计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用研究

计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用研究

王然

纽威工业材料（大丰）有限公司 江苏省盐城市 224142

摘要：本文首先简要阐述计算机模拟在阀门铸造工艺优化中内容和意义，并分析计算机模拟阀门铸造工艺优化原理，然后阐述计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用方向以及国内外常用软件，最后阐述计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用效果，为阀门铸造工艺优化人员提供参考。

关键词：计算机模拟；阀门铸造工艺；优化方案；应用

引言：阀门铸造大量应用于石油、化工、发电厂、核电领域中，由于以上领域阀门直接与腐蚀介质接触，因此阀门铸造质量必须符合要求，否则容易出现安全事故。阀门结构比较复杂，若采用原始阀门铸造工艺容易出现质量缺陷，在此背景下必须对阀门铸造工艺进行优化，通过计算机模拟在特定软件下验证工艺优化方案是否可行是解决阀门质量问题的有效途径。

一、计算机模拟在阀门铸造工艺优化中内容和意义

计算机模拟在阀门铸造工艺优化中主要分为充型和凝固阶段，具体包括流动、冷却、收缩等物理现象以及流场、温度场、浓度场、凝固偏析、凝固组织不均匀、应力场等变化。阀门钢铸件主要存在缩松、夹渣、热裂、气孔、浇不足、冷隔等质量缺陷。充型阶段阀门钢铸件工艺会直接影响凝固阶段阀门钢铸件产品质量，充型阶段温度场、浓度场变化会导致凝固阶段凝固偏析和组织不均匀，最终导致阀门钢铸件在凝固阶段出现枝晶间对流和收缩问题，这样阀门钢铸件容易出现微观缩松质量问题^[1]。计算机模拟在20世纪80年代开始被应用在铸造领域中，后来经过计算机技术的发展和计算机工业模拟软件的完善，已经可以在减少阀门铸造质量缺陷和铸造工艺优化方面发挥巨大作用，目前计算机模拟对阀门铸造工艺优化具有重要意义^[2]。

二、计算机模拟阀门铸造工艺优化原理

计算机模拟阀门铸造工艺优化首先需要汇总阀门铸造相关几何条件，并对阀门钢铸件充型、凝固过程进行时间和空间上的离散化处理，然后建立内部节点和边界节点的数值方程，并在软件支持下对其线性代数方程组进行求解，最后完成编程计算，并根据计算机模拟结构判断阀门铸造工艺优化方案是否合理。其中应用的数值方程建立方法主要包括差分法、有限元法、边界元法等，具体根据阀门钢铸件几何信息和物理场构建计算模型，这样即可根据物理场与阀门钢铸件质量缺陷之间的变化关系判断是否存在质量缺陷，每种质量缺陷在计算机模拟中所对应的图形形式都是不同的^[3]。

三、计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用方向

（一）充型凝固模拟

计算机模拟主要通过充型凝固模拟完成辅助设计浇注系统工艺优化设计工作，阀门铸造工艺优化中主要采用有限元法、数值法等算法构建阀门砂型铸造和压力铸造的充型模型，以此减少阀门铸造质量缺陷，提高阀门铸件的产品质量。

（二）缩孔缩松预测

计算机模拟主要通过缩孔缩松预测、多热节法，在三维角度判断多个补缩通道阀门铸件的质量，阀门钢铸件可以采用C/R2作为缩松判据，这样可以通过计算机模拟将二维缩松判据拓展到三维缩松判据，进而得到更加精确的阀门钢铸件质量缺陷预测结果。

（三）凝固过程应力模拟

计算机模拟主要通过凝固过程应力模拟和数值模拟软件对阀门钢铸件凝固过程中的残余应力和残余变形情况进行预测，凝固过程应力模拟的主要目的是预测阀门钢铸件凝固过程中是否会出现缩松、缩孔、热裂等质量缺陷。凝固过程应力模拟的核心是根据阀门钢铸件液态和固态共存状态下的应力场数值变化，模拟残余应力和残余变形情况。目前凝固过程应力模拟在阀门铸造工艺优化计算机模拟中极为常见，很多数值模拟软件甚至直接附带凝固过程应力模拟功能，该功能能够帮助阀门铸造工艺优化人员准确判断原始阀门铸造工艺优化方案是否可行。

（四）凝固过程微观组织模拟

计算机模拟主要通过凝固过程微观组织模拟主要在假设性原则下采用确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等模拟方案构建蒙特卡罗模型、元胞自动机模型、相场模型等模拟模型，但是以上模拟方法和模拟模型与凝固过程微观组织实际情况均存在一定差异。凝固过程微观组织模拟的复杂程度更高，目前暂未有哪种计算机模拟方案和模拟模型能够准确模拟阀门钢铸件的实际凝固过程，但是不同计算机模拟方案和模拟模型下的凝固过程微观组织模拟结果与实际情况存在的差异不同，据此可以选择精确度最高的模拟方案和模拟模型。若计算机模拟能够将凝固过程微观组织准确模拟出来，则能够显著提高阀门钢铸件的工业生产质量，减少阀门钢铸件的质量缺陷，因此凝固过程微观组织模拟是现阶段材料科学领域的重点、热点研究领域之一。

四、计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用软件

计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用软件主要分为国外软件和国内软件，国外软件发展时间较长，能够适用砂型、金属型和压力铸造、低压铸造、熔模铸造等工艺优化，其计算机模拟软件得到的预测结果比较准确，对比国内软件处于领先地位，常见国外软件包括MAGMA Soft、Cat—CAE、ProCAST、Flow-3D等。目前国内软件虽然能够在相同计算机模拟方面得到较为精确的预测结果，但是准确性方面不如国外软件，若阀门铸造件精度要求不高可以选择国内软件对阀门铸造工艺进行优化，常用国内软件包括华铸CAE、CASTsoft等。

五、计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的应用效果

（一）原始阀门铸造工艺不足之处

原始阀门铸造工艺采用立式浇注和单浇注系统，在树脂砂型下对多保温暗冒口阀门钢铸件进行浇注，同时采用补缩工艺，阀门类型为止回阀、材质为WC9钢、毛重300kg，但是原始阀门铸造工艺生产的阀门钢铸件法兰端处的缩松缩孔数量较多且体积比较大，其质量缺陷比较严重，降低了阀门钢铸件的生产质量。

（二）原始阀门铸造工艺计算机模拟结果

原始阀门铸造工艺计算机模拟结果显示：阀门钢铸件的多保温暗冒口均存在较大缩孔，可见补缩工艺发挥了作用。但是法兰端冷铁后方和阀体坡口端其他位置也出现了缩孔，其原因为阀门钢铸件该位置壁厚度较薄且离保温暗冒口比较远，因此该位置形成缩松出现多个较大缩孔。影响了原始阀门铸造工艺的产品质量。

（三）原始阀门铸造工艺优化方案设计

原始阀门铸造工艺优化人员采用CASTsoft软件对阀门钢铸件充型和凝固过程进行模拟，工艺优化方案为：更改随型冷铁的位置、增加冒口的有效补缩距离和垂直补缩距离，最后计算机模拟软件显示阀门钢铸件法兰端冷铁后方和阀体坡口端其他位置的缩孔基本消失，可见该阀门铸造工艺优化方案设计是可行的。

（四）原始阀门铸造工艺优化计算机模拟作用

原始阀门铸造工艺优化计算机模拟可以通过软件确定阀门铸造工艺最佳优化方案，有利于减少阀门铸造工艺优化时间和成本。为了充分发挥计算机模拟作用，设计人员可以先建立多种工艺类型，然后开发浇铸系统和补缩工艺，最后储存阀门铸造工艺档案以待后续优化。

结论：综上所述，计算机模拟在阀门铸造工艺优化之前必须先对原始阀门铸造工艺不足之处简要分析，然后基于计算机模拟预测原始阀门铸造工艺的应用效果，最后针对原始阀门铸造工艺不足优化工艺设计方案，基于计算机模拟优化后阀门铸造工艺的应用效果，这样才能发挥计算机模拟在阀门铸造工艺优化中的作用。

参考文献：

[1]张金栋.计算机模拟在铸造过程及工艺优化中应用探究[J].数码世界,2019(09):117.

[2]孟昭昕,黄勇,李鑫.基于ProCAST的阀体压铸数值模拟及工艺优化[J].沈阳理工大学学报,2017,36(05):79-83.

[3]刘娟. 四回路保护阀压铸成型数值模拟及工艺优化[D].浙江工业大学,2017.