广东鸿源众力发电设备有限公司
1引言
当前,在进行铸件充型以及凝固环节中,广泛应用到数值模拟技术,该技术的应用能够对铸造过程得到有效的控制。同时,该技术在铸件成形工艺以及方案设计、更改环节中也发挥着重要的作用。对于转轮体这一铸件而言,其有着大面大、厚壁的特点,并且铸造环节中对于材料的韧性性能有着较高的要求。本文主要以ZG20SiMn低合金钢作为研究对象,对铸造工艺设计与改进方面的要点进行分析。
2转轮体研究与应用的重要性分析
随着国内经济社会的快速发展,石油、煤炭等能源已经面临着枯竭的紧张局势,这会对经济建设造成一定的阻碍。因而,现阶段要加强对自然界中可持续能源的研究与应用,尤其要做好风能、太阳能以及水能等清洁能源的研究,进而为人们的生产生活提供便利。对于水能这一可再生能源而言,其取材相对广泛,并且不会对周围的环境造成污染与破坏。特别是利用水能进行发电工作,可以有效的满足居民生产生活方面的需求。这一过程中,要对转轮体的加工与设计引起足够的重视,进而确保发电工作的顺利开展。在进行外球面的加工与铸造工作时,主要用到的机床设备主要分为两种:其一,就是新型立车设备,该设备有着数控功能。其二,就是以往所应用到的普通立车,这类设备不具有数控功能。一般来说,对于一些老旧的水电设备制造厂而言,由于受到观念与资金的影响,导致了设备的更新换代速度较慢,因而在新型设备的添设方面没有引起足够的重视。由于受到当时科技条件的限制,使用的生产设备还比较原始,设备的更新速度还比较慢。具体生产过程中,需要借助靠模加工技术,因而需要配备相应的靠模加工工具;但是,对于带有数控功能的机床设备而言,技术人员只需进行程序的设定即可。
3转轮体铸造工艺设计分析
本文所研究的转轮体铸件,其材质主要选用的是ZG20SiMn,该材料的化学成分见下表1。通过对铸件的结构做出相应的分析之后,发现这一转轮体是回转体结构,并且在结构方面较为复杂,其壁厚有车不均匀的特点。此外,铸造环节中铸件容易出现气孔以及粘砂、缩松等问题,同时在进行砂芯定位以及制作环节中也存在着较大的困难。因此,有必要对其进行铸造工艺设计以及工艺、方法上的改进。
设计过程中,由于考虑到凝固部位存在着液态金属补缩的问题,也就是铸件顶部的质量难以得到控制,因而设计时在这一位置处设置了冒口,进而能够防止缩松以及缩孔、浇注不足等问题的发生。经过计算,得到了高度H是900mm的位置,其模数是最大的,M件=11.92cm。此外,位于Ф1653法兰位置处,其平面上设置了2个不同的明冒口,并且将其形状设定为腰圆形,通过查表确认,得到了冒口位置的尺寸是600mm×900mm×960mm。另外,在冒口模数方面,取M冒=14.65cm;在重量方面,取G冒=4446.1kg。通过对模数比进行相应的计算之后,得到了这一比值为M冒/M件=1.23,超过了1.2,因而能够得到模数法的要求。在进行冒口可补缩金属液量的计算时,得到了液量值为4446.1kg×14%×2=1244.9kg。最后,经过计算得出冒口可补缩金属液量超过了铸件补缩区的量值,因而这一设计环节能够满足相关工艺的要求。由以往的浇注经验得出,将铸件的收缩率设定为2%,将拔模的斜度设定为1:10。
3模拟结果的分析
3.1数值模拟法的应用
在进行模型分析工作时,主要使用的是AnyCasting软件。该软件的应用能够对铸件的充型凝固环节做出相应的模拟,并且可以得到一系列的数值。对于ZG20SiMn低合金钢铸造材料而言,其砂型是水玻璃砂。因而,在进行实际的研究与生产过程中,将铸件和砂箱之间的传热系数设定为500W/(m2·K);同时,将浇注环节的温度设定为1560℃,充型速度控制在150kg/s左右。另外,浇注时间方面维持在170.6s。这一过程中,重力加速度定义为9.8m/s2,其他的一些运行参数主要借助默认的方式进行设置。
3.2初始方案模拟以及结果的分析
首先,进行方案1的设计中,主要使用的是底注式的浇注系统,这一浇注系统能够达到充型平稳的目的。具体浇注环节中,型腔底部位置处的金属液温度相对较高,但是在上部位置处,液面的温度相对较低。由于存在着较大的温差,因而对顺序凝固以及冒口补缩将会造成不利的影响。此外,浇注环节中内浇道位置处容易发生过热的问题,进而造成了缩孔、缩松以及晶粒粗大等严重的问题,这就要求对浇注系统进行优化设计与改进。
3.3优化方案模拟以及结果的分析
通过上文对方案1的分析之后,及时发现了该方案的问题与不足,改进时主要考虑到使用阶梯式浇注系统。对于这一系统而言,有着对称性以及金属液冲击力小等方面的优势,同时该系统也能达到充型平稳的目标。此外,该系统浇筑环节中能进行有效的补缩以及渣气上浮,并且内部的温度分布相对均匀,能够有效防止局部过热问题的发生,尤其在进行中、大型铸件的浇注环节中,可以优先选用该方案。当浇注工作结束后,铸型内腔有着良好的充盈效果,不切没有发生浇不足等问题。因而,这就表明该浇注系统的设计有着较高的合理性。但是,在接近冒口的位置处,铸件上部存在着凝固时间过长的问题。为了有效解决缩孔以及缩松缺陷等现象,需要对铸件温度场的分布状况进行相应的优化,进而避免底部过热问题的发生。具体改进环节中,主要在铸件底端放置了方形冷铁,此方案设定为方案3。
利用方案3进行浇注的环节中,其充型平稳,并且对温度场进行了优化。在铸件凝固期间,铸件温度最低的位置就是放置冷铁的部位,并且附近的温度场从这一位置处逐步的向周围升高。在冒口位置处,温度始终是最高的,进而能够达到顺序凝固的目的。其中,下图2为采用该工艺生产出的铸件。
5结束语
在进行水轮机转轮体铸件的浇注环节中,通过采用阶梯式或者是开放式浇注系统,能够取得良好的充型平稳效果,由此浇注的铸件没有出现明显的缺陷。因而,现阶段要加强对转轮体铸造工艺的合理设计与优化,可以在铸件顶部位置处设置明冒口,同时还可以在铸件的底部位置处放置冷铁,进而达到良好的浇筑效果。
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