[发明专利]一种水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及到三维曲面压坯制造工艺，特别提供一种水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法。

背景技术

随着大中型水轮发电机组对高质量水轮机叶片的需求，国内外部分企业开始采用热模压成型方法生产水轮机叶片，生产的水轮机叶片避免了砂型铸造叶片缺点，又具有产品质量高、工期相对较短且不破坏金属流线等优点，因而这种方法在国内外水轮机制造业中受到一定重视。作为制备水轮机热模压叶片的原料，模压压坯的质量及外形尺寸对叶片的性能、后期加工量及生产成本影响很大。

目前，常用的模压叶片压坯通常有2种结构，即铸造压坯和等厚钢板压坯。铸造压坯成型工艺简单，压坯背面可直接铸造成叶片展开图要求的空间曲面，压坯加工工作量较小，但由于铸造工艺本身限制，铸造压坯的内在质量低，常规铸造缺陷不可避免，压坯质量较差，且铸造压坯焊补和铲磨修正工作量较大，生产周期较长，生产效率低；等厚钢板是目前模压叶片较常用的压坯结构型式，钢板内部质量较好，缺陷少。但对于制造叶片曲率和厚度变化较大的叶片(如“X”型叶片)来说，由于钢板压坯为等厚板，造成钢板压坯的材料利用率低；叶片压坯背面呈空间曲面，且余量差异很大，后期加工量大，大大增加了生产成本，制约了水轮机叶片热模压技术的发展。

发明内容

为解决现有热模压水轮机叶片压坯的不足，本发明提供了一种水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法，能大幅提高叶片压坯的材料利用率、减小加工量、缩短加工工期，且叶片质量得到提高，特别是具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能，能满足同材质锻造毛坯力学性能要求。

本发明提供了一种水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法，根据水轮机叶片三维智能展开尺寸制作电渣熔铸叶片压坯结晶器、自耗电极，通过优化电渣熔铸工艺、防裂纹热处理工艺，最终制备出合格的电渣熔铸叶片压坯，其特征在于，所述电渣熔铸工艺具体步骤如下：

(1)、渣系与渣量控制：考虑叶片压坯凝固特性与化学成分的变化，合理选择电渣熔铸渣系，其主要成分为质量百分比：CaF₂：55～65％、Al₂O₃：25～35％，根据实际合金精炼要求加入MgO、CaO构成多元渣系，其加入量不高于渣系总质量的15％，渣层厚度一般为结晶器等效直径的40～60％；

(2)、起弧过程：采用固渣或液渣起弧，起弧料化学成分质量百分比为：TiO₂：40～55％、CaF₂：40～58％、MgO：2～5％；当采用固渣起弧时，在电极与底水箱之间放置一个信号检测装置，通过检测电极与起弧料接触瞬间，电极与底水箱之间电位变化，可检测出自耗电极是否已压紧并与水冷底板相连接，对电极下降速度进行控制，保证起弧料不被压碎或顶偏，最终实现电渣熔铸过程平稳起弧；采用该装置进行固渣起弧时，一次起弧成功率在98％以上。

(3)、供电参数选择：根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数及熔铸工艺来确定熔铸功率、电压、电流等各个相应电参数，熔铸过程中注意保持电压和电流的稳定。其中电压控制在50～110V、电流控制在5500～18000A；

(4)、补缩：针对叶片压坯这类大宽厚比异形件，采用一种间断补缩方式进行补缩，具体实施方式如下：补缩期内，首先在3～8分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持2～5分钟；再将最小补缩电流在2～5分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70～90％，如此反复5～8次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70～90％，最后1次减小到零。

本发明所述水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于：利用有限元分析软件，对水轮机叶片进行三维智能展开，将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面的叶片模压压坯，结合输出的叶片展开图对照叶片尺寸图加以修正，并最终确定电渣熔铸压坯毛坯尺寸。具体为：首先将整个叶片模型划分成数千个有限元网格，将各个单元标记标号；将标识完的叶片在虚拟模具内压型，利用点跟踪方法进行叶片的初步展开。计算叶片正面对应点的真实厚度，将真实厚度映射到展开叶片正面，从而生成展平叶片背面。再把初步展开后的叶片放入虚拟模具内，施加温度场及其它边界条件后进行二次压型，最后将输出的叶片展开图对照叶片尺寸图加以修正。