基于ProCAST的超临界阀体铸造工艺优化.docx

Vol.35 No.10 Oct. 2014铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGY2431基于 ProCAST 的超临界阀体铸造工艺优化潘安霞(常州轻工职业技术学院，江苏 常州 213164)摘 要：超临界阀体作为超临界发电机组的重要部件，严格控制产品的内部质量是关键。 本文以阀体为研究对象， 确定了阀体的铸造工艺，用 Pro-E 三维设计软件完成了阀体的三维模型设计，对其铸造工艺进行了数值模拟，成功预测 了铸件缩孔、疏松缺陷，并有针对性的提出了工艺改进意见，优化了铸造工艺，成功完成了产品的生产制作。关键词：PROCAST；阀体；工艺优化中图分类号： TG269文献标识码：A文章编号：1000-8365(2014)10-2431-04Optimization on Casting Process for Supercritical Body Based on ProCASTPAN Anxia(Changzhou Institute of Light Industry Technology, Changzhou 213164, China)Abstract： As an important component of supercritical generating units, it is important to control internal quality of supercritical valve body strictly. Taking the valve body as the research object, its casting process was determined using Pro-E 3D design software to complete the design of 3D model of valve body, then the casting process was simulated to predict the shrinkage hole and shrinkage defects successfully, some suggestions were put forward to improve the process technics so as to optimize the casting process, finishing product production.Key words： ProCAST; valve body; casting process超临界汽轮机阀体是超 临界火电机 组的重要 零部件，其产品质量会直接影响机组的安全和正常 运行。 由于该产品要承受高温、高压，因此,对其产品 的技术要求高，除需要满足化学成分及力学性能指 标外，还要对产品内部质量进行超声波、磁粉、射线 探伤检查，防止铸造过程中出现缩孔、缩松等缺陷。 利用铸造分析软件 Procast 模拟阀体的充型，凝固过 程的模拟，以及缩孔、缩松缺陷的分布情况，并利用 模拟情况对阀体铸造工艺进行优化，大大提高阀体 的制造质量 16。1阀体结构特点及工艺图 1 是阀体结构的三维示意图，阀体大体结构 为沿中心对称，由两个相互垂直的环行管相交而成， 材质为 C12A。 轮廓尺寸为：1 630 mm1 332 mm 1 145 mm，环形管孔内径 准920 mm 和 准745 mm，主 体壁厚在 80 mm 左右，铸件净重 3.2 t，毛重 5.9 t。 该 阀体端头和法兰面及部分内圆需要加工，外圆均为 毛坯， 需要全部打磨才能达到要求的表面光洁度。 虽然从设计上看该件结构不算太复杂，但从铸造顺序凝固角度考虑，壁厚均匀的环行结构不利于补缩， 尤其是圆柱相交的位置更是热节集中位置， 这种结 构很难满足如此严格的探伤要求， 需要增加补贴和 外冷铁才能保证质量。图 1 阀体三维示意图Fig.1 Three-dimensional diagram of valve图 2 是阀体的铸造工艺三维示意图。 根据该铸 件的形状结构和内部质量要求高的特点， 进行工艺 设计时首先要考虑能够保证铸件的顺序凝固和良好直浇道冒口内浇道横浇道冷铁收稿日期: 2014-04-22基金项目:江苏省高校哲学社会科学研究基金项目(2012SJB880013) 作者简介: 潘安霞(1971- )，江苏盐城人，副教授. 研究方向：材料加工工程. 电话 2 阀体铸造工艺三维造型Fig. 2 Modeling of casting process for valve2432FOUNDRY TECHNOLOGYVol.35 No.10 Oct. 2014补缩。 该件的特点为三通形状，属于薄壁件，各部位 均不利于补缩， 最难补缩的热节处位于两个圆柱相 贯的部位， 可通过增加补贴的方式使热节处得到补 缩；根据铸件的结构特点以及质量要求，使铸件全面 得到良好补缩，在图 2 位置设置了外冷铁及补贴，使 铸件能够达到顺序凝固； 浇注系统的设计采取单孔 浇注，包孔直径 准60 mm，直浇道直径 准100 mm，横 浇道 2 个，内浇道 4 个，具体设置如图 2 所示。2 数值模拟2.1 网格模型建立完成实体造型后， 在 Pro/E 环境下选取各部分 的 面 网 格 ， 设 置 网 格 剖 分 大 小 剖 分 表 面 网 格 ， 按 ansys 格式输出文件 fatiasm.ans 传递给 ProCAST 进 行体网格划分和分析计算，如图 3 为网格划分后结果。 2.2 参数设定该铸件的材料为 C12A， 浇注温度为 1 560 ， 浇注速度为 1.0 m/s，冷铁和砂型的初始温度为 20 。 铸件与砂型的换热系数取 1 000 W/m2K， 铸件与覆盖剂的换热 系 数 取 500 W/m2K， 铸 件 与 冷 铁 的 换图 3 阀体网格剖分Fig.3 Meshes of valve body热系数取 3 300 W/m2K，冷铁与砂型的换热系数取1 000 W/m2K， 砂 型 与 覆 盖 剂 之 间 的 换 热 系 数 取100 W/m2K。3数值模拟3.1 阀体充型过程分析ViewCAST 模块提供对模拟结果进行形象化的 能力， 图 4 是阀体充型过程中不同时刻的充填顺序 及各部位温度分析结果。模拟结果显示：整个充型过 程为 103 s，在目前的生产条件下，阀体流速适中，充t=4 st=26 st=54 st=80 st=30 s图 4 阀体充型过程模拟Fig.4 The simulation on filling process for valve填过程较为平稳，没有明显卷气夹渣现象。3.2 阀体凝固过程分析图 5 为铸件的凝固过程模拟。模拟结果看出，铸 件自下而上逐层凝固，冒口部分最后凝固，但是在铸 件内有明显的闭合曲线。3.3 阀体的临界固相率分析图 6 是阀体固相率分析的结果。 该法被认为是求产生缩孔缩松的充分条件， 它主要是考虑材料的 固相线温度或者宏观停止流动界限之后， 求出某个 临界固相率的时间变化，如果形成了封闭回路，则认 为那个封闭回路内将产生缩孔、缩松。 也就是说，如 果凝固收缩能流动的范围一直延伸到其他的补缩区 域，则可以得到未凝固的液体金属。 可是，一旦凝固 收缩流能流动的范围已经封闭， 没有液体的位置是铸造技术10/2014潘安霞:基于 ProCAST 的超临界阀体铸造工艺优化2433(a) t=950(b) t=2 700(c) t=5 400(d) t=7 200图 5 阀体凝固过程模拟Fig.5 The simulation on solidification process of valve图 6 阀体临界固相率模拟分析结果Fig.6 Analog and analysis result of FSC 容易出现缺陷的地方， 用一个截面来查看这个区域 的缩孔缩松，可以看到在截面内有明显有闭合曲线，这同时也是和前面的凝固过程 考察 的结果是一 致的，即圆柱相交的位置是铸件热节的地方。3.4 缺陷预测与结果分析通过 viewcast 中的 shrinkage porosity 对阀体各部位的缩孔缩松进行预测。 图 7 中紫色区域表示该部位将产生缩孔缩松。根据模拟结果，按初始工艺方 案， 阀体的圆交接部位存在不同程度的缩孔缩松缺 陷。 分析表明，这是由于该处散热条件不好，导致热 节增大， 使得在铸造工艺上难以建立自补缩末端区 向补缩区的顺序凝固梯度，导致内部出现缩孔缩松。 3.5 实际结果检测图 7 阀体缩孔缩松倾向模拟分析结果Fig.7 Analog and analysis result of shrinkage cavity and shrinkage porosity根据以上对阀体的充型、 凝固过程的模拟以及 缺陷预测结果可知，在所考虑的工艺条件下，铸件内 部将产生不同程度的缩孔、缩松缺陷。通过对实际铸 件进行探伤分析，见图 8，该部位存在超过标准的缩(a) 阀体缺陷探伤结果(b )阀体清理后缺陷图 8 阀体铸件检测结果Fig.8 Valve casting test results孔缩松缺陷。4工艺优化、数值模拟及铸件检测通过对模拟结果及原工艺分析， 主要是冒口对铸件下部的缺陷不能起到足够的补缩作用， 中间缺乏有效的补缩通道， 冒口与铸件下部之间的部位因 壁厚较薄而先凝固， 切断了冒口与铸件下部的补缩 通道，最终造成该部位缩孔缺陷，因此，工艺需重新 进行改进调整，将冒口加长以扩大补缩通道，建立有 利于自补缩端区向冒口方向的顺序凝固梯度， 确保2434FOUNDRY TECHNOLOGYVol.35 No.10 Oct. 2014冒口对铸件的补缩。改进后的工艺见图 9。对改进后的工艺进行数值模拟，根据模拟结果，400阀体的圆交接部位消除了缩孔缩松缺陷。这表明，缩 孔缩松位置充分转移到了冒口内， 铸件上不再出现 这类缺陷。经生产验证，铸件的探伤要求及工艺性能4004008003201 060400650(a) 原工艺冒口大小(b) 现工艺冒口大小(c) 改进后的铸造工艺三维造型图 9 改进后的铸造工艺Fig.9 The improved casting process for valve完全满足铸件的质量要求。5结论通过实践证明， 采用 ProCAST 数值模拟软件， 可以有效预测铸件的缩孔、缩松等缺陷，进而达到优 化工艺的目的， 缩短了工艺准备周期、 降低试制成 本，对实际生产有重要的指导作用。参考文献：1肖荣振，王智平，刘致远，等. 基于 MAGMAsoft 的泵体铸 钢 件铸造工艺设计J. 铸造技术，2008，12(29)：1696-16982李魁盛. 铸造工艺设计基础M. 北京：机械工业出版社，1981.3魏兵，袁森. 均衡凝固技术铸件质量控制M. 北京：机械工业出版社，1998.4 宋迎德，郝海，谷松伟，等.枝晶尖端生长速