专利名称：一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法
技术领域：
本发明涉及冲击式转轮的制造领域，具体为一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，它是电渣熔铸生产水轮发电机转轮铁合金毛坯的工艺，特别是冲击式转轮整铸毛坯及分体式转轮水斗毛坯的电渣熔铸工艺。
背景技术：
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，提高大型高水头冲击式水轮机组的设计、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。
随着水轮机出力的提高，水电站水头越来越高，高水头水轮机技术主要体现的是其冲击式转轮的制造。转轮水斗是冲击式水电站的核心部件，其制造水平的高低直接影响水轮机的效率、寿命和使用的安全性，因此世界各国都高度重视转轮制造技术的研究与发展。对于高水头冲击式转轮，其直径一般为O. 6^4米，更大的直径可达5米，使用中主要的危险是斗根开裂，裂穿轮毂造成飞斗，发生重大安全事故。同时，由于转轮制造成本较高，对其使用寿命的要求也越来越高。国内通常有四种生产工艺生产冲击式转轮一是整体砂型铸造，优点是生产成本低，缺点是使用寿命最低，很容易产生飞斗事故；二是分体制造，即轮毂与水斗分别独立制造，然后通过铆接或焊接将轮毂与水斗连接成一个整体，优点是制造成本较低，缺点是使用安全性很差。当转轮运行时，水斗受到水射流的脉冲交变载荷的作用，水斗焊接到轮毂上的接头将产生疲劳而发生开裂；三是整体铸造圆饼型坯料，然后数控加工成型，优点是制造成本稍低，型线准确出力好，缺点是使用寿命低，安全性很差；四是锻造圆饼型坯料，然后数控加工成型，优点是型线准确出力好，使用寿命高、安全性很好，缺点是成本极高。目前，国内外高水头冲击式转轮制造，主要采用锻造毛坯，然后数控加工的工艺方法，这是由于锻造工艺能够有效的减少转轮缺陷，提高转轮的使用安全性。但在实际生产中这种工艺存在很大问题，首先是锻件的加工量大，材料利用率不到50% ;其次，对于生产大型冲击式转轮，由于轮径较大，所需要的锻坯一般需要上万吨的大型锻压机才能生产，使转轮的制造成本极高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，主要解决目前生产高水头冲击式转轮毛坯技术的不足，采用近净成型的冲击式转轮整铸毛坯制造技术及分体式转轮水斗毛坯制造技术，所生产的转轮毛坯及水斗毛坯具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能，其质量和性能达到同材质锻造毛坯。本发明采用的技术方案是
一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，采用自耗电极和电渣熔铸工艺生产冲击式水轮发电机转轮毛坯，冲击式水轮发电机转轮毛坯为冲击式转轮整铸毛坯或分体式转轮水斗毛坯，其中转轮整铸毛坯采用整体式或分块组合结构形式的转轮整铸圆饼型毛坯结晶器生产，分体式转轮水斗毛坯采用整体或分块组合结构形式的转轮水斗结晶器生产。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，自耗电极采用普通冶炼或精炼工艺制备，采用铸造工艺制成与结晶器形状相近的随形自耗电极。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，转轮整铸圆饼型毛坯结晶器中，采用随型毛坯结晶器，均通过近净形结晶器的设计提高材料利用率。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，分体式转轮采用自耗电极和转轮水斗结晶器，通过电渣熔铸工艺形成水斗的铸坯，水斗的铸坯经数控加工，以铆接、螺栓联接或焊接方式固定于轮毂上，轮毂毛坯通过电渣熔铸、熔炼精铸、锻造或钢板焊接而成，材料与水斗同种材质或异种材质，其中轮毂为单片或双片结构，双片结构时为双轮·毂夹持水斗根部连接处，从而制成完整冲击式水轮机转轮。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，电渣熔铸工艺包括如下步骤I)渣系与渣量控制渣系采用以二元渣系为主，其中CaF255 85wt%、Al20315 45wt %，渣量为铸件的Iwt % 10wt% ；2)引燃方式自耗电极在结晶器内采用固态或液态渣引燃，其化学成分以重量百分比为TiO230 65%，CaF2 :30 65%，并根据需要添加0wt% 10wt%的CaO和MgO ；3)结晶器选择结晶器的材质选择全铜、全钢或铜钢复合，转轮整铸结晶器或分体式转轮水斗结晶器采用整体式或组合式；4)供电参数选择根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流各个相应电参数，熔铸过程中注意保持电压和电流的稳定；其中，电压控制在5(Tll5V，电流控制在5000 20000A ；5)铸件热处理工艺采用防裂热处理、正火和回火工艺进行热处理防热裂及消除内应力热处理温度为30(T90(TC ;正火工艺温度为90(Tll0(TC ;回火工艺温度为45(T750°C ;上述热处理的保温时间，按每IOOmm有效厚度保温1-3小时。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，熔铸后铸件合金成分为20SiMn钢、低碳马氏体不锈钢或超低碳马氏体不锈钢。所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，低碳马氏体不锈钢为 06Crl3Ni4Mo、06Crl3Ni5Mo 或 06Crl6Ni5Mo ;超低碳马氏体不锈钢为 03Crl3Ni4Mo、03Crl3Ni5Mo 或 03Crl6Ni5Mo。所述步骤I)中，根据实际合金精炼要求，加入MgO、CaO、CaCO3、BaO中的一种或一种以上,其加入重量不高于30%。所述步骤3)中，铜钢复合结晶器是指以碳钢为基板，结晶器型腔为纯铜，碳钢与铜相接处焊接结合。所述步骤5)后，根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为50(T70(TC，按每IOOmm有效厚度保温1-3小时。本发明的优点和有益效果I、本发明采用电渣熔铸工艺制造的整体冲击式转轮及分体冲击式转轮使用寿命及使用安全性均达到同材质锻件产品，品质最优。 2、本发明工艺方案转轮毛坯方便数控加工，水斗水利型线精确，转轮出力高。
3、相比锻造坯料，本发明转轮毛坯精化，材料利用率高，加工周期短，产品造价大幅下降。4、本发明分体式转轮制造方案，水斗与轮毂可采用不同材质，可降低不锈钢使用量，进一步降低转轮造价。5、本发明工艺方案无需使用大型锻造设备制备坯料，也不使用大型数控加工设备，制造简单、高效、低成本。6、本发明电渣熔铸是对精炼自耗电极进行二次精炼提纯、铸造成型的工艺，通过熔渣配比的调整，可以进一步去除自耗电极中的夹杂物并改变其分布形态，降低转轮中S等有害元素，铸件基体纯净。7、本发明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。8、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；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。9、本发明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，很少固体废弃物排放，减少对环境的污染。10、本发明转轮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锻造转轮，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。11、本发明由于金属型结晶器可重复多次使用，在生产大量同一尺寸转轮时，生产周期很短，造价较低。
图I为本发明熔铸自耗电极和整铸圆饼型毛坯结晶器示意图。图2为图I中A-A剖视图。图3为本发明分体式水斗局部示意图。图4为本发明水斗毛还结晶器不意图。图中，I自耗电极；2随型毛坯结晶器；3水斗；4水斗毛坯结晶器。
具体实施例方式如图1-2所示，以精炼工艺制备自耗电极1，采用电渣熔铸工艺成型。设计并制造冲击式转轮毛坯随型毛坯结晶器2，其轮毂部分随型，均通过近净形结晶器的设计达到提高材料利用率的目的。如图3-4所示，分体式转轮采用自耗电极I和分体式转轮水斗结晶器4，通过电渣熔铸工艺形成水斗3的铸坯，水斗3的铸坯经数控加工，以铆接、螺栓联接或焊接等方式固定于轮毂上(轮毂毛坯可通过电渣熔铸、熔炼精铸或锻造方式制造，也可采用钢板焊接而成，材料可与水斗同种材质或异种材质)，其中轮毂为单片或双片结构，双片结构时为双轮毂夹持水斗根部连接处，从而制成完整冲击式转轮。本发明中，自耗电极采用普通冶炼或精炼工艺制备，采用铸造工艺制成与结晶器形状相近的随形自耗电极，其材质为被精炼的水轮发电机转轮材料，根据材质需要可AOD(VOD)精炼浇铸成型或中频炉(电弧炉)熔炼浇铸。使用随形自耗电极对于薄壁空间变曲面或复杂异型件的电渣熔铸可以达到强制溢流的目的。本发明的电渣熔铸操作过程，用于完成精炼自耗电极材料的二次精炼提纯、铸件近净成型等任务，具有如下步骤I)渣系与渣量控制渣系采用以二元渣系为主，其中CaF255 85wt%、Al20315 45wt%。并可根据实际合金精炼要求，加入少量Mg0、Ca0、CaC03、Ba0中的一种或一种以上，其加入重量不高于30%。渣量一般为铸件的lwt% 10wt%。2)引燃方式自耗电极在结晶器内采用固态或液态渣引燃，其化学成分以重量百分比为TiO230 65%，CaF2 30 65%，并可根据需要添加0wt% 10wt%的CaO和MgO。3)结晶器选择结晶器的材质选择全铜、全钢或铜钢复合，转轮整铸圆饼型毛坯结晶器采用整体式或分块组合式结构形式，分体式转轮水斗结晶器采用整体或分块组合式结构形式。本发明中，铜钢复合是指结晶器工作面为铜板，非工作面采用钢板，用双金属焊接的方法制成，使结晶器冷却最好而造价较低。4)供电参数选择根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、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5(Tll5V，电流控制在5000 20000A。5)熔铸后铸件合金成分(以重量百分比计)20SiMn 钢
C[Si[Mn[Pfs[Cr[Ni[Cu
O. 18 O. 25 O. 30~0. 80~ I. 20~1. 50~ ^ O. 030 ^ O. 030 ^ O. 030 彡 O. 30 彡 O. 30 余量低碳马氏体不锈钢
权利要求
1.一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，采用自耗电极和电渣熔铸工艺生产冲击式水轮发电机转轮毛坯，冲击式水轮发电机转轮毛坯为冲击式转轮整铸毛坯或分体式转轮水斗毛坯，其中转轮整铸毛坯采用整体式或分块组合结构形式的转轮整铸圆饼型毛坯结晶器生产，分体式转轮水斗毛坯采用整体或分块组合结构形式的转轮水斗结晶器生产。
2.按照权利要求I所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，自耗电极采用普通冶炼或精炼工艺制备，采用铸造工艺制成与结晶器形状相近的随形自耗电极。
3.按照权利要求I所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，转轮整铸圆饼型毛坯结晶器中，采用随型毛坯结晶器，均通过近净形结晶器的设计提高材料利用率。
4.按照权利要求I所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，分体式转轮采用自耗电极和转轮水斗结晶器，通过电渣熔铸工艺形成水斗的铸坯，水斗的铸坯经数控加工，以铆接、螺栓联接或焊接方式固定于轮毂上，轮毂毛坯通过电渣熔铸、熔炼精铸、锻造或钢板焊接而成，材料与水斗同种材质或异种材质，其中轮毂为单片或双片结构，双片结构时为双轮毂夹持水斗根部连接处，从而制成完整冲击式水轮机转轮。
5.按照权利要求I所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，电渣熔铸工艺包括如下步骤 1)渣系与渣量控制 渣系采用以二元渣系为主，其中CaF2 55 85wt%、Al2O3 15 45wt %，渣量为铸件的Iwt % 10wt% ； 2)引燃方式 自耗电极在结晶器内采用固态或液态渣引燃，其化学成分以重量百分比为TiO2:30 65%，CaF2 :30 65%，并根据需要添加0wt% 10wt%的CaO和MgO ； 3)结晶器选择 结晶器的材质选择全铜、全钢或铜钢复合，转轮整铸结晶器或分体式转轮水斗结晶器采用整体式或组合式； 4)供电参数选择 根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数来确定熔铸功率、电压、电流各个相应电参数，熔铸过程中注意保持电压和电流的稳定；其中，电压控制在5(Tll5V，电流控制在5000 20000A ； 5)铸件热处理工艺 采用防裂热处理、正火和回火工艺进行热处理防热裂及消除内应力热处理温度为300^9000C ;正火工艺温度为90(Tll0(TC ;回火工艺温度为45(T750°C ;上述热处理的保温时间，按每IOOmm有效厚度保温1-3小时。
6.按照权利要求5所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，熔铸后铸件合金成分为20SiMn钢、低碳马氏体不锈钢或超低碳马氏体不锈钢。
7.按照权利要求6所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，低碳马氏体不锈钢为06Crl3Ni4Mo、06Crl3Ni5Mo或06Crl6Ni5Mo ;超低碳马氏体不锈钢为 03Crl3Ni4Mo、03Crl3Ni5Mo 或 03Crl6Ni5Mo。
8.按照权利要求5所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，所述步骤I)中，根据实际合金精炼要求，加入MgO、CaO、CaCO3> BaO中的一种或一种以上，其加入重量不高于30%。
9.按照权利要求5所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，铜钢复合结晶器是指以碳钢为基板，结晶器型腔为纯铜，碳钢与铜相接处焊接结合。
10.按照权利要求5所述的冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，其特征在于，所述步骤5)后，根据实际工艺要求采用二次回火，二次回火的温度为50(T70(TC，按每IOOmm有效厚度保温1-3小时。
全文摘要
本发明涉及冲击式转轮的制造领域，具体为一种冲击式水轮发电机转轮毛坯的电渣熔铸制造方法，是冲击式转轮整铸毛坯及分体式转轮水斗毛坯的电渣熔铸工艺。采用自耗电极和电渣熔铸工艺，转轮整铸毛坯采用整体式或分块组合结构形式的转轮整铸圆饼型毛坯结晶器生产，分体式转轮水斗毛坯采用整体或分块组合结构形式的转轮水斗结晶器生产。本发明可以解决目前生产高水头冲击式转轮毛坯技术的不足，采用近净成型的冲击式转轮整铸毛坯制造技术及分体式转轮水斗毛坯制造技术，所生产的转轮毛坯及水斗毛坯具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能，使用寿命和使用安全性高，其质量和性能达到同材质锻造毛坯，生产成本低和生产周期短等特点。
文档编号C21D1/28GK102756111SQ20121024375
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者于川, 张正纬, 徐超, 李广俊, 胡浩 申请人:沈阳市盛华特种铸造有限公司