm 方格内连续检查，从 理论加工表面下 30mm 或 1/3 厚度（取最小值）为 1 级，其余内部为 4 级。
系统，在保证钢液在铸型内具有一定的上升速度的
同时，使钢液能够平稳上升，防止产生紊流，消除局
部过热，改善补缩条件。
2.3 反变形量的确定
由于叶片铸件在凝固过程和热处理过程中, 其
中国铸造装备与技术 3 ／ 2013
31
生产技术 Production Techniques
（a）
（b）
图 7 凝固过程中 SF 叶片的温度场分布情况 （a）叶片整体温度场分布 （b）叶片内部凝固过程中缩松分布
1020
1020±10℃
温度（℃）
温度（℃）
空冷至室温，
5
300
接第一次回火
0
正火
时间/h
600
600±10℃
5
空冷至室温，
接第二次回火
0
第一次回火
时间/h
590±10℃ 590
温度（℃）
5 空冷至室温
0
第二次回火
时间/h
图 9 SF 叶片的正回火工艺
7 生产结果验证 （1）叶片型线的三维测量 利用三坐标测量仪对热处理后的 SF 叶片进行
表 4 SF 叶片力学性能
R（m N/mm2） RP0（.2 N/mm2） A（%） Z（%） AK（v J） HBW 5/750
797
728
19.0 45 98，100，95 ２５７，２５６，２５７
8 结论 （1）采用本工艺方案铸造的叶片，叶片的加工余
量和内部质量均达到了设计要求，工艺方案可靠。 （2）采用铸造数值模拟技术，对叶片的充型、凝
３０
中国铸造装备与技术 3 ／ 2013
Production Techniques 生产技术
200 150
150 200
Y
137.2 100
488.7 456.9
上冠边
300
300
进水边
下环边
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
300
Ⅲ
300 出水边
1462.8 1465.2
1466.1 1463.6
109.8 107.6
474.1 473.7
5 熔炼工艺 采用电弧炉和 AOD 氩氧精炼炉双联熔炼法熔
炼，为了保证铸件的耐蚀性和耐磨性，钢液中的 C 含量要求控制到 0.06%以下，并对杂质含量 P、S 等 也要严格控制，结果见表 3。
表 3 SF 叶片化学成分表（质量分数，%）
牌号
C Si Mn S P Cr Ni Mo
ZG06Cr13Ni4Mo 0.014 0.68 0.60 0.018 ０．０２１ 11.90 3.66 0.43
[2] 王君卿.铸造手册：第 5 卷铸造工艺[M].北京：机械工艺出版社， 2010.
The Casting Process Practice in X Turbine Blade
ZHANG Yue1, ZHAO Guangyou2,JIANG GuoSen1, YANG Ning1, SUI ZhenDuo1, ZHANG YaLong1, DU Qiu1 (1.Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022, Liaoning China； PC Daqing petrochemical company，Daqing163714，Liaoning China)
好，表明此工艺可行。
图 5 SF 叶片浇注系统实体图
边角区域容易发生翘曲变形行为, 特别是 X 型叶片 翘曲变形更为严重，因此我们利用模拟软件对叶片 进行应力分析和预判（图 6）。
从图 6 可以看出 A 点为负量在 7mm 左右，B 点 为正量在 5mm，C 点为负量在 7mm 左右，D 点为正 量在 5mm 左右，考虑热处理会使变形量增大，所以 A、C 两点正面增加反变形量 12mm，B、D 两点背面 增加反变形量 10mm，反变形面积根据模拟所示。
根据叶片壁厚及冒口的补缩距离确定冒口数量
为 1 个，长为 500mm，宽为 180mm，高度按照比例为
500mm，冒口重量为 500kg。
利用模数法验证：
f=Mc/MR [2]
式中：f 为扩大系数 (明冒口 f≥1.2)，MR 为冒口
模数，Mc 为被补缩部分铸件模数。
Mc=Vc/Ac=25.6，MR=VR/SR=61。f=Mc/MR=2.38>1.2，
1 技术要求 1.1 化学成分和力学性能
SF 叶 片 的 化 学 成 分 如 表 1 所 示 ，（执 行 JB/ T10384-2002 标准）。
SF 叶 片 的 力 学 性 能 如 表 2 所 示 ，（执 行 JB/ T10384-2002 标准）。 1.2 无损探伤要求
无损探伤按照 A609 标准执行，UT 检查区域为 全部，如图 4，其中Ⅰ、Ⅲ区域按 1 级执行；区域Ⅱ检
生产技术 Production Techniques
水轮机 X 型叶片的铸造工艺实践
张 跃 1，赵广友 2，蒋国森 1，杨 宁 1，隋振铎 1，张亚龙 1，杜 丘 1 （1.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳 110022;
2.中国石油大庆石化公司，辽宁大庆 163714）
摘要：针对 X 型叶片曲率变化大，空间扭曲程度大，实际铸造生产中叶片型线的准确度难以控制，本文 系统的介绍了水轮机 X 型叶片的铸造生产工艺，以及数值模拟和三坐标测量仪在叶片工艺设计中的应用。
固过程、应力分布等进行数值模拟，有效地预测了铸 件凝固等过程，并对叶片的反变形量给出了依据。
（3）采用三坐标测量仪对木模及叶片测量，能够 快速、准确地给工艺设计提供依据。
参考文献
[1] Chen Naixiang, Liu Zhaowei,Lin Ruchang,et al.Three Gorge runner blade design counted in the effect of limited blades number [J]. Journal of Tsinghua University,1998,38(1):100～102.
关键词：X 型叶片；模数法；反变形量；数值模拟 中图分类号：TG242;文献标识码：A；文章编号：1006－9658（2013）03－0030-4 DOI：10.3969/j.issn.1006—9658.2013.03.011
叶片是水轮机最重要的零件之一, 对它的性能 和型线要求非常严格，而 X 型叶片（图 1）是二十世 纪 90 年代后期国外设计的新型混流式叶片，与传 统的混流式叶片（图 2）在型线和性能上有很大的差 别, 其空间扭曲程度大[1]。目前 X 型叶已在国内得 到了普遍应用，X 型叶片的铸造难度较大，主要是叶 片变形。近年来我单位接到很多 X 型叶片的订单， 相对于常规形状叶片而言，针对 X 型叶片的铸造工 艺进行实践的研究十分必要，对 X 型叶片的生产有 很大的指导意义。
注：无范围要求者为最高值
6 叶片的清理和热处理 为防止叶片变形，叶片在 300℃以下打箱；为了
防止铸件产生裂纹，在铸件温度不低于 200℃时趁
３２
中国铸造装备与技术 3 ／ 2013
Production Techniques 生产技术
热切割冒口。 落砂后对铸件进行清整打磨、热处理。由于该
叶片较小，为减小叶片在热处理中的变形，热处理前 将 3 件叶片组焊到一起。装炉时叶片的进水边 （厚 边）向下摆放，热处理工艺如图 9 所示。装炉时铸件 底部不要直接和炉底板接触，升温速度不能大于 70℃/h，炉内各部位温差不能大于 5℃，不能叠压铸 件，严防人为造成叶片变形。
Abstract:According big curvature change and large degree of space distortion of X turbine blade, it's difficult to control the molded lines of the blade in actual casting production, the application of X turbine blade casting technology, numerical simulation and three -coordinates measuring machine on blade technology design has been systematically introduced.
463.9 480.3
195.9 200
Z 图 3 SF 叶片尺寸
表 1 SF 叶片化学成分（%）
牌号
C Si Mn S P Cr Ni Mo
11.5～ 3.5～ 0.40～ ZG06Cr13Ni4Mo 0.06 1.00 1.00 0.030 ０．０３５
13.5 5.0 1.00
注：无范围要求者为最高值
型线测量，结果如图 10，叶片冒口部位余量偏大，其 余能够满足加工要求。
（2）叶片的无损检测 叶片无损探伤按照 A609 标准执行，UT 检查各 区域符合标准要求。
（a）正面型线测量结果
（b）背面型线测量结果
图 10 SF 叶片三维测量结果
（3）叶片的性能检测 对附铸试块的力学性能检测结果也完全符合客 户要求（见表 4），附铸试块取自铸件本体，位于叶片 的下环边一侧，每个叶片上带 3 个本体试块，随同铸 件一起浇注而成，并随炉热处理。
图 3 为 SF 叶片的轮廓尺寸，SF 为典型的 X 型
图 2 传统混流叶片实体
叶片，本文以 SF 叶片的工艺生产实践为例，进行 X 型叶片的工艺探讨。
图 1 X 型叶片实体
收稿日期：2013-2-22 稿件编号：1302-212 作者简介：张跃（1977-），男，高级工程师，从事铸钢产品的工艺研究
4 木模的检查 根据工艺数据进行木模制作，缩尺采用 2%,木
模制作完毕后，利用 SOLO 型光学三坐标测量仪对 叶片的木模进行三维测量，以保证木模尺寸精度。 木模型线测量结果如图 8，从图 8a、8b 结果看叶片 正背面型线合格，个别尖点余量偏大，但考虑造型等 因素，可以接受。
B
A
（a）木模正面型线测量结果 （b）木模背面型线测量结果 图 8 SF 叶片木模型线测量结果
说明冒口尺寸比较合适；
冒口最大补缩能力验算：
GCmax=GR×（η-ε）/ε [2]
（1）
式中：GCmax 为被冒口补缩的铸件最大重量，GR
为冒口重量，η 为冒口补缩效率，ε 为金属液的体收
缩率（%）。
明 冒 口 η 取 14% ，ZG06Cr13Ni4Mo 材 质 ε 取
5.3，经计算得出 GCmax=820kg, 叶片毛坯重量 GC 为
2 工艺方案 正背面各放 8mm 加工余量，四周 18mm 加工余
量，制作叶片三维实体，叶片毛重为 660kg。造型方 式采用平卧造型，垂直浇注方式，这样有利于冒口 的集中补缩，叶片的顺序凝固可有效地减少叶片变 形、氧化、缩孔和缩松等铸造缺陷的产生，铸件内部
图 4 无损探伤区域范围
质量好。
2.1 冒口的确定
Keywords:X turbine blade; Modular method; Anti-deformation; Numerical simulation
中国铸造装备与技术 3 ／ 2013
33
C
D
图 6 SF 叶片 Y 方向变形图
3 数值模拟 对叶片最终工艺进行温度场模拟，凝固完毕的
模拟结果显示如图 7，图 7a 为 SF 叶片整体的温度 场分布，可以看出整个叶片基本为顺序凝固，冒口部 位为最后凝固。图 7b 为叶片内部凝固过程中的疏 松分布，可以看出疏松都集中分布在冒口区域内和 浇道部位，铸件本体内无疏松出现，铸件内在质量良
660kg，冒口补缩能力足够，说明选择冒口尺寸合适。
2.2 浇注系统的确定
包孔选取 尴50mm，直水口选取 尴60mm，横水口
选取 50/60×50（mm），内水口为六道 70/80×20（mm），
采用底注式浇注系统，如图 5，即从叶片的出水边
（薄边）进水，保证金属液平稳进入型腔，开放式浇注
系统有助于型腔内气体排出；同时采用缓冲式浇注
表 2 SF 叶片力学性能
牌号
Rp0.2
Rm
A
Z
Akv
（N/mm2）（N/mm2） （%） （%） （J）
HBW
ZG06Cr13Ni4Mo 550
750 15 35 45 217~286
注：无范围要求者为最低值
查要求如下，在 100mm×100mm 方格内连续检查，从 理论加工表面下 30mm 或 1/3 厚度（取最小值）为 1 级，其余内部为 4 级。
系统，在保证钢液在铸型内具有一定的上升速度的
同时，使钢液能够平稳上升，防止产生紊流，消除局
部过热，改善补缩条件。
2.3 反变形量的确定
由于叶片铸件在凝固过程和热处理过程中, 其
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生产技术 Production Techniques
（a）
（b）
图 7 凝固过程中 SF 叶片的温度场分布情况 （a）叶片整体温度场分布 （b）叶片内部凝固过程中缩松分布
1020
1020±10℃
温度（℃）
温度（℃）
空冷至室温，
5
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接第一次回火
0
正火
时间/h
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600±10℃
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空冷至室温，
接第二次回火
0
第一次回火
时间/h
590±10℃ 590
温度（℃）
5 空冷至室温
0
第二次回火
时间/h
图 9 SF 叶片的正回火工艺
7 生产结果验证 （1）叶片型线的三维测量 利用三坐标测量仪对热处理后的 SF 叶片进行
表 4 SF 叶片力学性能
R（m N/mm2） RP0（.2 N/mm2） A（%） Z（%） AK（v J） HBW 5/750
797
728
19.0 45 98，100，95 ２５７，２５６，２５７
8 结论 （1）采用本工艺方案铸造的叶片，叶片的加工余
量和内部质量均达到了设计要求，工艺方案可靠。 （2）采用铸造数值模拟技术，对叶片的充型、凝
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Production Techniques 生产技术
200 150
150 200
Y
137.2 100
488.7 456.9
上冠边
300
300
进水边
下环边
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
300
Ⅲ
300 出水边
1462.8 1465.2
1466.1 1463.6
109.8 107.6
474.1 473.7
5 熔炼工艺 采用电弧炉和 AOD 氩氧精炼炉双联熔炼法熔
炼，为了保证铸件的耐蚀性和耐磨性，钢液中的 C 含量要求控制到 0.06%以下，并对杂质含量 P、S 等 也要严格控制，结果见表 3。
表 3 SF 叶片化学成分表（质量分数，%）
牌号
C Si Mn S P Cr Ni Mo
ZG06Cr13Ni4Mo 0.014 0.68 0.60 0.018 ０．０２１ 11.90 3.66 0.43
[2] 王君卿.铸造手册：第 5 卷铸造工艺[M].北京：机械工艺出版社， 2010.
The Casting Process Practice in X Turbine Blade
ZHANG Yue1, ZHAO Guangyou2,JIANG GuoSen1, YANG Ning1, SUI ZhenDuo1, ZHANG YaLong1, DU Qiu1 (1.Shenyang Research Institute of Foundry, Shenyang 110022, Liaoning China； PC Daqing petrochemical company，Daqing163714，Liaoning China)
好，表明此工艺可行。
图 5 SF 叶片浇注系统实体图
边角区域容易发生翘曲变形行为, 特别是 X 型叶片 翘曲变形更为严重，因此我们利用模拟软件对叶片 进行应力分析和预判（图 6）。
从图 6 可以看出 A 点为负量在 7mm 左右，B 点 为正量在 5mm，C 点为负量在 7mm 左右，D 点为正 量在 5mm 左右，考虑热处理会使变形量增大，所以 A、C 两点正面增加反变形量 12mm，B、D 两点背面 增加反变形量 10mm，反变形面积根据模拟所示。
根据叶片壁厚及冒口的补缩距离确定冒口数量
为 1 个，长为 500mm，宽为 180mm，高度按照比例为
500mm，冒口重量为 500kg。
利用模数法验证：
f=Mc/MR [2]
式中：f 为扩大系数 (明冒口 f≥1.2)，MR 为冒口
模数，Mc 为被补缩部分铸件模数。
Mc=Vc/Ac=25.6，MR=VR/SR=61。f=Mc/MR=2.38>1.2，
1 技术要求 1.1 化学成分和力学性能
SF 叶 片 的 化 学 成 分 如 表 1 所 示 ，（执 行 JB/ T10384-2002 标准）。
SF 叶 片 的 力 学 性 能 如 表 2 所 示 ，（执 行 JB/ T10384-2002 标准）。 1.2 无损探伤要求
无损探伤按照 A609 标准执行，UT 检查区域为 全部，如图 4，其中Ⅰ、Ⅲ区域按 1 级执行；区域Ⅱ检
生产技术 Production Techniques
水轮机 X 型叶片的铸造工艺实践
张 跃 1，赵广友 2，蒋国森 1，杨 宁 1，隋振铎 1，张亚龙 1，杜 丘 1 （1.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳 110022;
2.中国石油大庆石化公司，辽宁大庆 163714）
摘要：针对 X 型叶片曲率变化大，空间扭曲程度大，实际铸造生产中叶片型线的准确度难以控制，本文 系统的介绍了水轮机 X 型叶片的铸造生产工艺，以及数值模拟和三坐标测量仪在叶片工艺设计中的应用。
固过程、应力分布等进行数值模拟，有效地预测了铸 件凝固等过程，并对叶片的反变形量给出了依据。
（3）采用三坐标测量仪对木模及叶片测量，能够 快速、准确地给工艺设计提供依据。
参考文献
[1] Chen Naixiang, Liu Zhaowei,Lin Ruchang,et al.Three Gorge runner blade design counted in the effect of limited blades number [J]. Journal of Tsinghua University,1998,38(1):100～102.
关键词：X 型叶片；模数法；反变形量；数值模拟 中图分类号：TG242;文献标识码：A；文章编号：1006－9658（2013）03－0030-4 DOI：10.3969/j.issn.1006—9658.2013.03.011
叶片是水轮机最重要的零件之一, 对它的性能 和型线要求非常严格，而 X 型叶片（图 1）是二十世 纪 90 年代后期国外设计的新型混流式叶片，与传 统的混流式叶片（图 2）在型线和性能上有很大的差 别, 其空间扭曲程度大[1]。目前 X 型叶已在国内得 到了普遍应用，X 型叶片的铸造难度较大，主要是叶 片变形。近年来我单位接到很多 X 型叶片的订单， 相对于常规形状叶片而言，针对 X 型叶片的铸造工 艺进行实践的研究十分必要，对 X 型叶片的生产有 很大的指导意义。
注：无范围要求者为最高值
6 叶片的清理和热处理 为防止叶片变形，叶片在 300℃以下打箱；为了
防止铸件产生裂纹，在铸件温度不低于 200℃时趁
３２
中国铸造装备与技术 3 ／ 2013
Production Techniques 生产技术
热切割冒口。 落砂后对铸件进行清整打磨、热处理。由于该
叶片较小，为减小叶片在热处理中的变形，热处理前 将 3 件叶片组焊到一起。装炉时叶片的进水边 （厚 边）向下摆放，热处理工艺如图 9 所示。装炉时铸件 底部不要直接和炉底板接触，升温速度不能大于 70℃/h，炉内各部位温差不能大于 5℃，不能叠压铸 件，严防人为造成叶片变形。
Abstract:According big curvature change and large degree of space distortion of X turbine blade, it's difficult to control the molded lines of the blade in actual casting production, the application of X turbine blade casting technology, numerical simulation and three -coordinates measuring machine on blade technology design has been systematically introduced.
463.9 480.3
195.9 200
Z 图 3 SF 叶片尺寸
表 1 SF 叶片化学成分（%）
牌号
C Si Mn S P Cr Ni Mo
11.5～ 3.5～ 0.40～ ZG06Cr13Ni4Mo 0.06 1.00 1.00 0.030 ０．０３５
13.5 5.0 1.00
注：无范围要求者为最高值
型线测量，结果如图 10，叶片冒口部位余量偏大，其 余能够满足加工要求。
（2）叶片的无损检测 叶片无损探伤按照 A609 标准执行，UT 检查各 区域符合标准要求。
（a）正面型线测量结果
（b）背面型线测量结果
图 10 SF 叶片三维测量结果
（3）叶片的性能检测 对附铸试块的力学性能检测结果也完全符合客 户要求（见表 4），附铸试块取自铸件本体，位于叶片 的下环边一侧，每个叶片上带 3 个本体试块，随同铸 件一起浇注而成，并随炉热处理。
图 3 为 SF 叶片的轮廓尺寸，SF 为典型的 X 型
图 2 传统混流叶片实体
叶片，本文以 SF 叶片的工艺生产实践为例，进行 X 型叶片的工艺探讨。
图 1 X 型叶片实体
收稿日期：2013-2-22 稿件编号：1302-212 作者简介：张跃（1977-），男，高级工程师，从事铸钢产品的工艺研究
4 木模的检查 根据工艺数据进行木模制作，缩尺采用 2%,木
模制作完毕后，利用 SOLO 型光学三坐标测量仪对 叶片的木模进行三维测量，以保证木模尺寸精度。 木模型线测量结果如图 8，从图 8a、8b 结果看叶片 正背面型线合格，个别尖点余量偏大，但考虑造型等 因素，可以接受。
B
A
（a）木模正面型线测量结果 （b）木模背面型线测量结果 图 8 SF 叶片木模型线测量结果
说明冒口尺寸比较合适；
冒口最大补缩能力验算：
GCmax=GR×（η-ε）/ε [2]
（1）
式中：GCmax 为被冒口补缩的铸件最大重量，GR
为冒口重量，η 为冒口补缩效率，ε 为金属液的体收
缩率（%）。
明 冒 口 η 取 14% ，ZG06Cr13Ni4Mo 材 质 ε 取
5.3，经计算得出 GCmax=820kg, 叶片毛坯重量 GC 为
2 工艺方案 正背面各放 8mm 加工余量，四周 18mm 加工余
量，制作叶片三维实体，叶片毛重为 660kg。造型方 式采用平卧造型，垂直浇注方式，这样有利于冒口 的集中补缩，叶片的顺序凝固可有效地减少叶片变 形、氧化、缩孔和缩松等铸造缺陷的产生，铸件内部
图 4 无损探伤区域范围
质量好。
2.1 冒口的确定
Keywords:X turbine blade; Modular method; Anti-deformation; Numerical simulation
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C
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图 6 SF 叶片 Y 方向变形图
3 数值模拟 对叶片最终工艺进行温度场模拟，凝固完毕的
模拟结果显示如图 7，图 7a 为 SF 叶片整体的温度 场分布，可以看出整个叶片基本为顺序凝固，冒口部 位为最后凝固。图 7b 为叶片内部凝固过程中的疏 松分布，可以看出疏松都集中分布在冒口区域内和 浇道部位，铸件本体内无疏松出现，铸件内在质量良
660kg，冒口补缩能力足够，说明选择冒口尺寸合适。
2.2 浇注系统的确定
包孔选取 尴50mm，直水口选取 尴60mm，横水口
选取 50/60×50（mm），内水口为六道 70/80×20（mm），
采用底注式浇注系统，如图 5，即从叶片的出水边
（薄边）进水，保证金属液平稳进入型腔，开放式浇注
系统有助于型腔内气体排出；同时采用缓冲式浇注