凝固模拟技术在铸钢件上的应用研究

凝固模拟技术在铸钢件上的应用研究

仲涛  ,陈军利 

  中车大连机车车辆有限公司铸锻分公司

摘要：将现成的软件FT-STAR应用于某电机厂，对铸钢件的凝固过程和铸模填充的数值模拟，有助于工厂预测大型铸钢件的气孔缺陷和缩松，为工厂优化铸钢提供技术支持，但在应用中发现一些软件缺陷，为促进铸件充型凝固技术的持续发展，本文分析了凝固模拟技术在铸钢件上的应用分析。

关键词：凝固模拟技术；铸钢件；应用研究

迄今为止，新铸件的质量已通过试铸得到充分验证，大型铸钢多为小批量生产，与普通铸钢一样反复调整工艺，浪费非常严重。利用凝固数值模拟技术，找出缺陷形成的区域，对大型铸钢件的铸造过程进行分析，，缩短产品的试制周期，优化工艺设计，降低制造成本。某铸造分公司产品多为汽轮机、水轮机、发电机等电力设备的铸件，一般为大型铸钢件，产量小。以前，流程设计主要是经验性的，如果设计不合理，就会产生浪费，或者全部报废或耗费大量人力物力修复，造成严重浪费。在实际生产中伴随铸件分析软件的发展，及其逐步应用，科学技术为古老的铸造业带来了生机。本文根据工厂实际情况，使用模拟分析软件FT-STAR对典型铸件的原有工艺进行优化，制定新产品的最优工艺方案，为工厂带来经济效益的开展。

一、凝固模拟的意义

决定产品质量的主要环节是金属凝固和铸造过程，一直受到工程技术师的深入研究和密切关注，以及材料工程领域和金属材料的科学发展。但由于影响因素多，过程复杂，迄今为止对其客观规律尚未达成广泛统一的认识，对许多现象和机制存在不同的看法。近年来，计算机数值模拟技术迅速发展并得到广泛应用，在许多工程领域取得了经济效果和显着的技术。在铸造领域和金属的凝固也越来越显示出巨大的优势，其他研究和测试方法预测和预防各种缺陷，揭示凝固过程的规律，提高产品质量和节省资金，优化铸造工艺、生产成本。铸造工艺的设计在大批量生产的铸件和大型复杂铸件中，成为铸造工艺的重要组成部分，但是工艺错误也会造成重大的经济损失。所以，成功的铸造工艺设计往往需要一次性成功。铸造生产中的金属凝固过程与许多缺陷密切相关，凝固过程和熔融金属填充的数值模拟允许对铸件进行虚拟铸造，并对整个铸造过程进行计算机模拟，从而允许在不同的时间点工艺设计人员创建速度场、熔融金属流动模式等，在凝固过程和充型过程中，凝固顺序、铸造温度场、凝固后铸件的粒度和形貌、不同时间枝晶骨架前表面的热应力等，在预测铸件中可能存在缩松、缩孔等铸造缺陷。因此，提出一定的冷隔、气孔率、偏析等相应的工艺改进措施，将铸造工艺由基于经验的定性设计转变为科学定量设计，这样在保障财力的同时，优化了物力、多项人力等，增强了产品的市场竞争力，凝固数值模拟技术缩短了产品从设计到应用周期的时间，凝固数值模拟技术降低制造成本30%，可提高材料利用率20%，缩短试验生产周期40%，经济效益巨大。

二、应用实例

（一）活动导叶体

水轮附件为活动导叶体，10.6t为质量，ZG20MnSi为材质，水玻璃石英砂型采用冷铁铸造。40x 20x40(mm)为网格尺寸，202917为计算单元总数，40小时为计算时间。仿真结果表明，缩松和缩孔均在立管和储渣槽内，活动导叶不存在缩松和缩孔，从温度场分布也可以看出，铸件最终凝固部分在冒口下方，供应条件良好。该铸件工艺较为成熟，由于是某电气集团铸造厂长期生产的产品，仿真主要是验证FT-STAR软件的准确性，模拟结果显示与仿真结果是一致的，在实际生产中，用户对仿真结果非常满意。

（二）接力汽缸

接力汽缸要求致密性高和铸件材料的均匀性高，是压力容器部件。1.3t为质量，ZG20MnSi为材质，水玻璃石英砂型，该铸件的制造工艺为该电机厂的试制工艺。温度场分布和接力汽缸流场合理，底部缩孔缺陷较多，立管下缩孔较低，无缩孔，两立管间缩孔较高，表明补缩距离不够。实际生产中，所有接力汽缸试件试压零件相同，都有泄漏现象，模拟结果可以得到确认。

（三）轴瓦

ZG230-450为轴瓦材质，870公斤为每件重量，为水玻璃石英砂型。这种铸件有两种制造工艺，一种是设计的工艺方案，一种是东邦电机工厂的新原型工艺，轴瓦两种工艺方案的计算结果：缩孔全部在冒口内，铸件无缩孔，这两个进程是全新的，尚未进行创建，通过凝固数值模拟技术进行模拟，让工艺设计人员对新型工艺的情况有所了解。

三、程序的改进

凝固数值模拟技术程序在应用过程中，也发现了一些问题。因此需要结合实际使用，希望对凝固数值模拟技术软件进行如下改进：首先，可变步长提供冷铁挂砂工艺剖面计算。其次，流场模拟考虑多芯注射工艺。第三，如何将缺陷检测标准与缩孔尺寸和量化相结合。第四，大型铸钢件的补充浇注工艺。第五，对流和辐射。第六，流场计算对话框提供更全面的文件浏览效果查看。第七，浇注冒口和铸件的质量统计。第八，凹坑工艺的影响。针对工厂和这些问题的实际需求，凝固数值模拟技术软件开发从以下几个方面进行了改进。

（一）铸件和浇冒口质量统计

由于浇注冒口和铸件的质量统计对于工艺制定非常重要，因此，以前的质量统计既繁琐又不准确，依赖于经验估计或人工计算。使用凝固数值模拟技术软件进行网格分割，网格文件质量统计按照预设的密度运行，得到浇注冒口和铸件的质量。此外，AF-SOL1D SYSTEM等国外软件增加了一个通用模块进行权重估计，如果知道密度、网格大小、网格数等这三个数据，就可以知道砂芯、冷铁、铸件等的质量。在“文件信息”对话框中，指定密度并读取网格大小和网格编号，以编程方式可以根据这三个值计算铸件的质量。

（二）大型铸钢件补浇工艺

对于大型铸钢，一种常用的工艺是补浇。从历史上看，缩孔和缩松的预测以及温度场的数值模拟，主要基于传统的常见铸造工艺，例如低压铸造和砂型铸造。一些特殊的砂型铸造工艺，如辅助铸造，往往因为被忽视和简化方法而造成较大的误差。在工厂通过应用凝固数值模拟技术FT-STAR软件，编写了相应的程序，了解了重铸工艺的一般适用性，解决了铸造工艺的特殊边界条件，模拟了温度场预测孔隙率和缩松缩孔。

（三）对流和辐射效应的更全面的看法

在已有的铸件落砂过程和凝固过程的计算机模拟的基础上，仔细考虑了凝固过程中的热传导，以及对流和辐射对落砂空冷前后凝固过程中传热的影响，铸造过程中，将开发一种热辐射和热对流的综合计算程序方法。

结束语

综上所述，通过在工厂实际应用铸造凝固数值模拟技术软件FT-STAR，对改进设计新工艺和原有工艺起到了极好的引领和辅助作用。凝固数值模拟技术的广泛应用可以产生显着的经济效益，以及可以节省工厂成本。同时，凝固数值模拟技术软件可以随时发现应用程序中的问题，让凝固数值模拟软件开发人员和设计人员，

通过应用程序了解缺陷，并继续进行分析和改进，以促进铸件填充和凝固技术不断发展。因此，实际的工业应用可以在两个方向上激发科研部门和工厂的工作。

参考文献：

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