凝固模拟技术在铸钢件上的应用

作者：信息来源:模具 2008-6-26

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摘要：通过在东方电机厂铸钢件上应用铸造充型凝固过程数值模拟商品化软件FT-STAR，一方面帮助工厂预测大型铸钢件的缩孔缩松缺陷，给工厂提供技术支持，为优化铸钢件铸造工艺提供科学依据，使工厂节约开支并取得经济效益。另一方面在应用中又发现软件的一些不足之外，...

　摘要：　通过在东方电机厂铸钢件上应用铸造充型凝固过程数值模拟商品化软件FT-STAR，一方面帮助工厂预测大型铸钢件的缩孔缩松缺陷，给工厂提供技术支持，为优化铸钢件铸造工艺提供科学依据，使工厂节约开支并取得经济效益；另一方面在应用中又发现软件的一些不足之外，进行分析改进，促进了铸造充型凝固技术的持续发展。
　　关键词：　数值模拟；铸钢件；缩孔缩松；软件改进
　　中图分类号：TG248,TG26　　　文献标识码：B　　　文章编号：1001-3814(2000)03-0052-03

Application of Solidification Simulation Technology on Cast Steel

1　引言

　　以往，新产品铸件质量完全靠试浇加工后验证。大型铸钢件多为单件小批量生产，若像一般铸件那样反复试验，调整工艺，则浪费十分严重。应用凝固过程数值模拟技术对大型铸钢件的铸造工艺进行分析，找到形成缺陷的部位，从而优化工艺设计，既缩短产品试制周期、又降低生产成本。
　　东方电机股份有限公司铸造分厂的产品大多为水轮机、汽轮机、发电机等动力设备配套的铸件，一般都是大型铸钢件，单件小批量生产。以往工艺设计主要靠经验，如果设计不合理则会造成废品，或全部报废或花大量的力物力进行修补，给工厂带来严重的浪费。随着铸造分析软件的发展及其在实际生产上的逐步应用，科学技术给古老的铸造行业带来了生机。我们针对工厂的实际情况，应用清华大学开发的铸造充型凝固过程模拟分析软件FT-STAR，对几个颇具代表性的铸件的原工艺进行了优化，为新产品制定了最佳工艺方案，为工厂带来了经济效益。

2　充型凝固过程模拟分析软件的功能

　　FT-STAR(铸造之星)(是内铸造领域的主要商品化软件包，其流程图如图1所示。它是在对铸件进行三维几何造型、并将实体离散为有限差分网格单元的基础上，辅之以一定的边界条件和热物性数库，进行三维流场和传热计算，最后根据相应的判据，定量地预测铸件缩孔、缩松等缺陷产生的部位和大小。通过优化铸造工艺来消除和避免缺陷，以达到确保铸件内部质量，获取显著经济效益的目的。

图1 FT-STAR软件功能框图

　　其中几何造型部分选用可输出STL格式文件的造型软件(如CAD/" target="_blank">AutoCAD、MDT、UG、Pro/E等)为三维造型支撑软件。
　　软件主要包括前处理、模拟运算、后处理、热物性数据库等多个功能模块和其它辅助功能。其中前处理包括网格剖分、数据准备等；模拟运算包括流场计算、温度场计算、缩孔缩松预测、铸钢热裂预测、微观组织模拟等；后处理包括计算结果三维动态显示等。目前FT-STAR软件缩孔缩松预测包括两个功能模块：铸钢件缩孔缩松预测模块和铸铁件缩孔缩松预测模块。本文应用铸钢件缩孔缩松预测模块对大型铸钢件的缩孔缩松缺陷进行预测。

3　应用实例

3.1　活动导叶体
　　活动导叶体是水轮机上的配件，材质是ZG20MnSi，质量10.6 t，水玻璃石英砂型加冷铁铸造。计算单元总数202917，网格尺寸40×20×40 (mm)，计算时间40 h，结果如图2。
　　模拟结果表明，活动导叶体无缩孔缩松，缩孔缩松全部位于冒口和积渣槽处。从温度场分布也可看出，铸件最终凝固部位在冒口的下方，补缩条件较好。因该铸件为东方电机股份有限公司铸造分厂期生产的产品，工艺较为成熟，模拟主要是为校验FT-STAR软件的准确性，模拟结果与生产实际相吻合，用户对模拟结果非常满意。
3.2　接力汽缸
　　接力汽缸为压力容器件，对铸件材质的均匀密实性要求很高。材质是ZG20MnSi，质量1.3 t，水玻璃石英砂型，该铸件的生产工艺是东方电机厂的试制工艺，结果如图3。

图2　活动导叶体铸件模拟计算结果

图3　接力汽缸铸件模拟计算结果

　　接力汽缸的流场、温度场分布合理，其下部有较多的缩松缺陷，无缩孔，冒口下面缩松相对较少，两冒口中间缩松相对较多，说明补缩距离不足。实际生产时，接力汽缸试件做压力实验都有渗漏现象发生，且部位相同，也证实了模拟结果

图4　轴瓦铸件工艺方案Ⅰ模拟结果

图5　轴瓦铸件工艺方案Ⅱ模拟结果

3.3　轴瓦
　　轴瓦的材质是ZG230-450，单件质量870 kg，水玻璃石英砂型，该铸件的生产工艺是东方电机厂的新试制工艺，共设计了两个工艺方案，计算结果如图4、5。
　　轴瓦的两个工艺方案计算结果：铸件部分无缩孔缩松，缩孔缩松全部位于冒口处，此两个工艺为新工艺，还未进行生产，通过计算机模拟，使工艺设计人员对新工艺的情况做到心中有数。

4　程序的改进

　　在程序应用的过程中，也发现了一些问题，结合实际使用，工厂希望计算机凝固模拟软件在以下方面进行改进：(1)流场模拟考虑多包浇注工艺；(2)对冷铁挂砂工艺提供变步长剖计算；(3)大型铸钢件补浇工艺；(4)缩孔缩松的大小定量如何与探伤标准相结合；(5)流场计算对话框增加文件浏览功能；(6)更全面地考虑对流和辐射的影响；(7)地坑工艺的影响；(8)铸件和浇冒口的质量统计。
　　针对这些问题和工厂的实际要求，软件的开发进行了如下几个方面改进：
4.1　铸件和浇冒口的质量统计
　　因为铸件和浇冒口的质量统计对工艺的制订有着极其重要的意义，以往的质量统计多少依靠手工计算或经验估计，不仅繁琐而且不准确。采用凝固模拟软件的网格剖分，随后对剖分文件按预选设定的密度进行质量统计，得出铸件和浇冒口的质量。另外国外的AFSOLID SYSTEM等软件中已加入weight estimation 的功能模块，在知道网格数、网格大小和密度三个数据时，可以估算出铸件或冷铁、砂芯等的质量。在文件信息对话框中，读取网格数和网格大小，并给出密度，根据这三个数值在程序中即可算出铸件等的质量。
4.2　大型铸钢件补浇工艺
　　对大型铸钢件，补浇是经常应用的工艺。以往的温度场数值模拟和缩孔、缩松预测，大多是基于传统的、常见的铸造工艺，如砂型铸造、低压铸造等等，对于一些特殊的砂型铸造工艺如补浇，往往采取忽略和简化的办法处理，由此产生了较大的误差。通过在工厂应用FT-STAR软件，了解到补浇工艺的普遍应用性，编制了相应的程序，对该铸造工艺特殊的边界条件加以处理，进行温度场模拟和缩孔缩松的预测。该程序已经在东方汽轮机厂得到了良好的应用^［1］。
4.3　更全面地考虑对流和辐射的影响
　　在已有的铸造凝固过程计算机模拟基础上，结合落砂工艺，全面考虑了落砂空冷前后对流和辐射对凝固过程热传递的影响，开发出综合铸件凝固过程热传导、热对流和热辐射的计算程序。

5　结束语

　　铸造数值模拟软件FT-STAR通过在工厂的实际应用，对原有工艺的改进和新工艺的设计都有很好的辅助指导作用。该技术的广泛应用，可以为工厂节约开支，取得显著经济效益；同时软件在应用中可以不断发现问题，软件的设计开发人员通过应用了解到不足，然后不断进行分析改进，促进铸造充型凝固技术的持续发展。所以实际的工业应用可以双向刺激工厂和科研部门的工作

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