一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法

摘要

本发明提供了一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，特别是对于宽厚比大、薄厚度不均匀的大型曲面叶片板坯类铸件效果更好。首先根据曲面叶片板坯外形尺寸，将充型难度大的部分首先利用电渣熔铸技术制作出预制曲面板坯，放置在结晶器侧边。再利用电渣熔合工艺将自耗电极熔化的金属液与放置在结晶器内的1块或2块电渣预制板坯熔合在一起，形成大型曲面叶片板坯铸件。采用该方法制备的大曲面叶片板坯铸件内部及表面质量良好，可提高材料利用率、缩短加工工期，提高质量，特别是具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能。该工艺更适合生产宽厚比＞10、单重在10吨以上的大型或超大型曲面叶片板坯铸件。

权利要求

1.一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：首先根据曲面叶片板坯外形及断面尺寸，将叶片板坯分为2-3个区域，其中：断面厚度变化大、充型困难的单侧或双侧部分提前用电渣熔铸技术制作出预制曲面板坯，并提前放置在结晶器内腔侧边；再利用电渣熔合工艺将自耗电极熔化的金属液与放置在结晶器内的1～2块电渣预制板坯熔合在一起，最终形成大型曲面叶片板坯铸件；

具体电渣熔合工艺步骤如下：

(1)、渣系与渣量控制：电渣熔合渣系的主要成分为质量百分比：CaF2：50～62％，Al2O3：

25～35％，CaO：3～8％，微量成分≤5％；构成多元渣系，其中微量成分为MgO、SiO2、TiO2之一种或多种，渣层厚度为曲面叶片板坯结晶器等效直径的12～25％；

(2)、电渣熔合工艺参数：电压：70～120V、电流密度：20000～60000A/m2；

(3)、补缩工艺：补缩期内，首先在2～5分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持1～2分钟；再将最小补缩电流在3分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70～80％，如此反复4～5次，每次最高电流都为前次最高电流的70～80％，最后1次减小到零。

2.按照权利要求1所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：既可以熔合曲面叶片单侧预制板坯，也可熔合双侧预制板坯。

3.按照权利要求1所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：电渣熔铸预制板坯选用自耗电极为砂型铸造电极，电渣熔合工艺选用钢板拼焊电极；自耗电极填充比为0.15～0.4。

4.按照权利要求1所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于，所述大型曲面叶片板坯合金材料包括：低碳马氏体不锈钢06Cr13Ni4Mo、06Cr13Ni5Mo或

06Cr16Ni5Mo；超低碳马氏体不锈钢04Cr13Ni4Mo或04Cr13Ni5Mo。

说明书

一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到大宽厚比曲面铸件制造工艺，特别提供了一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法。

背景技术

[0002] 装备制造领域，经常用到各种不规则的宽厚板类铸锻件，其特点是宽厚比大、断面形状不规则等。作为高端装备的重要基础部件之一，这种异形板类铸件的质量要求极为严格。例如：水轮发电机叶片铸件的质量问题几乎制约了水轮机组的整体运行寿命。

[0003] 目前国内外生产此类铸锻件的方法主要有：普通砂型铸造、锻造和电渣熔铸三种工艺方法。

[0004] (1)受工艺本身局限性影响，普通砂型铸造产品常因内部质量较差难以满足使用要求；(2)采用锻扎板坯生产的宽厚板类铸锻件内部质量固然很好，但金属利用率极低，生产成本和工期大幅增加，且违背绿色制造理念；(3)电渣熔铸可根据产品外形轮廓直接生产出满足要求的宽厚板类铸锻件，凝固质量和力学性能优异，可达到同材质锻轧材标准。目前，发明人采用电渣熔铸方法已生产出整体叶片压坯，并已取得了发明专利(一种水轮机叶片压坯的电渣熔铸制造方法，公开号：CN 104174834A)。但该工艺只对宽厚比相对较小的板坯类铸件有效，对于宽厚比大(宽厚比＞10)、断面形状复杂的大型板坯类铸件，受自耗电极制作及结晶器冷却条件限制，电渣熔铸产生的金属液不能充分溢流到薄边最远区域，造成铸件薄边成形质量不好，限制了该方法的进一步应用。

[0005] 除上述三种方法可生产宽厚板类铸锻件外，日本专利(JP 1999019791A)和中国专利(公开号：CN 102029378A)还各自提出了一种将两块原始坯料利用电渣工艺熔合在一起的新方法。但这两种方法只适用于等厚钢板或者铸锭的熔接，对于横截面为不规则形状的大宽厚比铸件很难适用。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，特别是对于宽厚比大、薄厚边相差也较大的大型曲面叶片板坯类铸件效果更好，该方法主要是利用电渣熔合工艺将自耗电极熔化的金属液与提前放置在结晶器内的1块或2块电渣预制板坯熔合在一起，形成大型曲面板坯铸件。

[0007] 本发明技术方案如下：

[0008] 一种大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：首先根据曲面叶片板坯外形及断面尺寸，将叶片板坯分为2-3个区域(见图1-2)，其中：断面厚度变化大、充型困难的单侧或双侧部分提前用电渣熔铸技术制作出预制曲面板坯，并提前放置在结晶器内腔侧边；再利用电渣熔合工艺将自耗电极熔化的金属液与放置在结晶器内的1～2块电渣预制板坯熔合在一起，最终形成大型曲面叶片板坯铸件。

[0009] 采用本发明所述方法所制备的大曲面叶片板坯铸件其内部及表面质量良好，可提高材料利用率、缩短加工工期，提高质量，特别是具有较高抗疲劳性能、较高抗裂纹生成和扩展性能。该工艺更适合生产宽厚比＞10、单重在10吨以上的大型或超大型曲面叶片板坯铸件。

[0010] 具体电渣熔合工艺步骤如下：

[0011] (1)、渣系与渣量控制：电渣熔合渣系的主要成分为质量百分比：CaF2：50～62％，Al2O3：25～35％，CaO：3～8％，微量成分加入量不高于渣系总质量的5％；构成多元渣系，其中微量成分为MgO、SiO2、TiO2之一种或多种，渣层厚度为曲面叶片板坯结晶器等效直径的12～25％；

[0012] (2)、电渣熔合工艺参数：电压：70～120V、电流密度：20000～60000A/m2；

[0013] (3)、补缩工艺：采用间断补缩方式进行补缩，补缩期内，首先在2～5分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持1～2分钟；再将最小补缩电流在3分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70～80％，如此反复4～5次，每次最高电流都为前次最高电流的70～80％，最后1次减小到零。

[0014] 本发明所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：利用电渣熔铸工艺既可以熔合单侧预制板坯，也可熔合双侧预制板坯。

[0015] 本发明所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于：由于预制曲面板坯相对复杂，电渣熔铸预制板坯选用的自耗电极为砂型铸造电极，而电渣熔合工艺选用的自耗电极则为钢板拼焊电极。根据叶片板坯结晶器内腔尺寸，自耗电极填充比为0.15～0.4。

[0016] 本发明所述大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，其特征在于，所述大型曲面叶片板坯合金材料包括：低碳马氏体不锈钢06Cr13Ni4Mo、06Cr13Ni5Mo或06Cr16Ni5Mo；超低碳马氏体不锈钢04Cr13Ni4Mo或04Cr13Ni5Mo。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0018] (1)电渣熔铸是一种集精炼提纯、凝固成形于一体的特种铸造技术，通过调整熔渣配比、优化工艺，可以进一步去除自耗电极中的夹杂物并改变其分布形态，降低曲面叶片板坯中的P、S等有害元素和N、H、O等气体含量，提高了材料纯净度。

[0019] (2)电渣熔合曲面叶片板坯可达到同材质锻件力学性能和探伤指标要求，其化学成分均匀、组织致密、无疏松、缩孔等缺陷，夹杂物呈弥散分布，同时具有较高抗疲劳性能及较高抗裂纹生成和扩展性能。

[0020] (3)曲面叶片板坯铸件在结晶器中凝固，冷却速度快，结晶器尺寸精度高、变形小，因而铸件表面光洁、加工余量小，达到近净成形目的。

[0021] (4)采用电渣熔合工艺有效地解决了大型叶片板坯的充型质量难题，所制备的大曲面叶片板坯铸件内部及表面质量良好。该工艺更适合生产宽厚比＞10、单重在10吨以上的大型或超大型曲面叶片板坯铸件。

附图说明

[0022] 图1单侧熔合预制板坯结构示意图。

[0023] 图2双侧熔合预制板坯结构示意图。

[0024] 图3大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法示意图。

[0025] 其中，1、变压器，2、组合式水冷结晶器，3、电极，4、底水箱，5、预制板坯Ⅰ，6、预制板坯Ⅱ，7、电渣熔合区，8、金属熔池，9、液态熔渣。

具体实施方式

[0026] 实施例1：

[0027] 参考图2、图3，本发明所述某大型曲面叶片板坯的电渣熔合制造方法，选取的叶片板坯材料为马氏体不锈钢06Cr13Ni4Mo，叶片最大宽度约4300mm，最大高度为3400mm，最大厚度为310mm，最小厚度为65mm。

[0028] 首先将预制板坯Ⅰ5和预制板坯Ⅱ6分别放置在结晶器内的Ⅰ区和Ⅲ区，然后变压器1通过导线连接底水箱4、Ⅱ区和电极3形成一个回路，电极3在液态熔渣9的电阻热作用下熔化，液态金属穿过渣池形成金属熔池8，在强水冷结晶器(结晶器内壁铜板有一定升角的螺旋形凹槽，增大冷却强度)的作用下，将预制板坯Ⅰ5和预制板坯Ⅱ6熔合在一起。最终，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区共同形成实验所要求制备的曲面叶片板坯。

[0029] ①结合Ⅱ区压坯结晶器内腔尺寸，制备随形钢板电极，选用的填充比为0.3；②选用的渣系配比为CaF2：60％、Al2O3：32％、CaO：6％、MgO：2％形成四元渣系，渣层厚度为曲面叶片板坯结晶器等效直径的20％；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，确定熔铸电压115V、电流密度为22000A/m2；④补缩期内，首先在4分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持1分钟；再将最小补缩电流在2分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70％，反复4次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70％，最后1次减小到零。

[0030] 通过本发明制备的大型曲面叶片板坯，尺寸符合图纸要求，内部及表面质量良好，经常规热处理后压坯的力学性能为RP0.2/650Mpa，Rm/845Mpa，A/26％，Z/62％，KV2/101J。

[0031] 实施例2：

[0032] 本次实验所示的某电站X形曲面叶片板坯制造，选取材质为06Cr16Ni5Mo的马氏体不锈钢。制备的叶片板坯最大宽度2600mm，最大高度为2100mm，最大厚度为220mm，最小厚度30mm。

[0033] 首先将1个预制板坯放置在结晶器内的侧边，电极在液态熔渣的电阻热作用下熔化，液态金属穿过渣池形成金属熔池，在水冷结晶器的作用下，液态金属液凝固并与提前放置在结晶器内的预制板坯熔合在一起，共同形成实验所要求制备的曲面叶片板坯。

[0034] ①结合结晶器剩余的内腔尺寸，制备随形钢板电极，选用的填充比为0.26；②选用的渣系配比为CaF2：60％、Al2O3：35％、CaO：5％形成三元渣系，渣层厚度为曲面叶片板坯结晶器等效直径的21％；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2
艺，确定熔铸电压85V、电流密度为35000A/m ；④补缩期内，首先在3分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持2分钟；再将最小补缩电流在2分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70％，反复4次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70％，最后1次减小到零。

[0035] 制备的大型曲面叶片板坯经型线检验，其尺寸满足图纸要求，且表面无渣沟缺陷；经常规热处理后压坯的力学性能为RP0.2/634Mpa，Rm/810Mpa，A/25％，Z/55％，KV2/105J，满足使用要求。

[0036] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。