基于正交试验的高压蒸汽室铸钢件铸造工艺模拟优化研究.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工109基于正交试验的高压蒸汽室铸钢件铸造工艺模拟优化研究张亮1，蔡佳骏1，夏双喜1，程方亮1，赵鑫1，许峰2，刘富初1,21.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 湖北武汉 4300742.荆门市炬峰机械设备制造有限公司 湖北荆门 448000摘要：在原铸造工艺的基础上，对ZG15Cr2Mo1高压蒸汽耐热铸件进行正交试验数值模拟优化研究，预测了铸件缩孔、缩松可能产生的部位，基于正交试验模拟结果分析了浇注温度、浇注速度和内浇道数量对缩松与缩孔缺陷的影响，获得了较优的铸造工艺方案，有效地减少了高压蒸汽室铸钢件在砂型重力铸造中的缩孔缺陷率。关键词：高压蒸汽室铸件；ZG15Cr2Mo1；正交试验；铸造工艺模拟优化；ProCAST软件1 序言ZG15Cr2Mo1高压蒸汽室耐热铸件是汽轮机的组成部分。汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外做功。蒸汽室即蒸汽通过主汽阀后进入调节汽阀前，为均衡汽流而设置的腔室。本文利用Solidworks进行建模，以有限元分析软件ProCAST作为模拟平台，对高压蒸汽室充型凝固过程进行数据模拟研究1-5，预测了可能产生的铸造缺陷；基于初步模拟结果，以浇注温度、浇注速度和内浇道数量为因子设计三因素三水平正交模拟试验6-9，获得了较优的铸造工艺参数。该选题是2023中国大学生机械工程创新创意大赛：第十四届铸造工艺设计赛B件，来源于一线生产企业，是企业目前尚待解决的铸造工艺设计问题，因此研究结果具有重要的实际应用价值。2 铸件特点及工艺介绍高压蒸汽室耐热铸件三维结构如图1所示。铸件轮廓尺寸为1648mm620mm1077mm，重量为1957.8kg，最大壁厚为153mm，最小壁厚为30mm，最大孔径为240mm。蒸汽室材质ZG15Cr2Mo1的化学成分见表1。其材质为合金铸钢，密度为7.8g/cm3，固相线温度为1135，液相线温度为1501。由于铸钢具有熔点高、流动性差、易氧化和收缩大的特点，所以铸钢件在实际铸造过程中常会因为补缩不足而产生缩孔、缩松等缺陷，且该高温蒸汽室耐热铸件壁厚较大，冷却凝固不确定性因素较基金项目：教育部产学合作协同育人项目2022年第一批立项项目（No.220604555150617）；国家级大学生创新创业训练计划项目 （No.202310491008、No.202310491028、No.202310491045、No.202310491065、No.S202310491121和No.S202310491010）；中央引导地方科技发展资金自由探索类基础研究项目（No.2021Szvup158、No.2021Szvup159）；材料成形与模具技术国家 重点实验室开放课题研究基金（No.P2021-020）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（No.CUG2106346）；装备预研教育部联合基金创新团队项目（No.8091B042207）；国家自然科学基金项目（No.51775204）；湖北省揭榜制科技 项目（No.2021BEC010）；湖北省支持企业技术创新发展项目（高新技术企业类）（No.2021BAB050）；中国地质大学 （武汉）教学实验室开放基金项目（No.SKJ2021113、No.SKJ2021131、No.SKJ2022119和No.SKJ2022136）。第一作者：张亮，本科生，主要研究方向为铸造工艺模拟，E-mai：。通信作者：刘富初，工学博士/博士后、副教授，主要研究方向为陶瓷型芯增材制造和精密铸造等，E-mail：liufuchucug.edu.n。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工110多。根据铸钢件浇注系统的设计规则10-11，本文初步设计的浇注方案采用开放式浇注系统，以底注包浇注，并在铸件厚大处设置冒口，砂芯选择酚醛树脂自硬砂。高温蒸汽室耐热铸件浇注系统的初步方案如图2所示。进行有限元网格划分。网格划分作为数据分析的核心，对模拟分析的时间和精度有着决定性的影响，此处将砂箱及砂芯部分网格划分单元尺寸设置为100mm，铸件部分及浇注系统的网格划分单元尺寸为30mm，最终生成28448个面网格和407487个体网格。3.2 边界条件和运行参数设置采用ProCAST软件CAST模块进行充型及凝固过程数值模拟。浇注时主要参数有：浇注温度、浇注速度、各部分材料以及换热系数。根据铸钢的材质特点（ZG15Cr2Mo1的液相线温度为1501）和铸造工艺特点（砂型重力铸造、最大壁厚为153mm，最小壁厚为30mm，最大孔径为240mm），本文初步选择1600进行模拟，浇注速度选为120kg/s，将重力设置为Z轴正方向，自然空冷。界面传热系数选择NCOINC类型，取铸件与砂型的界面换热系数为h500W/（m2K），其他通用参数保持默认。4 铸造工艺初步方案仿真结果分析4.1 充型凝固过程温度场模拟结果分析通过Viewcast模块，观察铸件温度场的分布结果，浇注系统的仿真结果如图3所示。由图3可知，金属液充型较为平稳，可以完整充满型腔，无明显飞溅发生，金属流动性较好，金属液在型腔内缓慢上升，在充型过程中型腔内气体能顺利排出。4.2 凝固过程固相率模拟结果铸造工艺初步方案凝固末期模拟温度场如图4所示。根据顺序凝固原则，通过观察和分析铸件的凝固顺序，可以确定因金属液最后凝固而孤立无补缩的区域，这种区域有极大概率产生缺陷。由图4可知，顶部凸台、底部厚大处最后凝固，该处是最易产生缺陷的位置。4.3 铸件缩松、缩孔缺陷预测ProCAST铸造模拟软件可以预测出最可能存在缩松、缩孔的区域，缺陷位置预测如图5所示。由图5可知，其孔隙率为2.834%。缩孔主要分布于冒口处，铸件使用部分几乎没有出现缩孔，缩松集中于铸件厚大处，通过增加冒口使缩孔转移到冒口中的方案可行，但还需要对各项参数进行进一步对比试验，以得到最优结果。图1铸件三维结构示意图2高温蒸汽室耐热铸件浇注系统的初步方案 表1ZG15Cr2Mo1化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrMoSP0.180.400.700.602.002.750.901.200.0300.030表示对于上限wC每减少0.01%，允许wMn增加0.04%，但wMn 的最高值为1.2%。3 铸造工艺数值模拟前处理3.1 模型的转换与网格划分基 于 高 压 蒸 汽 室 铸 钢 件 零 件 图 样，利 用Solidworks进行三维造型，然后转存为igs文件格式，将实体导入ProCAST软件的Visual-Mesh模块铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工1115 铸造工艺参数正交试验模拟优化5.1 正交试验设计为了降低铸件缺陷率，对浇注时间、浇注温度、内浇道数量进行三水平三因素的正交试验模拟优化研究，以获得较优的铸造工艺方案，其试验因素水平见表2。图4铸造工艺初步方案凝固末期模拟温度场图3铸造工艺初步方案充型过程流场表2铸造工艺正交模拟试验因素和水平设计水平ABC浇注温度/浇注速度/（kg/s）内浇道数量/个115801152216001203316201256铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工112图5铸造工艺初步方案缩孔、缩松位置预测不同试验对比组的铸造模拟缺陷如图6所示。由表3、图6可知，对高压蒸汽室铸钢件孔隙率5.2 正交试验模拟结果分析孔隙率正交模拟试验结果及其极差分析见表3。表3孔隙率正交模拟试验结果及其极差分析因素ABC孔隙（%）浇注温度/浇注速度/（kg/s）内浇道数量/个试验1158011523.44试验2158012032.739试验3158012564.384试验4160011532.79试验5160012064.44试验6160012522.814试验7162011564.552试验8162012022.814试验9162012532.781K13.5213.5943.023K23.3483.3312.770K33.3823.3264.459极差0.1730.2681.689影响因素大小依次为内浇道数量、浇注速度和浇注温度，其中以小的孔隙率为目标，其最优的铸造工艺参数组合为A2B3C2，即浇注温度1600、浇注速度125kg/s和内浇道数量为3个。5.3 优化方案的模拟结果基于正交试验模拟结果分析获得的铸造工艺优化参数（浇注温度1600、浇注速度125kg/s和内浇道数量为3个），采用ProCAST软件进行充型和凝固模拟研究。图7图9所示分别为充型过程、凝固温度场和孔隙缺陷模拟。由模拟结果可知，优化工艺下可完整充型，顶部凸台、底部厚大处最后凝固，孔隙率降低至1.025%，相比最初方案的2.834%孔隙率明显降低。此时铸件缩松、缩孔问题得到明显改善，缩孔集中于冒口处，缩松范围明显减小，铸造效果良好。在后续的铸造工艺优化过程中，还可采用改变冒口尺寸和数量及其位置、改变冷铁的尺寸，以及增设保温冒口等措施来进一步消除缩松缺陷。铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工113图7优化工艺下的铸件充型过程流场图6不同试验对比组的铸造模拟缺陷铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第9期 热加工114图8优化工艺下的铸件凝固末期温度场6 结束语1）基于高压蒸汽室ZG15Cr2Mo1材质结构特点，初步设计了铸造工艺方案。模拟结果表明，其顶部凸台、底部厚大处是最易产生缺陷的位置，孔隙率为2.834%。2）以浇注温度、浇注速度和内浇道数量进行了正交模拟试验优化研究，以孔隙率为性能指标，获得的最优铸造工艺参数为：浇注温度1600、浇注速度125kg/s和内浇道数量3个，此时铸件孔隙率降低至1.025%，铸造质量明显改善。参考文献：1 杨行，郭莹，林相，等机床底座ProCAST数值模拟及铸造工艺优化J兵器材料科学与工程，2021，44（6）：6-92 莫文锋基于ProCAST汽车铝合金轮毂铸造数值模拟及其优化J河南科技，2022，774（4）：29-353 张帆，张进基于ProCAST 的铝合金罩盖重力铸造成型的模拟优化J热加工工艺，2023，52（5）：80-834 王廷勇，岳卫国，岳建国ProCAST分割模拟提高铸造工艺研发效率可行性研究J金属加工（热加工），2017（11）：44-455 王华侨，张颖，费久灿，等铸造成形工艺过程的数值模拟仿真及其应用J金属加工（热加工），2011（5）：59-636 周传龙，何强，周宏根，等基于ProCAST的柴油机活塞铸造工艺模拟及优化J铸造，2022，71（5）：632-6367 朱洪军基于正交试验及数值模拟的下缸体压铸工艺优化J铸造，2021，70（6）：670-6748 胡腾腾，贾丽敏，于延龙，等铸钢壳体砂型铸造工艺数值模拟及优化J河北工业科技，2022，39（6）：411-4169 党云鹏，曹严基于ProCAST的ZL205A合金弹体传动件铸造工艺优化J特种铸造及有色金属，2022，42（2）：162-16610 中国机械工程学会铸造分会铸造手册（第5卷）：铸造工艺M北京：机械工业出版社，202111 李荣德，米国发铸造工艺学M北京：机械工业出版社，2013 20230505 图9优化工艺下的缩孔、缩松位置预测