锆合金阀体铸件铸造工艺的研究.pdf

·632· 羹急帅熹 Jul．2016V01．65 No．7锆合金阀体铸件铸造工艺的研究姚谦1，张有为1，包春玲-，游涛·，张新t，孔祥卓z(1．沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022；2．沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869)摘要：锆合金在化工领域应用广泛，针对某锆合金阀体铸件的铸造生产需要，结合现有铸造生产条件，采用ProCAST软件对该阀体铸件的充型和凝固过程进行了模拟分析，以期达到优化工艺降低成本的目的。分别模拟了单型离心浇注、多型离心浇注、多型重力浇注等结构的阀体充型和凝固过程。根据模拟结果以及生产经验最终选用了多型离心浇注的结构，设置了合理的铸造工艺参数，最终采用熔模铸造工艺铸造出合格的铸件，并通过三维扫描测量以及静水压试验。关键词：锆合金；数值模拟；阀体铸件；熔模铸造中图分类号：TG249．5 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)07—0632—07Study on Casting Process of Zirconium Alloy ValveYAO Qianl，ZHANG You·weil，BAO Chun—lin91，YOU Ta01，ZHANG Xinl，KONG Xiang-zhu02(I．Shenyang Research Institute ofFoundry，Shenyang 1 10022，Liaoning，China；2．Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 1 1 0022，Liaoning，China)Abstract：Zirconium alloys are widely applied to the chemicalindustry．To meet the production needs ofsomezirconium alloy valve body casting,combined with the existing casting production conditions，ProCASTsottware was used to simulate and analyze the filling and solidification processes of the valve body castings inorder to optimize the processes and reduce costs．The filling and solidification processes of centrifugal castingsingle．．mould,centfifugal casting multi．．mould,gravity casting multi．．mould and other structures were simulated．According to the simulation results and production experience，centrifugal casting multi—mould structure wasfinally selected,and reasonable casting process parameters were set．Qualified castings were produced in the endthrough precision investment casting process,and passed 3D scanning measurement and hydrostatic test．Key words：zirconium alloy；numefical simulation；valve；investment casting锆合金具有密度低，比强高，热中子吸收截面低，对核燃料有良好的相容性，抗水和蒸汽腐蚀性能好，耐强酸碱腐蚀，加工性能优异等特点，主要用于核反应堆和化工设备等领域。二者的锆材区别主要在Hf的含量上，目前生产上应用的锆产品主要是锆含量在90％以上的锆合金，其中含有少量的H玩素，有的还加入少量的Nb、Sn等元素，铪的含量在0．01％以下为核级锆，含量在4．5％以内为化工级锆[14】。工业级锆合金主要用于石油化工、制药、食品、废物处理等领域的耐蚀结构材料及耐蚀设备部件，包括管道、泵、阀、叶轮、离心机、冷凝器、汽化器、喷雾器、塔衬料等，其中泵、阀门、叶轮均采用锆合金铸件装备髑。与钛、不锈钢等耐蚀材料相比，锆合金具有更全面、更优异的耐蚀性，尽管生产成本高，但锆合金耐蚀部件具有更长的使用寿命，提高了工作效率，因此锆材正越来越多地应用于化工等领域。目前，国内外化工级锆主要采用美国ASTM标准，铸件采用ASTM B752《皓及锆合金铸件标准》旧。现有某类化工用锆合金阀体(图1)需要采用铸造方法制造，针对此类阀体铸件的结构特点，铸造过程中铸型组合方式主要有单型、双型、以及多型。对现有两种不同尺寸阀体分析可知：首先，14阀尺寸较大，浇注时可采取单型，24阀尺寸较小，浇注时可采取双a)1“阀体罔1锗合金闷体摸型Fig．1 The model ofzimonium alloy valve收稿日期：2016-04—18收到初稿，2016-05-25收到修订稿。作者简介：姚谦(1982-)，男，工程师，主要从事锆合金铸造工艺的研究。E-mail：yaoqianl81@gmail．com通讯作者：张有为，男，工程师。E-mail：13840386743@163．corn万方数据铸造 姚谦等：锆合金阀体铸件铸造工艺的研究 ·633·型或多型；其次，两种阀体自身壁厚不均，法兰厚度与侧壁差距较大，铸造过程中内部不可避免存在超标缺陷，因此需要合理设置浇注系统，以及铸造工艺参数，保证内部质量；最后，锆合金凝固收缩率大于钛合金，两种阀体均表现壁厚不均，且法兰等结构为自由收缩状态，收缩率控制较难。从经济性的角度出发，传统的经验法和试错法已无法满足实际生产的需要。采用数值模拟的方法，对铸造过程中铸件可能会产生的浇不足、缩孔、缩松和裂纹等缺陷进行分析，并进一步优化试验工艺参数，可以有效缩短研制周期，提高铸件的质量。根据美国科学研究院工程技术委员会的测定，计算机模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加产品合格率25％，降低生产成本13％'30％，降低人力成本5％～20％，增加投入设备利用率30％～60％，缩短产品设计和试制周期30％～60％。综上分析，该类阀体铸件主要在组型方式、浇注系统和收缩率设置方面存在问题，本研究采用ProCAST模拟软件对铸件铸造工艺进行模拟，优化了浇注系统以及铸造工艺参数，生产出内外部质量合格铸件，并通过三维扫描测量以及最终静水压试验。6 76．66．57 6．4g 6．3●?6．2越6-1静6．05 95．85．7：。5：；j 11《10。塞，865；、、～．、}、‘1 阀体铸件的结构及技术要求1”和24阀体的轮廓尺寸分别为310 mmx305 mmx340 mm、90 mmxl35 rainxll0 nlm，壁厚约为10～15 mm。该铸件为工业用化工阀体，要求两种阀体均做静水压试验，压力为25 MPa，持续时间15 min，不得有渗漏、冒汗等现象。因此需要铸件内部质量要求严格，缩孑L、缩松、夹渣等内部缺陷均严格控制。2铸造工艺设计两种阀体均采用Zr702C合金，其固一液共存温度区间较大，呈糊状凝固方式，铸件内部易形成枝晶间分散型缩松，因此采用了离心浇注的方式，使凝固过程中始终保持增压补缩。本研究借助ProCAST模拟仿真技术揭示铸造过程的本质及各工艺参数的影响规律，代替和减少铸造过程，实现对铸造工艺过程的优化，并且极大地降低成本，并缩短设计周期。因此，分别对阀体铸件的单型、多型组合浇注方式进行模拟，并通过数值模拟结果选择和优化浇注系统及工艺参数。其中Zr702C合金的密度、粘度、潜热、固相率随温度的变化曲线如图2所示。一一一1II1．00．9O 8O 7褂O·6霉0．5辐一0．40．30．20．1O’温度／1： 温度／℃(c)粘度 (d)固相率图2 Zr702C合金铸造热物性参数Fig．2 Thermophysical properties ofZr702C采用了14、2。阀单型顶注式结构以及14、24阀组合浇注结构，两种结构对比优化后又对比分析了离心力的影响，其中具体模拟参数如表1所示。2．1单型铸造模拟分析根据实际生产经验，两种阀体均可采取顶注式单型浇注，结合阀体对称的结构特点，采用图3所示结构万方数据FOUNDRYJul．2016V0|．65 NO．7进行模拟，并通过数值模拟结果优化组型及浇注方案，两种阀体单型浇注模拟过程如图4．图8所示。两种阀体模拟时工艺参数主要包括：离心转速、型壳预热温度和浇注温度，除14 r转=100 r／min、24r转=150 r／min夕[“，型壳预热温度及浇注温度均相同r预--200℃，如=1 950℃。因为2“阀体尺寸较小，离心浇注过程中，离心效果不明显，因此选择较大的离心转速，加强增压补缩效果。由图4及图6阀体充型过程示意图可知，在离心力作用下，金属液首先充型厚大的法兰部分，而后充型较薄的侧壁处。由图5、图7及图8凝固过程示意图可知，法兰最先充型，最后凝固，侧壁处最先凝固，如表1模拟相关参数Table 1 Parameters of simul【afion个丁‘’个一图3 1 4、2调体顶注式浇注系统Fig 3 Top gating system of 1”and 24 valves(b)户1．506 2 S图4 1’阀体铸件充型过程Fig．4 The 14 valve moldfilling ofcasting’q-- ’丁‘(b)t=6．440 6 S，凝固率：26．8％ (c)t=263．757 1 S，凝固率：99％图5 l 4阀体凝固过程示意图Fig 5 The diagram ofsolidification process of 14 valve万方数据铸造 姚谦等：锆合金阀体铸件铸造工艺的研究 ·635·果充型受阻，则很容易在法兰处产生缩孔、缩松等缺陷，模拟结果如图9所示。因此，单纯采取顶注式浇注，离心作用效果减弱，且法兰等厚大部分易产生铸造缺陷等问题。(a)t=0．595 5 S2．2多型铸造模拟分析2．2．1 多型无离心铸造模拟分析通过对上述14、24阀体单型顶注式浇注铸造模拟分析可知，凝固过程中容易在法兰处产生缩孔、缩松等r(b)户1．208 7 S图6 24阀体铸件充型过程Fig．6 The 22 valve mold filling ofcasting(C)t=6 838 1 S『'(a)t=l 579 9 S，凝固率：9．6％ (b)t=3．342 2 S，凝固率：17．7％ (C)t=l 8．793 8 S，凝固率：87．5％图7 2“阀体凝固过程示意图Fig 7 The diagram of solidification process of 2。valve图8 l。、2。阀体凝固过程截面示意图Fig．8 The sectional schematic of solidification process of 1。and 2。valves个訇9 1 4、24阀体缩孔缺陷示意图Fig．9 The predicted shrinkages of 1 and 2=valves castings万方数据·636· FOUNDRYJul．2016VOI．65 NO．7缺陷，且由于结构因素导致离心效果不明显，因此采用多型铸造。本研究首先分析了多型无离心状态下的铸造过程。图10—12为相关模拟结果。由图lo充型过程可以看出铸件充型较为平稳，但是充型时间较长，且随着凝固过程的进行，2“阀体上表面存在浇不足的趋势。由图11可以看出铸件在法兰及厚大部位处最后凝固，结合图12可知铸件在无离心力作用条件下，阀体的上侧璧面容易出现浇不足缺陷。2．2．2多型离心铸造模拟分析通过顶注式单型浇注模拟分析可知：法兰处最后凝固，且易产生缩孑L、缩松等铸造缺陷。多型无离心浇注方式易产生浇不足缺陷，因此本部分采取多型离心浇注方式，采取增压补缩，即采用离心浇注，图13—16为多型离心浇注模拟过程。a)t=1．988 4 S (b)t=4 770 l S (c)t=6．520 1 S图10多型无离心铸件充型过程(b)t=5 889 2 S．凝固率：8．4％剽l 1 多型无离心铸件凝固过程示意图㈥1 2多型尢高心铸件缩孔不总㈦Fig．12 The predicted shrinkages ofcastings ofnon·centrifugalcombined moldS从充型过程来看，金属液充型平稳，离心作用下，2一阀最先充型完成，14阀法兰上部最后充型(图13)；从凝固过程来看，14、24阀体法兰处出现少部分孤立液相区，随着凝固进行，后续可能产生一定的缩松、缩孔(图14．15)；从图16预测空洞可以看出，较大缩孑L主要集中在浇注系统的顶端，即补缩冒口区，铸件本体上只有法兰等处存在较小缩孑L区域；因此，可以分析得出此浇注系统方案是比较合理的。3生产验证及工艺解决措施3．1铸件工艺确定通过对二种铸造工艺方案的模拟结果分析，确定采用多型浇注系统的工艺方案。通过数值模拟优化后的浇注方式可以将较大尺寸缩孑L等缺陷引入浇冒系统；对铸件不同部位设置不同的收缩率，且根据预测的空洞结果对型壳预热温度进行优化，具体方案如下。(1)铸件收缩率设置。阀体法兰及上表面均为加工表面，内型面均不加工，考虑阀体的结构特点，铸造收缩不是等比例收缩，确定收缩率为1．5％～1．7％。(2)离心转速及型壳预热温度。通过模拟分析得出，多型浇注r转=100 r／min可以很好实现两种阀的充型；型壳预热温度T预=200℃，结合温度场的模拟结果，T预=300℃更有利于减少缺陷。3．2型壳制备采用以上工艺方案进行蜡模设计。型壳为氧化钇陶瓷型壳，其质量要求保证型壳强度、透气性、型壳稳定性以及型壳退让性(图17)。万方数据铸造 姚谦等：锆合金阀体铸件铸造工艺的研究 ·637·3．3浇注在ZN一200型真空自耗凝壳炉中浇注。浇注时熔化电流≥20 kA，真空度≤0．1 Pa，离心转速为100 r／min，投料180 kg。(a)t=0．369 1 S3．4检验浇注完成后，随炉冷却至200℃以下出炉。型壳清理后，对铸件进行打磨、探伤、真空退火、热等静压、喷砂等处理，经喷砂处理后的铸件如图18所示。(b)t=0 737 9 S (C)￡=1．106 7 S图13多型离心铸件充型过程Fig 13 The mold filling ofcasting ofcentrifugal combined moldsa)t=255．14 7 S，凝固率：25．11％ (b)t=325．268 S，凝固率：45．07％ (c)t=463 35 S，凝固率：75．02％虱14多型离心铸件凝固过程示意图Fig．14 The diagram of solidification process ofcentrifugal combined molds图15多型离心铸件凝固过程截面示意图Fig 1 5 The sectional schematic of solidification process ofcentrifugal combined molds图1 6多型离心铸件缩孔示意图Fig．1 6 The predicted shrinkages of castings of centrifugalcombined molds图17熔摸精密铸造型壳Fig 1 7 The mold of investment casting万方数据·638· FOUNDRYJul．2016V01．65 NO．7铸件表面光滑，无浇不足、裂纹、冷隔等缺陷。产品最终检验结果如下：①最终铸件产品化学成分和力学性能符合标准要求；②经x光射线检测，除法兰少部分处存在超标缺陷，需挖开补焊修复外，其余部位质量合格；③以法兰端面为基准面，两侧法兰平行度偏差较大，≤0．5 mm，符合设计要求，铸件三维扫描测量结果见图19；铸件侧壁以及内型面等非加工平面均在设计要求内，经实际生产的14、2”阀体均满足使用要求；④通过静水压试验，阀体无渗漏、冒汗等现象，满足静水压要求。图18两种阀体实物Fig．1 8 Two kinds ofvalve castings＼图19两种阀体热等静压后最终扫描检测Fig．19 The SCS／1 result ofvalves after HIP4结论(1)利用ProCAST软件对锆合金阀体铸件的充型和凝固过程进行数值模拟，提供了生产过程中无法观察的铸造细节，对于提高工艺技术、改进铸件质量具有重要意义。(2)实际应用的优化铸造工艺方案，可铸造出内外部质量合格的阀体铸件，其设计思路合理，铸造效率较高。(4)：19—22，袁改焕，李恒羽，王德华．锆材在核电站的应用及前景[J】．稀有金属快报，2007，26(1)：14—16．李献军，夏峰，文志刚，等．工业锆产品的性能及应用阴．金属世界，2009(6)：100—104．魏尔霍兰尼耶夫．锆[M】．杜宝毓，周国荣，译．北京：地质出版社，1956．余存烨．化工设备选用锆的基本考虑【J]．腐蚀与防护，2008，29(11)：650—653．刘承新．锆合金在核工业中的应用现状及发展前景[J】．稀有金属快报，2004，23(5)：21—23．参考文献：[1】周耀．锆和锆合金在化工设备中的应用[J】化工设计，2003，13 (编辑：潘继勇，pjy@foundryworld．eom)●i舅￡■-I■--_-一嚣篡蒜篇黑一I■I勇。：-I--●u==ll：三一荔口口H陋陋万方数据