高溫平板
閘閥是煉油催化裂化裝置上的重要設(shè)備之一，工作于700~800℃、1~2MPa的石油煙氣中。其閥體材質(zhì)為ZG1Cr18Ni9，毛坯重2150kg，澆注總重3342kg，形狀復(fù)雜（如圖1）。由于在高溫高壓的腐蝕介質(zhì)中工作，因此對其鑄造質(zhì)量有很高的要求，以防在高溫下發(fā)生油氣滲漏而造成質(zhì)量事故。
但由于該閥體結(jié)構(gòu)特殊，對其鑄件的致密性始終沒能得到很好地解決，試壓時經(jīng)常出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是產(chǎn)品在使用過程中時常發(fā)生泄員問題，造成質(zhì)量事故。作者在原有鑄造工藝基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的鑄造工藝模擬軟件，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，通過鑄造過程溫度場和流動場的模擬分析，前后三次對鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，基本消除了閥體曾經(jīng)出現(xiàn)的縮孔、縮松等鑄造缺陷，實(shí)現(xiàn)了閥體試壓無泄漏。
一、問題提出
該件原有的鑄造工藝見圖2，主要特點(diǎn)是四個法蘭采用立澆工藝，由4個明冒口分別對其進(jìn)行補(bǔ)縮，同時在閥體的中間頂部，采用一個暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。澆注系統(tǒng)采用階梯式，即4個法蘭底部各進(jìn)一條澆道，中間分型面處又設(shè)立4條澆道，以保證鋼液的充型平穩(wěn)。
但鑄件在機(jī)加工時，4個法蘭尤其是2個回法蘭鉆孔時，在圓孔內(nèi)會發(fā)現(xiàn)一些近似孔洞類的鑄造缺陷。在水壓試驗(yàn)時，有近1/4的圓孔發(fā)生滲漏現(xiàn)象。從表征來看，這些缺陷要么是氣孔，要么是疏松。在此前，工藝人員認(rèn)為此缺陷是氣孔所致，并采取相關(guān)措施進(jìn)行預(yù)防，如改用容易烘干的田基涂料、增強(qiáng)烘于措施等，但幾乎沒有太大的效果。因此，我們認(rèn)為該缺陷主要是由于疏松所致，并就此進(jìn)行了攻關(guān)。
二、原因分析
1、理論分析
從鑄件結(jié)構(gòu)來看，該件的四個法蘭都是立式澆注。由于只能設(shè)置頂胃口，因此只能對法蘭頂部實(shí)現(xiàn)局部補(bǔ)縮。當(dāng)鋼液凝固時，由于冒口補(bǔ)縮通道狹窄，導(dǎo)致法蘭的中下部存在孤立區(qū)。這些部位只能實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，在凝固后最終形成軸線性疏松。在用體交結(jié)的口環(huán)處存在較大熱節(jié)，該部位甚至?xí)纬煽s孔缺陷。
從鑄造工藝來看，階梯式澆注系統(tǒng)不利于鑄件的順序凝固。由于用液是從鑄件底部進(jìn)入，使先注入的鋼波最后填充到了冒口之中。這部分鋼液溫度較低，而最后充入法蘭底部的鋼液溫度較高，這樣形成了負(fù)的溫度梯度（即冒口溫度低，鑄件溫度高）。因此，胃口對鑄件無法實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)縮，加劇了疏松和縮孔的形成。
2、鑄造CAE數(shù)值分析
A、鑄造CAE軟件簡介
鑄造CAE是以傳統(tǒng)的鑄造工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，運(yùn)用傳熱學(xué)、流體學(xué)和數(shù)值分析理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，對鑄造工藝進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的軟件。其作用主要是：通過精準(zhǔn)逼真的三維建模，提高了工藝人員對鑄件實(shí)體的形象認(rèn)知，為下一步確定科學(xué)合理的鑄造工藝打下了良好的基礎(chǔ)；準(zhǔn)確計(jì)算鑄件、澆督系統(tǒng)的重量及工藝出品率，為煉鋼生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的產(chǎn)量目標(biāo)，同時也提高了冶煉鋼液的利用率；通過流動場的模擬，預(yù)測澆注系統(tǒng)、澆注溫度的設(shè)計(jì)合理性，并預(yù)測充型過程中可能出現(xiàn)的冷隔、沖砂、粘砂等缺陷；通過溫度場的模擬，判斷整體工藝設(shè)計(jì)、冒口補(bǔ)績效果及其它部位的凝固狀況，有效預(yù)防鑄件的縮孔、縮松缺陷，根除了因設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確造成胃口太大而導(dǎo)致的鋼波浪費(fèi)狀況，進(jìn)一步提高了工藝出品率。其工藝流程如圖3。
本文采用華鑄CAE軟件對PZ900閥體的原鑄造工藝及改進(jìn)后工藝，分別進(jìn)行了純溫場、流動場以及純溫場和流動場耦合后的數(shù)值模擬分析。
B、原工藝純溫場的計(jì)算分析
純溫場模擬，是指鋼液在“瞬間充型、瞬間凝固”的理想條件下，在短時間（一般為幾分鐘）內(nèi)即可完成數(shù)值計(jì)算，對鑄件的凝固收縮分析有一定的指導(dǎo)意義。圖之為原工藝在冒口進(jìn)行后期補(bǔ)縮時刻的凝固狀況。綠色代表已凝固部分，紅色部分表示尚未凝固的液態(tài)。由圖可知，5個冒口尚未完全凝固，但4個法蘭以及口環(huán)處存在與冒口斷開但尚未凝固的區(qū)域（即孤立區(qū)），冒口對這些孤立區(qū)無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，最終在此處形成縮松，造成閥體在壓力下產(chǎn)生泄漏。此結(jié)論與前面理論分析完全一致。
C、原工藝流動場與純溫場耦合后的計(jì)算分析
該過程是計(jì)算機(jī)在鋼液邊流動充型、邊傳熱凝固的條件下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于邊界條件復(fù)雜，計(jì)算時間較長（該件需要16h）。由于考慮了鋼液充型時的傳熱因素，模擬結(jié)果與實(shí)際非常接近。圖5表明，該件4個法蘭的中下部及口環(huán)處存在孤立區(qū)，這些部位最終會產(chǎn)生疏松。
三、工藝改進(jìn)及模擬分析
為了實(shí)現(xiàn)法蘭的順序凝固，消除口環(huán)處的熱節(jié)效應(yīng)，使冒口對鑄件充分補(bǔ)縮，最終確保鑄件組織致密，根據(jù)上述模擬結(jié)果，對原工藝進(jìn)行了以下改進(jìn)。
首先，為實(shí)現(xiàn)法蘭的順序凝固，采用外冷鐵對4個法蘭的中下部進(jìn)行激冷，如圖6所示。在工藝設(shè)計(jì)時合理選用冷鐵板的厚度和結(jié)構(gòu)，使其在發(fā)揮激冷作用的同時，避免法蘭表面產(chǎn)生冷隔和裂紋缺陷。由于冷鐵的激冷作用，使法蘭的中下部首先凝固，上部隨后凝固，冒口最后凝固，這樣便使鑄件實(shí)現(xiàn)了較為理想的順序凝固，消除了同時凝固容易出現(xiàn)的疏松缺陷。
設(shè)置冷鐵后鑄件的溫度場與流動場耦合凝固模擬，見圖7。
模擬可知，工藝改進(jìn)后4個法蘭的中下部首先凝固，上部可由冒口補(bǔ)縮，這樣實(shí)現(xiàn)了順序凝固，消除了疏松缺陷。但口環(huán)處的熱節(jié)依然存在，需進(jìn)一步采取措施。
為消除口環(huán)處的熱節(jié)效應(yīng)，造型制芯時在此處設(shè)置蓄熱系數(shù)大、易導(dǎo)熱的鉻鐵礦砂（或鋯英砂），使此處由以前的最后凝固轉(zhuǎn)向與其相連的薄壁部位同時凝固，盡可能的消除縮松缺陷。
原工藝澆注系統(tǒng)下的溫度場與流動場耦合模擬的“鑄件色溫圖”，如圖8所示。此工藝的澆注系統(tǒng)使整個鑄型形成了負(fù)的溫度梯度（紅色代表低溫，綠色代表高溫），與前面理論分析相一致。很顯然，這樣很不利于鑄件的順序凝固，冒口也發(fā)揮不了應(yīng)有的補(bǔ)縮作用。為此，我們設(shè)置了兩套澆注系統(tǒng)，即從暗冒口處增加一條直澆道，再由暗冒口分別通向4個明冒口。實(shí)際澆注時，鋼液先從原工藝澆注系統(tǒng)進(jìn)入，當(dāng)鋼液充滿鑄件后，立即改從冒口澆注，這樣使高溫鋼液最后充入冒口，實(shí)現(xiàn)了負(fù)溫度梯度向正溫度梯度的逆轉(zhuǎn)，也使鑄件實(shí)現(xiàn)了順序凝固。（限于軟件限制，無法實(shí)現(xiàn)雙澆注系統(tǒng)的模擬）圖9為改進(jìn)后工藝措施示意圖。
四、效果分析
在實(shí)際生產(chǎn)中，先后三次對改進(jìn)后的工藝逐步進(jìn)行了實(shí)施。實(shí)踐表明：每一次工藝改進(jìn)鑄件質(zhì)量都有顯著的提高。尤其是最近一次生產(chǎn)的閥體，完全采用了上述工藝，在機(jī)加工鉆孔時各法蘭螺紋孔及光孔內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)任何疏松或縮孔缺陷；煤油滲漏檢查時沒有發(fā)現(xiàn)滲漏；2MPa壓力、10min水壓試驗(yàn)時也未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，試壓一次性合格。
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