一种三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法及装置与流程

本发明涉及电渣熔铸生产三维变化的异型铸件领域，特别是一种三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法及装置。

背景技术：

电渣熔铸作为一种集精炼与成型于一体的铸造工艺，目前广泛应用于高铸件质量要求的领域。其熔铸一般以自耗电极为熔铸原料，并将自耗电极置于结晶器熔融态渣层中完成重熔过程，这一过程需要保持电极与结晶器内腔的工艺安全距离，这就要求在熔铸过程中，随着熔铸的进行自耗电极随着融化不断向下运动补充而完成整个熔铸过程。

对于异型件，这里主要指的是铸件结晶器对活动电极没有公共型腔铸件，即自耗电极无法自由在熔铸结晶器内配合融化速度而上下运动。另一方面，有些异型件形状局部突起或凹陷，使得自耗电极与结晶器型腔的距离较大，使得自耗电极熔融过程中金属液还没充满结晶器型腔即凝固，而无法保证铸件充型的完整性，此为目前电渣熔铸工艺的局限所在，即为铸件结晶器对活动电极没有公共型腔铸件及仅依靠活动电极无法完成熔铸的复杂形状铸件是目前电渣熔铸工艺的主要瓶颈。

近年来电渣熔铸在水电行业，特别是水轮发电机活动导叶中得到广泛应用，而随着国家对电力建设结构的调整和环境保护的重视，积极发展水电已成为我国电力工业建设的指导方针。水电属于可再生的清洁能源，有利于环境保护，发展水电，特别是泥沙含量较高水质较差的大型水轮机组的设计、制造和生产能力，是促进国民经济发展的和促进机械工业发展的需求。

转轮作为水轮发电机组中的能量转化关键部件，也是水轮发电机的核心部件，其质量及使用寿命直接影响着水轮发电机组运行的安全性、运营效率及成本。特别是混流式发电机、轴流发电机的转轮叶片，由于其使用广泛市场存量巨大。

目前，国内外转轮叶片主要采用砂型铸造方法制造，采用砂型铸造毛坯然后数控加工的工艺方法，而砂型铸造由于其工艺的局限性，铸件材质密度及质量均较差；而采用砂型铸造板坯，配合模压成型，虽一定程度上改善了铸件质量，但砂型铸造质量缺点仍不能根本解决；对于电渣熔铸生产板坯，配合模压成型，虽克服了砂型铸件的质量缺陷，但制造工艺成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法及装置，主要解决电渣熔铸工艺无法熔铸复杂异型件，即铸件结晶器对活动补充电极没有公共型腔铸件的铸造。

本发明的技术方案是：

一种三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法，电渣熔铸用于完成自耗电极材料的二次精炼提纯、铸件近净成型，具体过程如下：

1)结晶器选择

铸件毛坯结晶器结构形式采用组合式或分体式；

2)电极形式

熔铸过程中的自耗电极由两部分组成，即导向电极和补充电极；导向电极相对于结晶器是随形的、固定的，导向电极内部具有导向通道；补充电极是活动电极，补充电极设置于所述导向通道中；

熔铸过程中电极工作形式为：补充电极经由导向通道不断向熔融电渣位置进行补充，完成熔铸过程。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法，铸件材质是碳素钢、低合金钢或不锈钢。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造方法，铸件材质包含且不限于以下标准中所述材料之一：astm743、astm483、en10283、gb/t6967、gb/t11352、jb/t5000.6、jb/t10384、jb/t7349、jb/t6405。

一种三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，该装置设有随形结晶器，结晶器内腔为结晶器型腔，结晶器型腔中设置自耗电极，自耗电极由导向电极和补充电极组成，熔铸过程中导向电极固定不动或可移动；补充电极位于导向电极的导向通道中，补充电极为柔性电极，补充电极在导向电极内部不断向结晶器熔融位置补充金属。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，补充电极横截面是圆形、方形或其他任意形状。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，导向电极是一个或两个以上，补充电极是一个或两个以上；存在两个以上导向电极时，导向电极间位置相互固定。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，导向电极是整体的或分体组合式的。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，对于混流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸，结晶器型腔中采用一个或两个以上导向电极，补充电极为柔性电极，通过导向电极内部导向通道导入，结晶器组箱前，导向电极固定于结晶器型腔中，各导向电极安装就位后其相互间位置固定，补充电极通过导向电极内的导向通道不断对熔铸过程进行自耗电极补充。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，该装置包括：补充电极、结晶器型腔、固定导向电极、活动导向电极，结晶器为上下两层结构，分别负责叶片法兰段成型和叶片部分成型；位于上层的结晶器型腔横截面为圆形，其中设置活动导向电极，活动导向电极内侧导向通道中设置补充电极；位于下层的结晶器型腔横截面为条形，其中设置固定导向电极。

所述的三维变化的异型铸件的电渣熔铸制造装置，对于轴流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸，在结晶器型腔中分别组装固定导向电极或补充电极和活动导向电极，采用随形固定导向电极与活动导向电极相结合的方式，以便于铸件的熔铸成型；在左右结晶器型腔组箱前，将随形固定导向电极固定于结晶器型腔的指定位置，活动导向电极中设有导向通道，补充电极通过导向通道不断进入熔融区，对熔铸过程进行自耗电极补充。

本发明的优点和有益效果是：

1、本发明解决了复杂异型件电渣熔铸的工艺瓶颈，铸件在水冷结晶器中凝固，冷却速度快、固液前沿结晶温度梯度大，由于铸件快速凝固，铸件组织致密。

2、采用本发明金属型结晶器尺寸精度高、变形小，因而铸件表面光洁、加工余量小。同时，由于采用顺序凝固工艺，铸件没有浇铸系统和冒口，因此金属利用率高，实现铸件近净成型(加工余量范围为3-20mm)。同时，不易产生砂型铸件常见的夹渣、气孔、缩松和缩孔等铸造缺陷，并且可以满足比砂型铸造更高的探伤要求。

3、本发明采用金属型结晶器代替了砂型，无需粘结剂和涂料等大量的非金属造型材料，无固体废弃物排放，减少对环境的污染。

4、本发明精炼铸件可达到同材质锻件的机械性能和探伤要求，化学成分均匀、组织致密、枝晶细化、显微偏析小、无疏松、无夹渣缩孔等缺陷，夹杂物呈弥散分布，疲劳寿命优于炉外精炼钢，又有锻造件所不具备的各向同性的优点，同时具有较高抗疲劳性能及较高抗裂纹生成和扩展性能。

5、本发明由于金属型结晶器可重复多次使用，可有效提高生产效率，降低生产成本。

附图说明：

图1为电渣熔铸制造装置示意图。其中，(a)为主视图；(b)为(a)的a-a剖视图。

图2为自耗电极的导向电极和补充电极安装示意图。

图3为混流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸制造装置示意图。

图4为轴流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸制造装置示意图。

图中，1导向电极；2补充电极；3结晶器型腔；4固定导向电极；5活动导向电极；6导向通道。

具体实施方式

如图1所示，本发明电渣熔铸制造装置设计并制造随形结晶器，结晶器内腔为结晶器型腔3，结晶器型腔3中设置自耗电极，自耗电极由导向电极1和补充电极2组成，熔铸过程中导向电极1可以固定不动或可移动，补充电极2位于导向电极1的导向通道6中，补充电极2为柔性电极，补充电极2在导向电极1内部不断向结晶器熔融位置补充金属，通过近净形结晶器的设计达到提高材料利用率的目的。

在具体实施过程中，本发明电渣熔铸用于完成自耗电极材料的二次精炼提纯、铸件近净成型等任务，其中铸件材质、结晶器和自耗电极具有以下特征：

1)结晶器选择

铸件毛坯结晶器结构形式采用组合式或分体式。

2)电极形式

如图1所示，熔铸过程中的自耗电极由两部分组成，即导向电极1和补充电极2。导向电极1相对于结晶器是随形的、固定的，此时为一种固定的电极，导向电极1内部具有导向通道。补充电极2是一种活动电极，补充电极2的横截面可以是圆形、方形或其他任意形状，导向电极1可以是整体的或分体组合式的(图2)。熔铸过程中电极工作形式为：补充电极2经由导向通道不断向熔融电渣位置进行补充，完成熔铸过程。其中，导向电极1可以是一个或两个以上，补充电极2可以是一个或两个以上。存在两个以上导向电极1时，导向电极1间位置相互固定(图3)。因铸件结构形式的不同，存在固定导向电极4、活动导向电极5及补充电极2同时存在使用的情况，其中固定导向电极4是指在熔铸过程中，电极位于结晶器内且在熔铸过程中相对熔铸结晶器固定不动(图4)。

3)铸件材质

铸件可以是碳素钢、低合金钢或不锈钢，包含且不限于以下标准中所述材料(astm743、astm483、en10283、gb/t6967、gb/t11352、jb/t5000.6、jb/t10384、jb/t7349、jb/t6405)，具体材料举例如：

碳素钢：zg230-450、zg270-500、zg310-570等；

低合金钢：zg20simn、zg25mn18cr4等；

不锈钢：zg10cr13、zg06cr13ni4mo、zg06cr13ni5mo、zg06cr16ni5mo、zg00cr13ni4mo、zg00cr13ni5mo、zg00cr16ni5mo等。

下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图2所示，本实施例中，将两瓣形结晶器及随形导向电极按工艺要求组装好，导向电极1是分体组合式的，导向电极1图示中导向电极仅显示其中一半。导向电极1上设有两个导向通道6(横截面分别为圆形或矩形)，两个补充电极2(横截面分别为圆形或矩形)分别设置于横截面形状相对应的导向通道6中，两个补充电极2分别通过导向通道6不断对熔铸过程进行自耗电极补充。

实施例2

如图3所示，本实施例中，混流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸，结晶器型腔3中采用8个管道式导向电极1，补充电极为柔性圆柱形，补充电极通过管道式导向电极1内部导向通道6导入。在结晶器组箱前，将导向电极1固定于结晶器型腔3的指定位置，各导向电极1安装就位后其相互间位置固定，补充电极通过导向电极1内的导向通道6不断对熔铸过程进行自耗电极补充。

实施例3

如图4所示，本实施例中，电渣熔铸制造装置包括：补充电极2、结晶器型腔3、固定导向电极4、活动导向电极5等，结晶器为上下两层结构，分别负责叶片法兰段成型和叶片部分成型。位于上层的结晶器型腔3横截面为圆形，其中设置活动导向电极5，活动导向电极5内侧导向通道中设置补充电极2。位于下层的结晶器型腔3横截面为条形，其中设置固定导向电极4。

轴流式水轮发电机叶片毛坯的电渣熔铸，在结晶器型腔3中分别组装固定导向电极4或补充电极2和活动导向电极5，采用随形固定导向电极4与活动导向电极5相结合的方式，以便于铸件的熔铸成型。在左右结晶器型腔3组箱前，将随形固定导向电极4固定于结晶器型腔3的指定位置，活动导向电极5中设有导向通道，补充电极2通过导向通道不断进入熔融区，对熔铸过程进行自耗电极补充。

实施例结果表明，本发明为近净成型的整铸毛坯制造技术方法，特别是对水轮发电机叶片为近净成型的电渣熔铸方法，所生产的铸件毛坯具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能，其质量和性能不低于同材质锻造毛坯。采用电渣熔铸技术，生产铸件毛坯，生产的铸件内部质量不低于同材质锻造毛坯质量标准。