大型不銹鋼球閥熔模鑄造工藝優(yōu)化
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楊勝男1 吳文云1 汪東紅1 曹陽根1,2
（1．上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院；2．上海信適智能科技有限公司）
摘要大型不銹鋼汽輪球閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，存在孤立熱節(jié)，熔模鑄造時(shí)存在局部縮松。借助Pro CAST軟件，在分析原有工藝方案的基礎(chǔ)上，對(duì)澆冒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并采用特殊方法引入鑄造冷鐵，使鑄件實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固，成功消除了球閥鑄件孤立熱節(jié)處的縮松缺陷，提高了產(chǎn)品的合格率。
關(guān)鍵詞 球閥；熔模鑄造；Pro CAST；工藝優(yōu)化
中圖分類號(hào) TG142. 71; TG249.5 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 018
球閥是近年來被廣泛采用的一種新型閥門，通過帶有圓形通道的球體作啟閉件，球體隨閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟閉功能。對(duì)輸送化工產(chǎn)品的管道，要求有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，希望閥內(nèi)流道表面粗糙度低，以提高其抗腐蝕能力。傳統(tǒng)的砂型鑄造無法達(dá)到此技術(shù)要求，通常需要采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)。
對(duì)于大型復(fù)雜球閥，閥體壁厚不均、熱節(jié)多，極易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷。閥體結(jié)構(gòu)一般不允許進(jìn)行較大更改；確定的閥體材料，其澆注工藝參數(shù)可變范圍也很小。產(chǎn)品通常需要通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品的合格率。某超大型不銹鋼汽輪球閥，內(nèi)部品質(zhì)要求極高，需要進(jìn)行耐水壓測(cè)試，閥門體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差異大，存在孤立熱節(jié)，局部常出現(xiàn)縮松缺陷，成品率低。本課題利用Pro CAST軟件對(duì)其澆冒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用特殊方式設(shè)置冷鐵，以期解決產(chǎn)品的縮松問題，提高產(chǎn)品合格率。
1球閥結(jié)構(gòu)及澆注方案分析
1.1球閥結(jié)構(gòu)
圖1為汽輪用超大型不銹鋼球閥的三維模型。該鑄件材質(zhì)為CF8M不銹鋼，最大外輪廓尺寸為500 mm×448 mm×265 mm，質(zhì)量為70 kg，平均壁厚為15 mm，球閥中間閥體部分內(nèi)外兩壁間距小，并且閥體底部含有厚大熱節(jié)，特別是含有兩個(gè)孤立熱節(jié)，熱節(jié)處不允許有任何孔洞缺陷，閥門底座為大平面結(jié)構(gòu)。該鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于典型的多熱節(jié)鑄件。
1.2現(xiàn)用工藝方案分析
球閥閥體采用頂注式澆注系統(tǒng)，雙明冒口，見圖2。優(yōu)點(diǎn)是液態(tài)金屬從鑄型型腔頂部引入，在澆注和凝固過程中，鑄件上部的溫度高于下部，有利于實(shí)現(xiàn)自下而上順序凝固，能夠有效地發(fā)揮頂部冒口的補(bǔ)縮作用；液流流量大，充型時(shí)間短，充型能力強(qiáng)；造型工藝簡(jiǎn)單，澆注系統(tǒng)和冒口消耗金屬少，澆注系統(tǒng)切割清理容易。但是，球閥閥體內(nèi)部厚大熱節(jié)處縮松嚴(yán)重，見圖3。
利用Pro CAST軟件對(duì)現(xiàn)用方案的澆注過程進(jìn)行模擬分析，型殼和鑄件之間的傳熱系數(shù)為1 000W／(m2．K)；澆注溫度為1 550℃；冷鐵溫度為30℃，型殼焙燒溫度為950℃；充型速度根據(jù)澆口面積和充型時(shí)間計(jì)算得到。圖4為充型完成的固相率，可以看出閥體底座凝固最徹底，其次是閥體側(cè)壁，而內(nèi)閥體側(cè)壁與底部交接處仍為液相區(qū)，這樣的獨(dú)立液相區(qū)凝固完成后易形成縮松。圖5為模擬球閥凝固完成后縮松的分布�？梢钥闯�，在兩孤立熱節(jié)得不到補(bǔ)縮，出現(xiàn)了較大的縮松，同時(shí)在其他熱節(jié)處也出現(xiàn)小范圍的縮松、縮孔，與鑄件實(shí)際情況符合。
2 工藝方案分析與優(yōu)化
鑄造冷鐵具有高的導(dǎo)熱性和蓄熱性，并有較強(qiáng)的激冷作用，如能安放在鑄件熱節(jié)處，可有效地防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。但是熔模鑄造的型殼在澆注前要經(jīng)過1 000 ℃左右的焙燒，冷鐵經(jīng)高溫焙燒后會(huì)產(chǎn)生氧化皮。澆注時(shí)氧化皮掉入型殼內(nèi)，會(huì)形成夾雜物。若用耐高溫的不銹鋼冷鐵，澆注后附在鑄件上很難加工且不能循環(huán)使用，而且還增加了制造成本�；诖�，采用從球閥底座引入鋼水，球閥上端倒置于4個(gè)外置冷鐵上。這種冷鐵設(shè)置一定的錐度，預(yù)先放置于指定位置，等型殼焙燒后再放置于冷鐵上面，型殼與冷鐵間間隙小，鋼水
澆注后，快速凝固而不會(huì)流出。這種外置冷鐵避免了內(nèi)冷鐵生銹、高溫氧化而與鋼水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也能起到激冷作用。見圖6。
利用Pro CAST軟件對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬分析，鑄造過程中的凝固順序見圖7。由圖7可見，與冷鐵相連接的閥體上端部在冷鐵的激冷作用下，最先凝固，然后是閥體側(cè)壁及薄壁底座，最后是澆道，整體呈現(xiàn)從下至上的凝固順序，冒口的金屬液從上往下補(bǔ)縮通道暢通。由于兩孤立熱節(jié)處設(shè)有澆口，并與兩直澆道相接，直澆道的模數(shù)比球閥內(nèi)部?jī)蓚�(gè)孤立熱節(jié)處大，補(bǔ)縮作用明顯，結(jié)果顯示有效消除了熱節(jié)處的縮松，見圖8。
3 生產(chǎn)驗(yàn)證
按原有生產(chǎn)過程用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案進(jìn)行生產(chǎn)。重新制作蠟?zāi)�、型殼，冷鐵預(yù)先放置于地面指定位置，焙燒好的型殼置于冷鐵上，使冷鐵的錐面與型殼的錐孔無縫對(duì)接后進(jìn)行澆注。批量生產(chǎn)后抽樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鑄件的合格率明顯提升。
4 結(jié) 語
通過澆冒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在孤立熱節(jié)處設(shè)置冷鐵，實(shí)現(xiàn)了從下到上的溫度梯度，使鑄件達(dá)到自下而上的順序凝固，避免了較大孤立熱節(jié)，有效消除了鑄件關(guān)鍵部位的縮松缺陷，提高了產(chǎn)品合格率。
