一种三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统的制作方法

1.本实用新型属于电渣熔铸领域，特别一种三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统。


背景技术：

2.电渣熔铸作为一种集精炼与成型于一体的铸造工艺，目前广泛应用于高质量要求铸件的制造领域。其熔铸以自耗电极为熔铸原料，自耗电极置于结晶器内，加电后电极在熔融态渣层中完成熔铸过程，这一过程需要保持电极与结晶器内腔的工艺安全距离，同时自耗电极作为供电系统的导体使熔融渣层处于通电状态中，通过渣阻产生的热量熔化自耗电极，在熔化过程中需要自耗电极在结晶器中连续下降，来维持熔化过程连续进行，熔化的钢水在水冷结晶器型腔内凝固，随着熔铸的进行自耗电极逐渐融化充满结晶器型腔，直至完成整个熔铸过程。
3.电渣熔铸所生产的铸件具有组织致密、铸造缺陷少、纯净度高等优点，尤其对于水轮机叶片等过流部件，电渣熔铸工艺方法可以大幅提高叶片的使用寿命及安全性，但是由于电渣熔铸工艺过程要求自耗电极在型腔中连续下降，故无法在三维变曲面叶片铸件电渣熔铸中实施。目前电渣熔铸工艺只能生产具有公共型腔形状的铸件，对于三维变曲面异型铸件，由于形状限制无法设立供电极上下移动的公共型腔，目前采用的刚性的不可变形的电极无法在熔铸过程中连续下降，因此电渣熔铸无法用于制造三维变曲面异型铸件，限制了电渣熔铸工艺的应用范围。
4.针对水轮发电机叶片、船桨叶片等三维变曲面复杂形状的铸件，目前的工艺方法是采用砂型铸造的方法，这种方法生产的铸件的铸造缺陷较多，影响叶片使用寿命，产品质量无法满足用户的高要求。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，解决目前电渣熔铸过程中自耗电极不能柔性弯曲的技术难题，进而使得一种三维空间变曲面铸件电渣熔铸过程得以实现。
6.本实用新型的技术方案如下：
7.一种三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，柔性电极系统由两部分组成，即由与三维变曲面结晶器型腔随型的、具有导向通道的导向电极和在导向电极的导向通道内的、可弯曲变化形状的柔性电极组成；在熔铸过程中，柔性电极在导向电极的导向通道内向熔铸区输送，此柔性电极具有在导向通道内自适应可弯曲的特征。
8.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，在柔性电极与结晶器型腔间设置导向电极，导向电极是一种固定的自耗电极，相对于结晶器型腔是随型的、固定的，并与结晶器型腔间保持安全距离，导向电极与随型固定电极为一体砂型铸造结构，或者导向电极为钢板、圆管或方管通过冷弯或冲剪拼焊结构，导向电极与结晶器型腔随型且具有
用于约束柔性电极输送方向的导向通道；在结晶器型腔中设置一个或者两个以上导向电极，一个导向电极设置一个或两个以上导向通道。
9.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，根据导向通道的数量设置一个或者两个以上柔性电极，分别对其供电和分别调整柔性电极下行输送速度。
10.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，采用砂型铸造、轧制、挤压或拉拔制备的柔性电极。
11.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，为了增加柔性和调整柔性程度，采用机械加工、压制、局部加热拉拔、热切割或气刨对截面较大的电极局部开槽制造成可弯曲的柔性电极，通过开槽使电极局部截面减小，使柔性电极在小截面处可弯曲；通过改变开槽深度以及开槽间距，调整电极柔度；通过调整在不同位置的开槽方向，使柔性电极具有多方向变形能力，根据柔性电极需要弯曲的方向来确定开槽位置和开槽角度，在保持电极不断的情况下减小局部位置截面，使柔性电极在该位置发生弯曲，柔性电极上开槽数量是一个或两个以上。
12.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，将块状电极与钢板或钢棒用焊接的方式依次相连制备成柔性电极，利用钢板或钢棒具有可变形能力，使整体电极具有可弯曲的柔性，通过改变块状电极的间隙及钢板或钢棒规格尺寸来调整电极柔度，通过改变钢板或钢棒的焊接位置使电极具有多方向变形能力。
13.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，采用带通孔块状电极通过钢棒或钢丝束串联制备成柔性电极，利用钢棒或钢丝束塑性、弯曲性能，在带通孔块状电极的间隙位置随意弯曲，使柔性电极具有柔性；根据铸件要求，改变钢棒或钢丝束截面大小和长度，控制柔性电极的柔度及弯曲方向。
14.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，采用规格相同或不同的棒状电极点焊成一排或两排以上的成排柔性电极，利用棒状电极塑性和弯曲性能，使成排柔性电极在各个位置都具有可弯曲性，通过控制棒状电极截面积、点焊位置和排列方式调整成排柔性电极柔度和弯曲方向；
15.或者，将规格相同或不同的带状电极点焊成两层以上的层状柔性电极，利用带状电极塑性和弯曲性能，使层状柔性电极在各个位置都具有可弯曲性，通过控制带状电极厚度、点焊位置和排列方式调整层状柔性电极柔度和弯曲方向。
16.所述的三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，采用钢丝编织成截面为圆形、矩形或者其它形状的钢丝束，一个或者两个以上钢丝束作为钢丝束柔性电极，在两个以上钢丝束同时使用时，在局部位置进行点焊；利用钢丝束自身塑性较高的特性，使钢丝束柔性电极在导向通道内自适应随型任意方向弯曲，通过改变钢丝束直径和钢丝的规格来调整钢丝束柔性电极的柔度。
17.本实用新型的设计思想是：
18.本实用新型根据电渣熔铸的基本工艺需要，提出一种柔性的自耗柔性电极系统的制备方法，通过减小电极截面尺寸、改变电极结构等方式方法，使电极在需要的位置可自适应弯曲变形，满足在弯曲通道内输送的要求，进而可以在与电渣熔铸结晶器弯曲型腔的形状随型的导向电极的导向通道内自由上下移动，为电渣熔铸技术生产空间变曲面铸件提供了一种柔性电极制造方法和结构形式。图1代表了本实用新型的基本形式。
19.本实用新型的优点及有益效果是：
20.本实用新型三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，解决了复杂形状铸件，特别是三维空间变曲面铸件的电渣熔铸过程所需柔性电极的制造问题，增加了电渣熔铸技术应用的灵活性，拓宽了电渣熔铸工艺可生产铸件的范围。
附图说明：
21.图1为柔性电极系统剖面示意图。
22.图2
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1为导向电极与随型固定电极一体铸造成型的柔性电极系统示意图。
23.图2
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2为导向电极与随型固定电极一体焊接成型的柔性电极系统示意图。
24.图3为方管结构导向电极的铸造成型柔性电极系统示意图。
25.图4为随型固定电极直接砂型铸造出导向通道示意图。
26.图5为矩形截面棒状柔性电极开槽弯曲后的示意图。
27.图6为圆型截面棒状柔性电极开槽弯曲后的示意图。
28.图7为整板焊接式柔性电极弯曲后示意图。
29.图8为串接式柔性电极弯曲后示意图。
30.图9为棒状电极焊接的成排柔性电极示意图。
31.图10为钢丝束柔性电极示意图。
32.图11为带状电极焊接的层状柔性电极示意图。
33.图中，1
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柔性电极，2
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结晶器型腔，3
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导向电极，4
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结晶器，5
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导向通道，6
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随型固定电极，7
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矩形截面棒状柔性电极，8
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圆型截面棒状柔性电极，9
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槽，10
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块状电极，11
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钢板，12
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钢棒，13
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带通孔块状电极，14
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成排柔性电极，15
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钢丝束柔性电极；16
‑
角开口，17
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层状柔性电极。
具体实施方式
34.如图1
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图11所示，本实用新型三维空间变曲面铸件电渣熔铸用柔性电极系统，柔性电极系统由两部分组成，即由与三维变曲面结晶器型腔2随型的、具有导向通道5的导向电极3和在导向电极3的导向通道5内的、可弯曲变化形状的柔性电极1组成；在熔铸过程中，柔性电极1在导向电极3的导向通道5内向熔铸区输送，此柔性电极1具有在导向通道5内自适应可弯曲的特征。
35.在柔性电极1与结晶器型腔2间设置导向电极3，防止柔性电极1与结晶器4接触发生短路，导向电极3是一种固定的自耗电极，相对于结晶器型腔2是随型的、固定的，并与结晶器型腔2间保持安全距离，导向电极3可以与随型固定电极6一体砂型铸造而成(图2
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1、图2
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2、图4)，也可以选用钢板、圆管或方管等，通过冷弯或冲剪拼焊等方式制成，导向电极3与结晶器型腔2随型且具有用于约束柔性电极1输送方向的导向通道5，再将其与随型固定电极6焊接固定(图3)；导向电极3设置在结晶器型腔2面曲率变化较小的位置，减小柔性电极1的弯曲幅度，也可以在结晶器型腔2中设置一个或者两个以上导向电极3，一个导向电极3可以设置一个或两个以上导向通道，增加电渣熔铸电极的输送的效率。
36.根据导向通道5的数量设置一个或者两个以上柔性电极1，分别对其供电和分别调整柔性电极1下行输送速度。柔性电极1可以采用砂型铸造、轧制、挤压或拉拔等工艺方法制
备，由于自身材料特性而具有一定的柔性。
37.如图5、图6所示，为了增加柔性和调整柔性程度，可采用机械加工、压制、局部加热拉拔、热切割或气刨等方式，对截面较大的电极局部开槽9制造成可弯曲的柔性电极1(如：矩形截面棒状柔性电极7或圆型截面棒状柔性电极8)，原理是通过开槽9使电极局部截面减小，达到小截面处可弯曲的效果；通过改变开槽深度以及开槽间距，调整电极柔度；通过调整在不同位置的开槽方向，使柔性电极具有多方向变形能力，根据电极需要弯曲的方向来确定开槽位置和开槽角度，其目的是在保持电极不断的情况下减小局部位置截面，使电极在该位置可以发生弯曲，电极上开槽数量可以是一个或两个以上。
38.如图7所示，将块状电极10与钢板11或钢棒用焊接的方式依次相连制备柔性电极1，原理是利用钢板或钢棒具有可变形能力，使整体电极具有可弯曲的柔性；通过改变块状电极的间隙及钢板或钢棒规格尺寸来调整电极柔度；通过改变钢板11或钢棒焊接位置使柔性电极1可以具有多方向变形能力。
39.如图8所示，使用截面较小钢棒12将带通孔块状电极13串联制备成柔性电极1，其原理是利用钢棒塑性、弯曲性能较好等特性，在带通孔块状电极13的间隙位置可以随意弯曲，使整体电极具有柔性；根据铸件要求改变钢棒截面大小和长度控制柔性电极1的柔度及弯曲方向。
40.如图9所示，将若干柔性较好的规格相同或不同的棒状电极点焊成一排或两排以上的成排柔性电极14；原理是利用钢棒塑性和弯曲性能较好的特性，使成排柔性电极14在各个位置都具有较好的可弯曲性；通过控制棒状电极截面积、点焊位置和排列方式调整成排柔性电极14柔度和弯曲方向。
41.如图11所示，将规格相同或不同的带状电极点焊成两层以上的层状柔性电极17，利用带状电极塑性和弯曲性能，使层状柔性电极17在各个位置都具有可弯曲性，通过控制带状电极厚度、点焊位置和排列方式调整层状柔性电极17柔度和弯曲方向。
42.如图10所示，用钢丝编织成截面为圆形、矩形或者其它形状的钢丝束，用一个或者两个以上钢丝束作为钢丝束柔性电极15，在两个以上钢丝束同时使用时，可以在局部位置进行点焊；原理是利用钢丝束自身塑性较高的特性，使钢丝束柔性电极15在导向通道5内自适应随型任意方向弯曲；改变钢丝束直径和钢丝的规格来调整钢丝束柔性电极15的柔度。也可以在钢丝束局部位置进行点焊，防止熔铸过程中钢丝散开，影响整个铸造过程的进行。
43.柔性电极材料可以是与铸件要求化学成分相同，也可以是与铸件要求化学成分不同，当柔性电极与铸件材料的化学成分不同时，该柔性电极与同时熔铸的其他电极按照体积计算化学成分配比，使电渣熔铸过程中电极熔化混合后达到铸件要求的化学成分。
44.所述铸件材质可以是碳素钢、低合金钢或不锈钢，包含且不限于以下标准中所述材料(astm743、astm 483、astm 148、en 10283、gb/t 6967、gb/t 11352、jb/t 5000.6、jb/t 10384、jb/t 7349、jb/t 6405)，具体材料举例如：
45.碳素钢：zg230
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450、zg270
‑
500、zg310
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570等；
46.低合金钢：zg20simn、zg25mn18cr4等；
47.不锈钢：zg10cr13、zg06cr13ni4mo、zg04cr13ni5mo、zg06cr16ni5mo、zg00cr13ni4mo、zg00cr16ni5mo、astm a743 ca6nm、gx4crni13
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4等。
48.下面，通过实施例和附图对本实用新型进一步详细阐述。
49.实施例1
50.如图1所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质zg00cr13ni4mo，设计铸件随型结晶器4，柔性电极系统由导向电极3和柔性电极1(图5)构成，相对设置的两个导向电极3置于结晶器型腔2内，且与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm，导向电极3采用数控折弯钢管，柔性电极1材质采用砂型铸件，导向电极3和柔性电极1均采用铸件要求的材料制造，柔性电极1截面为矩形或者圆形的棒材，采用气刨或其他开槽方式在需要弯曲的位置在弯曲方向两侧加工出两个角开口16，减小弯曲位置电极截面尺寸，使柔性电极1能够弯曲，柔性电极1可在相对设置的两个导向电极3之间受到导向通道5的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
51.实施例2
52.如图2
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1所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质zg06cr13ni4mo，设计铸件随型结晶器4中采用与随型固定电极6为一体的导向电极3和柔性电极1(图7)，两个随型固定电极6相邻侧分别铸造一个凸起限位用的导向钢板，相对应的两个导向钢板构成导向电极3，随型固定电极6和导向电极3共同围成一个可供柔性电极1输送的导向通道5，随型固定电极6、导向电极3和柔性电极1均位于结晶器型腔2内，且随型固定电极6、导向电极3与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm，导向电极3和块状电极10材质均采用铸件材质，钢板11材质与铸件材质相同，经计算得出钢板11材质为铸件材质，导向电极3采用与随型固定电极6一体砂型铸造方式制造，块状电极10采用砂型铸造成长方体的棒材后切割，尺寸为100mm
×
200mm
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100mm。钢板11采用5mm热轧钢板，采用焊接的形式将块状电极10和钢板11依次连结，相邻两个块状电极10间距为5～20mm，使柔性电极1在结晶器型腔2位置可以充分弯曲，柔性电极1制备完成后，可在相对设置的两个导向电极3之间受到导向通道5的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
53.实施例3
54.如图2
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2所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质为zg06cr13ni5mo，设计铸件随型结晶器4中采用与随型固定电极6为一体的导向电极3和柔性电极1(图8)，两个随型固定电极6相邻侧分别焊接一个凸起限位用的导向钢板(可以间隔焊接)，相对应的两个导向钢板构成导向电极3，随型固定电极6和导向电极3共同围成一个可供柔性电极1输送的导向通道5，随型固定电极6、导向电极3和柔性电极1均位于结晶器型腔2内，且随型固定电极6、导向电极3与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm，导向电极3、带通孔块状电极13和钢棒12的材质均采用铸件材质，导向电极3采用与随型固定电极6一体砂型铸造方式制造，采用拉拔方式制造成截面为圆形φ20mm的钢棒12，带通孔块状电极13采用砂型铸造成长方体的棒材后切割、开孔，完成的电极切割成50mm
×
150mm
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150mm的块状，并在中心位置开设通孔，得到带通孔块状电极13，用钢棒12依次串联带通孔块状电极13，并在接口处焊接，防止熔铸过程中脱落，相邻两个带通孔块状电极13间隙为5～20mm，柔性电极制备完成后，可在相对设置的两个导向电极3之间受到导向通道5的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
55.实施例4
56.如图3所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质为zg06cr16ni5mo，设计铸件随型结晶器4中采用方管结构导向电极3和成排柔性电极14(图9)，导向电极3置于结晶器型腔2
内，且与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm，导向电极3与随型固定电极6之间局部焊接成为一体。导向电极3与成排柔性电极14均与铸件同材质，导向电极3为普通无缝钢管，经过冷弯拼焊工艺使钢管与结晶器型腔2随型，成排柔性电极14由三根拉拔成型φ5mm棒状电极点焊而成，每隔500mm点焊一次，防止成排柔性电极14在导向通道5中散开堆积，成排柔性电极14制备完成后，可在导向电极3内受到导向通道的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
57.实施例5
58.如图3所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质为zg06cr16ni5mo，设计铸件随型结晶器4中采用方管结构导向电极3和层状柔性电极17(图11)，导向电极3置于结晶器型腔2内，且与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm，导向电极3与随型固定电极6之间局部焊接成为一体。导向电极3与层状柔性电极17均与铸件同材质，导向电极3为普通无缝钢管，经过冷弯拼焊工艺使钢管与结晶器型腔2随型，层状柔性电极17由八层厚度为2mm带状电极点焊而成，每隔500mm点焊一次，防止层状柔性电极17在导向通道5中散开堆积，层状柔性电极17制备完成后，可在导向电极3内受到导向通道的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
59.实施例6
60.如图4所示，铸件为混流式水轮发电机叶片，材质为zg06cr13ni5mo，设计铸件随型结晶器4中采用开设方孔的随型固定电极6和钢丝束柔性电极15(图10)，该方孔周围形成导向电极3(见图4中的虚线部分)，导向电极3与随型固定电极6为一体结构，导向电极3中设置钢丝束柔性电极15，钢丝束柔性电极15与随型固定电极6之间形成导向通道5，随型固定电极6为砂铸成型。随型固定电极6与结晶器型腔2内壁之间保持安全距离5～50mm。随型固定电极6与铸件为同材质，钢丝束柔性电极15的材质为0cr18ni9，通过计算分配随型固定电极6和钢丝束柔性电极15的重量比例，使两者混合后的化学成分为铸件的要求成分范围。钢丝束柔性电极15由若干钢丝编织而成，根据铸件尺寸及要求，钢丝束柔性电极15为φ40mm钢丝束，在钢丝束局部位置进行焊接，防止钢丝束柔性电极15在导向通道松散堆积，影响熔铸及最终铸件的质量。钢丝束柔性电极15制备完成后，可在随型固定电极6内受到导向通道5的约束而自适应变形，沿导向通道5向熔铸区输送，完成电渣熔铸过程。
61.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。