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    发布日期:2017-2-8


    进口不锈钢球阀熔模铸造工艺优化

    摘 要:大型不锈钢汽轮球阀结构复杂、壁厚不均,存在孤立热节,熔模铸造时存在局部缩松。借助ProCAST软件,在分析原有工艺方案的基础上,对浇冒系统的结构进行了重新设计,并采用特殊方法引入铸造冷铁,使铸件实现自下而上的顺序凝固,成功消除了球阀铸件孤立热节处的缩松缺陷,提高了产品的合格率。

    关键字:球阀 熔模铸造 ProCAST 工艺优化


    球阀是近年来被广泛采用的一种新型阀门,通过带有圆形通道的球体作启闭件,球体随阀杆转动实现启闭功能。对输送化工产品的管道,要求有较强的耐腐蚀性能,希望阀内流道表面粗糙度低,以提高其抗腐蚀能力。传统的砂型铸造无法达到此技术要求,通常需要采用熔模铸造工艺生产。

    对于大型复杂球阀,阀体壁厚不均、热节多,极易出现缩松、缩孔等缺陷。阀体结构一般不允许进行较大更改;确定的阀体材料,其浇注工艺参数可变范围也很小。产品通常需要通过优化浇注系统设计,提升产品的合格率。某超大型不锈钢汽轮球阀,内部品质要求极高,需要进行耐水压测试,阀门体积大,结构复杂,壁厚差异大,存在孤立热节,局部常出现缩松缺陷,成品率低。本课题利用ProCAST软件对其浇冒系统进行优化设计,同时采用特殊方式设置冷铁,以期解决产品的缩松问题,提高产品合格率。

    1 球阀结构及浇注方案分析

    1.1 球阀结构

    图1为汽轮用超大型不锈钢球阀的三维模型。该铸件材质为CF8M不锈钢,最大外轮廓尺寸为500mm×448mm×265mm,质量为70kg,平均壁厚为15mm,球阀中间阀体部分内外两壁间距小,并且阀体底部含有厚大热节,特别是含有两个孤立热节,热节处不允许有任何孔洞缺陷,阀门底座为大平面结构。该铸件结构复杂,属于典型的多热节铸件。

    图1 球阀三维模型

    1.2 现用工艺方案分析

    球阀阀体采用顶注式浇注系统,双明冒口,见图2。优点是液态金属从铸型型腔顶部引入,在浇注和凝固过程中,铸件上部的温度高于下部,有利于实现自下而上顺序凝固,能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用;液流流量大,充型时间短,充型能力强;造型工艺简单,浇注系统和冒口消耗金属少,浇注系统切割清理容易。但是,球阀阀体内部厚大热节处缩松严重,见图3。

    图2 现用浇注系统

    图3 缺陷区形貌

    利用ProCAST软件对现用方案的浇注过程进行模拟分析,型壳和铸件之间的传热系数为1000W/(m2·K);浇注温度为1550℃;冷铁温度为30℃,型壳焙烧温度为950℃;充型速度根据浇口面积和充型时间计算得到。图4为充型完成的固相率,可以看出阀体底座凝固最彻底,其次是阀体侧壁,而内阀体侧壁与底部交接处仍为液相区,这样的独立液相区凝固完成后易形成缩松。图5为模拟球阀凝固完成后缩松的分布。可以看出,在两孤立热节得不到补缩,出现了较大的缩松,同时在其他热节处也出现小范围的缩松、缩孔,与铸件实际情况符合。

    图4 球阀充型结束后的固相率分布

    图5 球阀凝固完成后的缩松分布

    2 工艺方案分析与优化

    铸造冷铁具有高的导热性和蓄热性,并有较强的激冷作用,如能安放在铸件热节处,可有效地防止铸件产生缩孔、缩松缺陷。但是熔模铸造的型壳在浇注前要经过1000℃左右的焙烧,冷铁经高温焙烧后会产生氧化皮。浇注时氧化皮掉入型壳内,会形成夹杂物。若用耐高温的不锈钢冷铁,浇注后附在铸件上很难加工且不能循环使用,而且还增加了制造成本。基于此,采用从球阀底座引入钢水,球阀上端倒置于4个外置冷铁上。这种冷铁设置一定的锥度,预先放置于指定位置,等型壳焙烧后再放置于冷铁上面,型壳与冷铁间间隙小,钢水浇注后,快速凝固而不会流出。这种外置冷铁避免了内冷铁生锈、高温氧化而与钢水发生化学反应,同时也能起到激冷作用。见图6。

    图6 优化设计后的方案

    利用ProCAST软件对优化后的方案进行模拟分析,铸造过程中的凝固顺序见图7。由图7可见,与冷铁相连接的阀体上端部在冷铁的激冷作用下,最先凝固,然后是阀体侧壁及薄壁底座,最后是浇道,整体呈现从下至上的凝固顺序,冒口的金属液从上往下补缩通道畅通。由于两孤立热节处设有浇口,并与两直浇道相接,直浇道的模数比球阀内部两个孤立热节处大,补缩作用明显,结果显示有效消除了热节处的缩松,见图8。

    图7 浇注后铸件的凝固顺序

    图8 凝固完成后球阀内的缩松分布

    3 生产验证

    按原有生产过程用优化设计后的方案进行生产。重新制作蜡模、型壳,冷铁预先放置于地面指定位置,焙烧好的型壳置于冷铁上,使冷铁的锥面与型壳的锥孔无缝对接后进行浇注。批量生产后抽样检测发现,铸件的合格率明显提升。

    4 结语

    通过浇冒系统的优化设计,并在孤立热节处设置冷铁,实现了从下到上的温度梯度,使铸件达到自下而上的顺序凝固,避免了较大孤立热节,有效消除了铸件关键部位的缩松缺陷,提高了产品合格率。

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