240MW抽水蓄能机组阀体的铸造工艺研发.pdf

2 0 1 3年第 1 期 2 0 1 3年 2月 铸造设备与工艺 F O U N D R Y E Q U I P ME N T AN D T E C H N O L O G Y 铸造工艺 2 4 0 MW 抽水蓄能机组阀体的铸造工艺研发 张立文 ， 王晓刚 宁夏共享铸钢有限公司。 宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 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MA G MA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 。 关键词 阀体 ； 工艺研发 ； MA G M A模拟 中图分 类号 T G 2 4 献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 6 6 9 4 2 0 1 3 0 1 0 0 1 3 0 0 3 Ca s t i ng Pr o c e s s De v e l o pme n t o f 2 4 0 M W Pu mpe d St o r a g e Un i t s Va l v e Bo d y ZHANG Li - we n , WANG Xi a o - g a n g Ni n g x i a G o n g x i a n g C a s t S t e e l C O． ， LT D,Y i n c h u a n Ni n g x i a 7 5 0 0 21 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c s a n d t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f v alv e b o d y f o r p u mp e d s t o r a g e u n i t s we r e i n t r o d u c e d ． B y a n a l y z i n g q u a l i t y p r o b l e ms wh i c h ma y o c c u r i n t h e c a s t i n g ma u u f a c t u r i n g p r o c e s s ， a s e ri e s o f q u a l i t y c o n t r o l me a s u r e s w e r e p u t for w a r d i n t h e l i g h t o f t h e s e p o t e n t i a l p r o b l e ms ． T h e p a r t i n g l i n e s e l e c t i o n ，t h e d e s i g n o f p a d i n g ，g a t i n g s y s t e m a n d me h i n g ，h e a t t r e a t me n t p r o c e s s h a s b e e n s t u d i e d ． Th e a d v a n c e d MAGMA s o l i d i fi c a t i o n a n d mo l d fi l l i n g s i mu l a t i o n we r e u s e d t o r e d u c e t h e c o s t a n d i mp r o v e t h e q u ali t y o f c a s t i n g s ． Ke y wo r d s v a l v e b o d y ， r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f p r o c e s s ，MAGMA s i mu l a t i o n 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【” 。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 2 4 0 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 收稿日期 2 0 1 2 0 8 2 8 作者简介 张立文 1 9 8 5 一 ， 男 ， 宁夏青铜峡市人 ， 工学硕士， 助理工 程师， 研究方向为大型铸钢件铸造工艺设计。 阀体铸件轮廓尺寸 3 8 0 0 m m3 5 0 0 m m 2 4 2 5 mm， 最大壁厚 3 5 0m m， 最小壁厚 1 0 0m m， 见 图 1 ． 一 架 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R1 4 0 0 ， 公差要求0 m m～ 5 m il 1． 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。 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m F e b ． 2 0 1 3 №1 铸 造 设 备 与 工 艺 2 0 1 3 年第 1 期 热节部位 图 2 阀体正视图 枷 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 A S T M A 2 1 6 G R WC C与 Z G 2 0 M n相近 ， Z G 2 0 M n的力学性能要求及客户对 性能要求见表 1 根据标准 J B 厂 I 、6 4 0 2 2 0 0 6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 指标 R J MP a R p 0 ．2 ／ MP a A ％ z f ％ A h HB J B ／ T要求 ≥4 9 5 ≥2 8 5 ≥1 8 ≥3 0 无 ≥1 4 5 顾客要求 ≥5 1 O ≥2 9 5 ≥2 0 ≥3 O ≥2 7 * ≥1 5 6 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 1 3 0 H B～ 1 4 3 H B ， 试验多组 一 2 0 的A ， 均值基本刚够 标准， 但 2 0 ％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 1 4 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 1 。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 ] M C L 式中 ．s 一铸件截面积， mm ； G ．一截面周长 不包括非散热面， m m ．一般 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 ／ C I ． 3 2 4 6 4 2 4 6 3 2 一 1 6 ] 1 1 M 冒l 1 1 ． 2 1 3 ． 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 6 0 ％ 7 0 ％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， 必然会产生缩孑 L 缩松 ，达不到技术要求。目 前， 13 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m