CN102416463A - 一种水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法 - Google Patents

Abstract

一种水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，其特点是：电渣熔铸操作过程有如下步骤：1)渣系与渣量控制，2)引燃方式，3)结晶器选择，4)结晶器旋转控制***，5)供电参数选择，6)熔铸后铸件合金成分控制，7)铸件热处理工艺选择。本发明为目前水轮发电机座环、顶盖及底环用环板抗撕裂钢板的生产，提供一种净近成型的环板制造技术，并通过采用可旋转结晶器电渣熔铸成型，达到生产环板的技术要求，所生产的环板具有优良的抗层状撕裂性能、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特种锻造产品。

Description

一种水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法

技术领域

本发明涉及一种生产特种抗层状撕裂钢板的工艺，特别是涉及一种利用电渣熔铸技术专用于生产水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法。

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。

在水轮机中，蜗壳座环、顶盖和底环是重要的部件，结构要有足够的强度和刚度。在使用过程中由于采用梯形焊接，因而对材料的抗层状撕裂性能有较高的要求，特别是作为座环、顶盖和底环的重要组成部分——环板，对其抗撕裂性能有严格的要求。

目前，国内钢板厚度为80～250mm特种抗撕裂钢板主要依靠进口，其生产工艺主要采用特种锻造轧制工艺，即在锻造过程中不仅要求钢板具有良好的综合力学性能，并且要保证轧制钢板Z向具有良好的抗层状撕裂性能。其抗层状撕裂合金成分杂质成分的控制及加工工艺目前国内仍无法生产大屈服强度同类钢板，特别是大厚度钢板，正是因为这一技术瓶颈，使得国内对这一特种钢板的使用受到极大制约。同时由于该特种轧制钢板均为方形厚板，在使用过程中根据需求尺寸裁成环扇面，这样也造成较大量的钢材浪费，进一步增加使用成本。

发明内容

本发明的目的在于解决国内生产该类产品的技术瓶颈，而开发了一种利用电渣熔铸工艺专用于生产水轮发电机座环、顶盖及底环用的环板的新方法。本发明采用电渣熔铸技术，生产水轮发电机用环板，生产的环板内部质量不低于同材质锻造质量标准，可以达到Z向屈服强度550MPa级别抗层状撕裂钢板及Z35板的性能要求，能够满足水轮发电机环板部件的设计及使用性能要求，并在电渣熔铸工艺基础上，通过采用单侧弧形冷却面可逐级闭合的熔铸方式，合理控制结晶器与电极相对位置达到近净型方式生产铸件，减少环板环扇面切割量，增加材料利用率。

本发明为目前水轮发电机座环、顶盖及底环用环板抗撕裂钢板的生产，提供一种净近成型的环板制造技术，并通过采用可旋转结晶器电渣熔铸成型，达到生产环板的技术要求，所生产的环板具有优良的抗层状撕裂性能、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特种锻造产品。

本发明的技术解决方案是：这种水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，包括设计并制造环扇形内腔的结晶器，以精炼工艺制备自耗电极，采用电渣熔铸工艺成型。其特点是：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。

1.渣系与渣量控制：渣系采用以CaF₂ 55～85％、Al₂O₃ 15～45％为主，并可根据实际合金精炼要求加入少量MgO、CaO构成多元渣系，其加入重量不高于30％，渣量一般为铸件的1％～10％。

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TiO₂：35～65％，CaF₂：35～65％。

3.结晶器选择：结晶器的材质为全铜或全钢或铜钢组合结晶器，采用纵向环扇面浇铸，以环扇面圆点为旋转中心，保证自耗电极与熔铸面垂直，同时随着熔铸的进行旋转结晶器，并逐步闭合环扇形外弧线一侧结晶器冷却面，达到熔铸近净型环板的目的。

结晶器的环扇形外弧线一侧采用活动式软连接结晶器冷却面(如图1所示)。

4.结晶器旋转控制***：环扇形结晶器通过夹具固定于一个圆盘可旋转平台上，通过感应探头探测熔液面位置，通过控制结晶器旋转速率，使熔铸液面位置始终垂直于自耗电极。

5.供电参数选择：根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数并配合旋转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50～115V、电流控制在5000～20000A。

6.熔铸后铸件合金成分(以重量百分比计，表中含量为该元素最大含量)。

7.铸件热处理工艺：为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，采用淬火+回火工艺，并根据实际性能及工艺要求采用其他热处理以优化铸件综合性能。

防热裂及消除内应力热处理温度为300～900℃，淬火工艺温度为600～1100℃，回火工艺温度为450～750℃，并可根据实际工艺要求采用二次回火。

铸件热处理后机械性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是。

1.电渣熔铸是对精炼自耗电极进行二次精炼提纯，净化层状撕裂有害元素，铸件基体纯净。并通过旋转浇铸设计，达到熔铸近净成型的目的。

2.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。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。由于采用纵向环扇面浇铸，以环扇面圆点为旋转中心，环扇形外弧线一侧采用活动式软连接结晶器冷却面，保证自耗电极与熔铸面垂直的同时，随着熔铸结晶器旋转的进行，逐步闭合环扇形外弧线一侧结晶器冷却面，合理控制结晶器与电极相对位置达到近净型方式生产铸件目的，减少环板环扇面切割量，增加材料利用率。

3.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。

4.由于金属型结晶器可重复多次使用，特别在生产大角度环板，减少环板使用过程中焊接量，也无需大型锻造生产设备，生产流程短，所生产环板性能优异。

附图说明

图1为结晶器及可逐步闭合冷却面示意图。

图中标记：1.电极，2.结晶器，3.可逐步闭合软连接。

具体实施方式

实施例1：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的3％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：50％，CaF₂：50％。

3.结晶器的选择：采用铜钢组合结晶器，其结构采用外弧线一侧为逐步闭合冷却面(图1)。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为55V，电流6500A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型环板。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为。

实施例2：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的3.4％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：50％，CaF₂：50％。

3.结晶器的选择：采用全铜结晶器，其结构采用分块组合式外弧线一侧为逐步闭合冷却面。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为75V，电流12000A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为。

实施例3：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的2.5％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：45％，CaF₂：55％。

3.结晶器的选择：采用全钢结晶器，其结构采用外弧线一侧为逐步闭合冷却面。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为50V，电流7500A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型环板。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为。

实施例4：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的2.5％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：45％，CaF₂：55％。

3.结晶器的选择：采用全钢结晶器，其结构采用外弧线一侧为逐步闭合冷却面。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为55V，电流7500A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型环板。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为。

实施例5：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的3.5％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：45％，CaF₂：55％。

3.结晶器的选择：采用铜钢组合结晶器，其结构采用外弧线一侧为逐步闭合冷却面。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为55V，电流6500A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型环板。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为：

实施例6：

1.渣系配料采用：CaF₂ 70％、Al₂O₃ 30％。渣量为铸件重量的4.5％。

2.引燃方式：自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，TiO₂：45％，CaF₂：55％。

3.结晶器的选择：采用全钢结晶器，其结构采用外弧线一侧为逐步闭合冷却面。

4.用电参数：根据铸件尺寸、电极及结晶器几何尺寸确定熔铸电压为85V，电流8700A。

通过电渣熔铸工艺，由设定形状的结晶器成型环板。其化学成分为。

热处理后铸件机械性能为。

Claims (4)

1.一种水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，包括设计并制造环扇形内腔的结晶器，以精炼工艺制备自耗电极，采用电渣熔铸工艺成型。其特征在于电渣熔铸操作过程：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，包括有如下步骤：

1)渣系与渣量控制

渣系采用以CaF₂ 55～85％、Al₂O₃ 15～45％为主，并根据实际合金精炼要求加入MgO、CaO构成多元渣系，其加入重量不高于30％，渣量一般为铸件的1％～10％；

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TiO₂：35～65％，CaF₂：35～65％；

3)结晶器选择

结晶器的材质为全铜或全钢或铜钢组合结晶器，采用纵向环扇面浇铸，以环扇面圆点为旋转中心，保证自耗电极与熔铸面垂直，同时随着熔铸的进行旋转结晶器，并逐步闭合环扇形外弧线一侧结晶器冷却面，达到熔铸近净型环板的目的；

4)结晶器旋转控制***

环扇形结晶器通过夹具固定于一个圆盘可旋转平台上，通过感应探头探测熔液面位置，通过控制结晶器旋转速率，使熔铸液面位置始终垂直于自耗电极；

5)供电参数选择

根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数并配合旋转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50～115V、电流控制在5000～20000A；

6)熔铸后铸件合金成分(以重量百分比计，表中含量为该元素最大含量)

7)铸件热处理工艺

为消除铸件内应力、发挥材料机械性能的潜能，采用淬火+回火工艺以及热处理方法，以优化铸件综合性能。

2.根据权利要求1所述的水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，其特征在于结晶器的环扇形外弧线一侧采用活动式软连接结晶器冷却面。

3.根据权利要求1所述的水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，其特征在于步骤7)铸件热处理工艺中的防热裂及消除内应力热处理温度为300～900℃，淬火工艺温度为600～1100℃，回火工艺温度为450～750℃。

4.根据权利要求1所述的水轮发电机用环板的电渣熔铸制造方法，其特征在于铸件热处理后的机械性能为：

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