孫晶瑩，張玉妥，胡小強(qiáng)，康秀紅

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

大型超臨界閥體鑄件是超臨界火電機(jī)組中的一個(gè)關(guān)鍵部件。目前我國(guó)的發(fā)電方式主要以火力發(fā)電為主，然而火力發(fā)電的煤耗大，對(duì)空氣污染嚴(yán)重。因此為了節(jié)能減排、降低供電煤耗，火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)由亞臨界提高到超臨界、超超臨界。然而超臨界、超超臨界的蒸汽壓力大，溫度高，這導(dǎo)致閥體鑄件需要在長(zhǎng)期高溫、高壓的環(huán)境下服役，這對(duì)于其鑄件質(zhì)量提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。如果鑄造的工藝設(shè)計(jì)得當(dāng)，鑄件的質(zhì)量完好，將大大提高鑄件的使用壽命，以達(dá)到節(jié)約成本和縮短生產(chǎn)周期的目的。

傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)多數(shù)基于鑄造手冊(cè)和依靠經(jīng)驗(yàn)“試錯(cuò)”，會(huì)導(dǎo)致澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，尺寸設(shè)計(jì)不合理，這樣不但造成材料浪費(fèi)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，還容易引起夾渣、氣孔、粘砂、裂紋等多種鑄造缺陷。近些年，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的設(shè)計(jì)理念，Campbell［1－2］提出了通過(guò)等流量原則來(lái)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的理念，通過(guò)嚴(yán)格控制充型速度，避免金屬液飛濺而產(chǎn)生紊流來(lái)提高鑄件的生產(chǎn)質(zhì)量。

最近幾年，計(jì)算機(jī)工藝模擬技術(shù)發(fā)展迅速［3－4］，通過(guò)模擬的結(jié)果，可以直觀地觀察到金屬液充型過(guò)程中的流體運(yùn)動(dòng)情況，以及凝固過(guò)程中鑄件各處溫度場(chǎng)變化的情況。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以輔助工藝人員設(shè)計(jì)鑄造工藝，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)缺陷可能產(chǎn)生的位置，從而對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。本文針對(duì)大型閥體鑄件，根據(jù)等流量原則設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)，通過(guò)Procast模擬軟件對(duì)閥體鑄件的充型和凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，驗(yàn)證了閥體鑄件工藝的合理性，從而達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

1 閥體工藝分析

閥體的鑄件形狀如圖1a所示，三通結(jié)構(gòu)，鑄件重約1噸，最大壁厚40mm，最小壁厚15mm，材質(zhì)為C12A鑄鋼，C12A是一種馬氏體耐熱鋼，鋼液的粘度大，流動(dòng)性較差，從鑄件結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的特點(diǎn)分析，要生產(chǎn)出合格鑄件，需注意以下問(wèn)題:(1)三通閥體屬于厚大鑄件，如果充型速度過(guò)快，液態(tài)金屬易產(chǎn)生噴濺、湍流而形成氣孔、夾渣等缺陷。(2)該閥體為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為方便造型，將橫澆道和內(nèi)澆道設(shè)在分型面上，為保證鑄件各處溫度均勻，溫降不至于過(guò)大，應(yīng)采用多內(nèi)澆口澆注。因此要求合理的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和冒口的位置。

Campbell和李殿中等人［5－6］對(duì)無(wú)氣隙隨流型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究，無(wú)氣隙隨流型澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是根據(jù)等流量原則設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)各截面尺寸，將充型速度控制在0.5m/s以?xún)?nèi)，以保證金屬液平穩(wěn)充型，不產(chǎn)生湍流，避免卷渣、卷氣。因此，此閥體根據(jù)等流量原則設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)各部分的截面積，采用底注式澆注系統(tǒng)，底注式澆注是保證平穩(wěn)充型的前提，冒口設(shè)計(jì)運(yùn)用明暗冒口相結(jié)合的方式，以保證冒口的補(bǔ)縮效果。

根據(jù)等流量原則設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的尺寸，為使充型過(guò)程中鑄件各處溫度均勻，在鑄件底部設(shè)置4個(gè)內(nèi)澆口，內(nèi)澆口的尺寸根據(jù)等流量原則計(jì)算。根據(jù)鑄件的體積和實(shí)際的澆注時(shí)間，計(jì)算出平均流量Qm(m3/s)，初始流量Qin為平均流量的1.5倍。內(nèi)澆口面積的計(jì)算公式為

式中:Qin為初始流量;A為內(nèi)澆口的總面積;v為內(nèi)澆口的充型速度，設(shè)定為0.5m/s。

2 閥體鑄件的充型凝固過(guò)程模擬

用ProE軟件對(duì)閥體鑄件進(jìn)行三維造型，如圖1a所示。運(yùn)用ProE中的面網(wǎng)格剖分功能進(jìn)行面網(wǎng)格剖分，存成ans格式文件，再將ans格式文件導(dǎo)入到Procast中進(jìn)行體網(wǎng)格剖分，本次模擬將網(wǎng)格剖分為30萬(wàn)個(gè)單元，如圖1b所示。本次模擬鑄件材料為一種馬氏體耐熱鋼，鑄型為樹(shù)脂砂，冷鐵為低碳鋼，冒口套為保溫材料;澆注溫度設(shè)定為1620℃，環(huán)境溫度為25℃，澆注時(shí)間為30s。

圖1 閥體鑄件三維模型

2.1 閥體鑄件充型過(guò)程模擬結(jié)果

圖2為充型過(guò)程流場(chǎng)模擬的結(jié)果，圖2a為充型5s時(shí)的流場(chǎng)，可以觀察到金屬液平穩(wěn)地由內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件型腔，金屬液前沿沒(méi)有產(chǎn)生噴濺和散流，金屬液液面在型腔中穩(wěn)定上升，有利于夾渣和氣體的上浮。充型15s時(shí)，如圖2d所示，金屬液上升到冒口處，充型平穩(wěn)，鑄件邊緣有部分金屬凝固。根據(jù)充型過(guò)程的溫度場(chǎng)的變化可以判斷是否產(chǎn)生冷隔和澆不足缺陷。圖2f為充型結(jié)束時(shí)溫度的變化，可以看出充型過(guò)程中溫度下降很多，但是沒(méi)有降到液相線以下，不會(huì)產(chǎn)生澆不足和冷隔缺陷。

圖2 閥體鑄件充型過(guò)程模擬

2.2 閥體鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果

鑄件凝固過(guò)程是指高溫液態(tài)金屬由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，鑄件會(huì)發(fā)生傳熱、相變、凝固收縮和自然對(duì)流等物理現(xiàn)象。鑄件的縮孔、疏松、熱裂、變形及表面粘砂等缺陷都在凝固過(guò)程中產(chǎn)生。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，可以觀察到凝固過(guò)程中不同時(shí)刻鑄件各部位溫度的變化，并預(yù)測(cè)縮孔、疏松可能產(chǎn)生的位置，為工業(yè)生產(chǎn)提供合理的工藝參數(shù)。

圖3 閥體鑄件凝固過(guò)程模擬

圖3a為閥體鑄件凝固到6000s時(shí)凝固份數(shù)的模擬結(jié)果，從圖中可知鑄件已經(jīng)完全凝固，冒口為最后凝固部位，最后熱節(jié)全部在冒口中，因此可以實(shí)現(xiàn)順序凝固。圖3b為鑄件的縮孔疏松模擬結(jié)果，從結(jié)果可以看出，多數(shù)縮孔疏松都集中在冒口和澆道中，之后內(nèi)澆口連接處有部分疏松，因此在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該適當(dāng)減小內(nèi)澆口處的工藝補(bǔ)貼，以避免熱節(jié)產(chǎn)生。

圖4 內(nèi)澆口充型速度

圖4為所監(jiān)測(cè)到的內(nèi)澆口充型速度，其中，1、2曲線分別為靠近直澆道和遠(yuǎn)離直澆道兩個(gè)內(nèi)澆口的充型速度，可以觀察到，金屬液同時(shí)進(jìn)入4個(gè)內(nèi)澆口，遠(yuǎn)端內(nèi)澆口充型速度為0.5m/s，近端內(nèi)澆口的充型速度為0.2m/s，驗(yàn)證了內(nèi)澆口處充型速度小于0.5m/s。這種底注式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充型平穩(wěn)，無(wú)噴濺，有利于夾渣和氣體的上浮。

圖5 鑄件實(shí)體

3 現(xiàn)場(chǎng)澆注結(jié)果

圖5為在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)澆注的鑄件實(shí)體，現(xiàn)場(chǎng)熔煉采用3噸中頻爐進(jìn)行冶煉，澆道所用的材料是耐火陶瓷管，鋼包為底漏包，整個(gè)鑄件的澆注時(shí)間為30s。從澆注結(jié)果看，鑄件的表面光滑、完整，無(wú)粘砂、裂紋等缺陷。經(jīng)過(guò)X射線探傷，鑄件內(nèi)部質(zhì)量完好，無(wú)夾渣、氣孔缺陷，只在內(nèi)澆口上端有兩處小疏松，對(duì)鑄件的質(zhì)量無(wú)影響。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了閥體鑄件的充型及凝固過(guò)程，直觀地觀察到充型過(guò)程中金屬液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和溫度的變化，成功預(yù)測(cè)了縮孔疏松缺陷可能產(chǎn)生的位置。

根據(jù)模擬結(jié)果，確定澆注溫度為1620℃，砂箱預(yù)熱溫度為150℃，在此溫度下澆注可以避免產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷，根據(jù)對(duì)內(nèi)澆口出口處速度監(jiān)測(cè)的結(jié)果，確定四個(gè)內(nèi)澆口澆注的方式，可以保證充型平穩(wěn)，不產(chǎn)生紊流，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，此工藝可以投入生產(chǎn)。

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