基于procas的無縮孔縮松彎管鑄造工藝研究

基于procas的無縮孔縮松彎管鑄造工藝研究

在使用過程中，不僅要承受各種復(fù)雜的負(fù)荷和低周疲勞，還要承受高溫、高壓、高速帶和含硼酸水的腐蝕。因此，對(duì)涂層材料的制備和性能要求很高。二次通道由大而厚的厚壁線性和彎管組成。其中，管道由離心分離造理工藝形成，曲線由砂漿造理工藝形成。90、50、40和2822的規(guī)格。在這項(xiàng)工作中，我們選擇了設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜的90彎管，并使用probc軟件對(duì)其進(jìn)行了研究，并分析了可能發(fā)生的收縮間隙和收縮結(jié)構(gòu)的原因。1主要參數(shù)設(shè)計(jì)彎管材質(zhì)為Z3CN20--09M不銹鋼,化學(xué)成分如表1所示.90°彎管輪廓尺寸約為1100mm×1500mm×3500mm,毛坯質(zhì)量約8t.彎管鑄件采用水平澆注,中間分型.該鋼種體收縮大(約6.5%),易產(chǎn)生縮孔和縮松.為實(shí)現(xiàn)其順序凝固,冒口和內(nèi)澆口分散設(shè)置,以減少熱節(jié).為盡量減少鋼液在澆注和充型過程中形成的Cr2O3和CrO2氧化膜被卷入金屬液形成二次夾雜,采用大截面流道、多道澆口以實(shí)現(xiàn)鋼液的平穩(wěn)充型.針對(duì)鑄鋼件側(cè)明冒口,存在如下關(guān)系時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效補(bǔ)縮:MC∶MN∶MR=1∶1.1∶1.4.式中,MC為鑄件被補(bǔ)縮部位的模數(shù),MN為冒口頸的模數(shù),MR為冒口的模數(shù).計(jì)算可得管腹、管背和管頂部明冒口的理論直徑分別為500、460和480mm.采用保溫冒口以代替普通冒口,依據(jù)保溫冒口與普通冒口的模數(shù)關(guān)系MRI=MR/(1.3～1.4),選擇MRI=MR/1.3時(shí)可得上述管腹、管背和管頂部保溫冒口的設(shè)計(jì)直徑分別為385mm、354mm和369mm.保溫冒口高度以及冒口頸高度和長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)值計(jì)算見文獻(xiàn).表2匯總了設(shè)計(jì)的保溫冒口主要參數(shù).2冒口尺寸偏大的情況計(jì)算發(fā)現(xiàn),彎管鑄件工藝出品率偏低,原因之一是冒口尺寸偏大.為此,計(jì)算機(jī)第一次模擬時(shí)主要減小了各冒口的直徑和高度,特別是減小了管腹冒口的直徑以及管腹冒口頸的高度和長(zhǎng)度(見表3),冒口數(shù)量維持不變.2.1充型結(jié)束時(shí)的溫度分布圖1所示為改進(jìn)工藝后彎管不同時(shí)刻的充型過程圖.可見,充型剛開始,鋼液通過直澆道進(jìn)入鑄型,直澆道底端鋼液流速較大(圖1(a)).隨著鋼液不斷流入,鋼液在型腔內(nèi)液面平穩(wěn)上升(圖1(b)和(c)),最終充滿整個(gè)彎管(圖1(d)).圖2為彎管充型結(jié)束時(shí)的溫度場(chǎng)分布.可見,充型剛結(jié)束時(shí),澆口杯和冒口內(nèi)的鋼液溫度高于鑄件.整個(gè)澆注系統(tǒng)滿足順序凝固的原則,澆注系統(tǒng)設(shè)置較為合理.2.2第一次改進(jìn)工藝下彎管凝固結(jié)果分析預(yù)測(cè)鑄鋼件縮孔、縮松的方法和判據(jù)包括等溫曲線法、臨界固相率法、收縮量法、多熱節(jié)法、Niyama準(zhǔn)則和溫度梯度法等.本文采用臨界固相率法預(yù)測(cè)彎管鑄鋼件的縮孔和縮松.臨界固相率值大多為0.5～0.8,本文選取0.7作為臨界固相率值.圖3所示為第一次改進(jìn)工藝下彎管凝固過程的分析圖,圖中深灰色部分的固相率大于0.7.可見:凝固進(jìn)行到13742s(圖3(a))和14742s(圖3(b))時(shí),管腹的兩個(gè)側(cè)冒口頸與鑄件連接處出現(xiàn)了較大的孤立液相(如白色箭頭所示).原因可能是:冒口模數(shù)偏小,冒口頸長(zhǎng)度偏長(zhǎng),導(dǎo)致冒口補(bǔ)縮距離偏短,冒口內(nèi)的鋼液無法補(bǔ)縮鑄件.圖3(a)中紅色箭頭所示為頂冒口出現(xiàn)的孤立液相.該孤立液相的具體位置可由軟件的縮孔縮松預(yù)測(cè)功能來判斷.圖4為彎管凝固結(jié)束后的縮孔縮松預(yù)測(cè)圖.圖4(a)中白色箭頭所示的縮孔縮松位于管腹冒口頸與鑄件連接處.這與上述分析的管腹兩個(gè)側(cè)冒口頸與鑄件連接處出現(xiàn)較大的孤立液相(圖3)結(jié)果相符.圖4(b)紅色箭頭所示的頂冒口縮孔縮松位置在冒口根部與鑄件連接處,表明頂冒口補(bǔ)縮液量不足.3次工藝優(yōu)化在計(jì)算機(jī)模擬第一次改進(jìn)工藝基礎(chǔ)上,適當(dāng)增大管腹冒口模數(shù)和頂冒口高度,縮短管腹冒口頸長(zhǎng)度,進(jìn)行了彎管鑄造工藝的第二次改進(jìn).改進(jìn)后冒口主要工藝參數(shù)如表4所示.圖5所示為第二次改進(jìn)工藝下彎管的凝固過程分析圖.可見,彎管凝固至12450s(圖5(a))和14950s(圖5(b))時(shí),管腹冒口中未見孤立液相.頂冒口存在縮孔縮松的具體位置(圖5(b)紅色箭頭所示)仍據(jù)軟件的縮孔縮松預(yù)測(cè)功能來判斷.圖6為該工藝下彎管凝固結(jié)束時(shí)的縮孔縮松預(yù)測(cè)圖.圖6(a)顯示,管腹冒口與鑄件連接處不存在縮孔縮松.圖6(b)顯示頂冒口的縮孔縮松位置在冒口內(nèi)部(即冒口根部以上,如紅色箭頭所示).表明第二次工藝優(yōu)化達(dá)到了消除彎管鑄件內(nèi)部縮孔縮松的目的.4次優(yōu)化工藝過程及結(jié)果分析第二次改進(jìn)工藝雖然達(dá)到了消除彎管鑄件內(nèi)部縮孔縮松的目的,但冒口尺寸是否有余量以及彎管鑄件工藝出品率能否進(jìn)一步提高都有待研究.對(duì)此,采取的第三次改進(jìn)工藝是將管背冒口的直徑從340mm減少到330mm.第三次改進(jìn)工藝下彎管凝固過程及縮孔縮松預(yù)測(cè)圖如圖7所示.由圖可見,管背冒口頸與鑄件連接處未見孤立液相,彎管內(nèi)部未見縮孔縮松.進(jìn)一步減小管背冒口直徑至320mm,獲得的彎管凝固過程及縮孔縮松預(yù)測(cè)圖如圖8所示.可見,彎管凝固進(jìn)行到12587s時(shí),管背與鑄件連接處出現(xiàn)了較小的孤立液相(圖8(a)中白色箭頭所示).除上述部位外,彎管鑄件其他部位也產(chǎn)生了縮孔縮松缺陷(圖8(b)白色箭頭所示).綜合上述模擬和分析結(jié)果,可知第三次優(yōu)化彎管工藝效果最佳.當(dāng)然,上述基于ProCAST軟件對(duì)壓水堆核電站一回路彎管鑄造工藝(主要針對(duì)冒口)的優(yōu)化,還需得到實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證.從目前研究結(jié)果可以看出,運(yùn)用ProCAST軟件有利于提高彎管鑄件的工藝出品率,這對(duì)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,加快我國(guó)核電管道國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程是十分有益的.5無縮孔縮松彎管鑄造工藝的模擬研究(1)對(duì)90°彎管鑄件澆注過程的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,表明設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)能使鋼液充型平穩(wěn),鑄件凝固滿足順序凝固原則.(2)利用