楊勝男1  吳文云1  汪東紅1  曹陽根1,2

 （1．上海工程技術大學材料工程學院；2．上海信適智能科技有限公司）

摘要大型不銹鋼汽輪球閥結構復雜、壁厚不均，存在孤立熱節，熔模鑄造時存在局部縮松。借助Pro CAST軟件，在分析原有工藝方案的基礎上，對澆冒系統的結構進行了重新設計，并采用特殊方法引入鑄造冷鐵，使鑄件實現自下而上的順序凝固，成功消除了球閥鑄件孤立熱節處的縮松缺陷，提高了產品的合格率。

 關鍵詞  球閥；熔模鑄造；Pro CAST；工藝優化

 中圖分類號  TG142. 71; TG249.5 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 018

 球閥是近年來被廣泛采用的一種新型閥門，通過帶有圓形通道的球體作啟閉件，球體隨閥桿轉動實現啟閉功能。對輸送化工產品的管道，要求有較強的耐腐蝕性能，希望閥內流道表面粗糙度低，以提高其抗腐蝕能力。傳統的砂型鑄造無法達到此技術要求，通常需要采用熔模鑄造工藝生產。

 對于大型復雜球閥，閥體壁厚不均、熱節多，極易出現縮松、縮孔等缺陷。閥體結構一般不允許進行較大更改；確定的閥體材料，其澆注工藝參數可變范圍也很小。產品通常需要通過優化澆注系統設計，提升產品的合格率。某超大型不銹鋼汽輪球閥，內部品質要求極高，需要進行耐水壓測試，閥門體積大，結構復雜，壁厚差異大，存在孤立熱節，局部常出現縮松缺陷，成品率低。本課題利用Pro CAST軟件對其澆冒系統進行優化設計，同時采用特殊方式設置冷鐵，以期解決產品的縮松問題，提高產品合格率。

1球閥結構及澆注方案分析

1.1球閥結構

 圖1為汽輪用超大型不銹鋼球閥的三維模型。該鑄件材質為CF8M不銹鋼，最大外輪廓尺寸為500 mm×448 mm×265 mm，質量為70 kg，平均壁厚為15 mm，球閥中間閥體部分內外兩壁間距小，并且閥體底部含有厚大熱節，特別是含有兩個孤立熱節，熱節處不允許有任何孔洞缺陷，閥門底座為大平面結構。該鑄件結構復雜，屬于典型的多熱節鑄件。

1.2現用工藝方案分析

 球閥閥體采用頂注式澆注系統，雙明冒口，見圖2。優點是液態金屬從鑄型型腔頂部引入，在澆注和凝固過程中，鑄件上部的溫度高于下部，有利于實現自下而上順序凝固，能夠有效地發揮頂部冒口的補縮作用；液流流量大，充型時間短，充型能力強；造型工藝簡單，澆注系統和冒口消耗金屬少，澆注系統切割清理容易。但是，球閥閥體內部厚大熱節處縮松嚴重，見圖3。

 利用Pro CAST軟件對現用方案的澆注過程進行模擬分析，型殼和鑄件之間的傳熱系數為1 000W／(m2．K)；澆注溫度為1 550℃；冷鐵溫度為30℃，型殼焙燒溫度為950℃；充型速度根據澆口面積和充型時間計算得到。圖4為充型完成的固相率，可以看出閥體底座凝固最徹底，其次是閥體側壁，而內閥體側壁與底部交接處仍為液相區，這樣的獨立液相區凝固完成后易形成縮松。圖5為模擬球閥凝固完成后縮松的分布�？梢钥闯�，在兩孤立熱節得不到補縮，出現了較大的縮松，同時在其他熱節處也出現小范圍的縮松、縮孔，與鑄件實際情況符合。

2  工藝方案分析與優化

 鑄造冷鐵具有高的導熱性和蓄熱性，并有較強的激冷作用，如能安放在鑄件熱節處，可有效地防止鑄件產生縮孔、縮松缺陷。但是熔模鑄造的型殼在澆注前要經過1 000 ℃左右的焙燒，冷鐵經高溫焙燒后會產生氧化皮。澆注時氧化皮掉入型殼內，會形成夾雜物。若用耐高溫的不銹鋼冷鐵，澆注后附在鑄件上很難加工且不能循環使用，而且還增加了制造成本�；�于此，采用從球閥底座引入鋼水，球閥上端倒置于4個外置冷鐵上。這種冷鐵設置一定的錐度，預先放置于指定位置，等型殼焙燒后再放置于冷鐵上面，型殼與冷鐵間間隙小，鋼水

澆注后，快速凝固而不會流出。這種外置冷鐵避免了內冷鐵生銹、高溫氧化而與鋼水發生化學反應，同時也能起到激冷作用。見圖6。

 利用Pro CAST軟件對優化后的方案進行模擬分析，鑄造過程中的凝固順序見圖7。由圖7可見，與冷鐵相連接的閥體上端部在冷鐵的激冷作用下，最先凝固，然后是閥體側壁及薄壁底座，最后是澆道，整體呈現從下至上的凝固順序，冒口的金屬液從上往下補縮通道暢通。由于兩孤立熱節處設有澆口，并與兩直澆道相接，直澆道的模數比球閥內部兩個孤立熱節處大，補縮作用明顯，結果顯示有效消除了熱節處的縮松，見圖8。

3  生產驗證

 按原有生產過程用優化設計后的方案進行生產。重新制作蠟模、型殼，冷鐵預先放置于地面指定位置，焙燒好的型殼置于冷鐵上，使冷鐵的錐面與型殼的錐孔無縫對接后進行澆注。批量生產后抽樣檢測發現，鑄件的合格率明顯提升。

4  結  語

 通過澆冒系統的優化設計，并在孤立熱節處設置冷鐵，實現了從下到上的溫度梯度，使鑄件達到自下而上的順序凝固，避免了較大孤立熱節，有效消除了鑄件關鍵部位的縮松缺陷，提高了產品合格率。