基于ProCAST的124D型主泵泵壳铸造工艺设计及优化.pdf

以 “华龙一号 ”124D型主泵泵壳为研究对象，对铸件材质和结构特点进行分析并设计砂型铸造工艺  方案，运用 UG软件绘制泵壳铸件三维模型，结合铸造模拟仿真软件 ProCAST对铸件充型以及凝固过程进行数  值模拟，对缩孔缩松缺陷分析后对铸造工艺进行优化 ,最终获得了铸件内部无宏观缩孔缩松缺陷，质量符合要  求的铸造工艺方案 。关键词 :主泵泵壳 ;砂型铸造 ;缩孔缩松 ;数值模拟中图分类号 :TG24 文献标志码 :BCasting Process Design and Optimization of 124D Main Pump Casing Based on ProCASTZhang Chuan, Yu JiuAbstract: Taking “ Hualong No. 1” 124D main pump cysing as the research object, the dsting materiai and structurai characteristid havv been analyzed and the sand cysting process plan has been designed. The thee- diniensional modei of the pump cesing cesting has been drawn by UG soXwcc, and the cesting siniulation soXwcc ProCAST has been used te perform the simuiation of the model filling and the solidification. After the analysis of the shenkage deSect, the casting process has been optimized. Fintly, the cesting process plan with no macroscopic shenkage and porosity defects has been obtained te meet the quality requirements.Key wordt: main pump cesing； sand casting; shrinkage porosity; numCcai limulation“华龙一号 ”是我国完全自主知识产权的第  三代核电技术，主泵作为核电站的心脏，是一回路  系统中唯一的旋转设备，而泵壳作为一回路系统  的压力边界，设计压力为 17.2 MPa,运行压力为  15.5 MPa,寿命为 60 年，因此对泵壳的质量要求  很高⑴％ 124D型主泵泵壳结构复杂，壁厚不均  匀，质量较大且需要一次性浇注完成 ,对铸造工艺  要求苛刻 ,既要保证浇注系统设计的合理性 ,又要  防止产生缩孔缩松等缺陷⑵％近几年，计算机数  值模拟技术发展迅速，已经能够准确地对充型过  程和凝固过程进行模拟，对缩孔缩松等缺陷进行  预测 ,从而指导生产 ,改进工艺 ,提高铸件质量％ 本文以铸造模拟软件 ProCAST为工具，对 “华龙  一号 ”124D型主泵泵壳砂型铸造工艺方案进行设  计和模拟，研究其充型和凝固过程，预测缺陷分  布 ,并对工艺进行改进 ,从而获得没有宏观缩孔缩  松缺陷 ， 铸件质量符合要求的工艺方案 。1 泵壳材料要求和结构分析1. 1 泵壳材料要求收稿日期: 2019  -08 -14作者简介:张川（1994  -），男，硕士研究生，主要研究方向为核主  泵壳体铸造工艺设计及缺陷分析 。“华龙一号 ”124D型主泵泵壳材质为铸造铁  素体-奥氏体双相不锈钢 Z3CN20-09M，其化学成  分要求如表 1 所示，显微组织中含有 12%  -20%  的铁素体⑶％ Z3CN20-09M兼有奥氏体和铁素体  不锈钢的特点，与铁素体不锈钢相比，其具有较高  的韧性，较低的脆性转变温度以及较高的耐晶间  腐蚀性能和焊接性能与奥氏体不锈钢相比 ,其具  有更高的强度 ,尤其是屈服强度显著提高 ,并且耐  晶间腐蚀 、 耐应力腐蚀和耐疲劳腐蚀等性能明显  改善⑷％图 1 铸件三维图Figure 1 The 3D modei of casting1.2泵壳结构分析“华龙一号 ”主泵泵壳的基本结构如图 1 所  示，其主体结构为具有较大内腔的旋转体 ,具有一  个进水口 （ 下部 ） 、 一个出水口 （ 侧部 ） 和三个支撑  耳 %该铸造泵壳的零件轮廓尺寸为 ：3570mm “14《 大型铸锻件 》HEAVY CASTING AND FORGINGNo. 1January 2019表 1 Z3CN20I9M主要化学成分 (质量分数 ， % )Tble 1 The main chemical compositions of Z3CN20-09M( mass frrction, % )C Cr Ni Si Mn Cu Co S P Bwo. 04 19.00 -21.00 8.00-11.00 W1.50 W1.50 W1.00 W0. 10 wo. 015 W0.03 W0.0018图 2分型面位置Figure 2 Partine surface position图 3浇注系统Figure 3 Pourine system图 4冒口位置示意图Figure 4  Schematio diaaram of riser position3200 mmX 2500 mm （长 “宽 “咼），净重约  32  i, 最大壁厚为 405  mm,最小壁厚为 150  m叫由此可  以看出泵壳轮廓尺寸较大 ,结构复杂且壁厚差异  较大，铸造工艺设计难度较大％2 泵壳铸造工艺方案2.1砂型 、 浇注位置和分型面选择该铸件严格控制 S、 P等元素的含量，同时要  求尽可能减小铸造应力 ,保证铸件的尺寸精度，因  此可采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺 ,面砂采用新  辂铁矿砂，背砂采用石英砂％金属液冶炼采用 LF 炉 +VOD炉精炼的冶炼工艺，严格控制炉料各元  素含量⑸％根据铸件特点 ， 采用立式浇注位置,  分型面选取在图 2 所示的位置，这种工艺方案可  将铸件的厚大部分置于上部 ， 利于实现自下而上  的顺序凝固 ， 也方便设置冒口 ， 利于起模,保证尺  寸精度％  2.2浇注系统设计树脂砂浇注系统遵循 “快速浇注，平稳充型 , 排气通畅 ” 的原则 ， 因此采用封闭-开放型 、 底注  式浇注系统⑷ %由于铸件底部壁厚较薄 ,为避免  金属液对砂型的冲刷，将浇注系统进入铸型的位  置取在进水口接管与壳体相交处，该处壁厚较大 , 金属液流入铸型时较平稳％根据铸件结构特点设  计了如图 3 所示的浇注系统，直浇道和横浇道均  为两个，內浇道为八个，以保证浇注系统在铸件圆  周向均匀充型，直浇道底部为阻流截面，其中 Ab_ ■AVi：4 内 =1： 1.4：2. 8, 该种设计方案可以保证金  属液能够快速充满型腔 ， 且充型过程液流平稳 。  浇注之前先将型腔内充满 5 气，在浇注过程中采  用 5 气保护浇注 。2.3冒口设计对铸件结构分析发现在图 3 浇注系统下，该  泵壳厚大法兰与三个支撑耳相交处和进水口接管  与泵壳主体相交处易形成热节 ， 为保证铸件组织  致密性 ， 需要在这两处分别设置明冒口和暗冒口  进行补缩 ， 两个冒口均为环形冒口 ， 明冒口设在泵  壳顶部 ， 暗冒口设在泵壳内腔中,与泵壳进水口上  部直接相连⑺ ， 两个冒口的具体形状如图 4 所示 。3 泵壳铸造过程数值模拟3.1数值模拟参数设定Z3CN20-09M不锈钢的固相线温度为  1274T，液相线温度为 1472T ,因此需要控制钢  水的浇注温度在 1520  - 1550T :采用快速浇注的  工艺，泵壳的浇注时间应控制在 120  s~ 135  s。 冷  铁采用同材质的不锈钢 ,以加快铸件凝固速度，形  成自下而上的顺序凝固 ， 保证铸件组织致密性 。  ProCAST软件只需要对铸造过程各个参数进行设  置，就能够对铸件充型和凝固过程进行数值模拟 , 对缩孔缩松进行预测 。 该泵壳在模拟铸造过程中  采用虚拟砂箱 ， 其主要模拟参数设置如表 2 所示 。  3.2模拟结果分析15《 大型铸锻件 》HEAVYCASTINGAND FORGINGNo. 1January 2019表 2主要模拟参数设定Table 2 The main simulation parameters setting浇注条件重力  参数  mSss浇注温度浇注  时间s浇注  速度  kg/s铸型与冷铁  初始温度换热系数W/Sm— K)铸件与铸型 铸件与冷铁 铸型与冷铁重力浇注 9.8 1540 120 450 25 500 3000 500图 5缩孔缩松分布Figuro 5 Shrinkage and porosity distributionTemperature [C]图 6充型过程温度场变化图  Figuro 6  Temperaturo field change diagramof filling process图 7凝固过程温度场变化图Figuro 7  Temperaturo field change diagramduring solidification3.2.1工艺结果分析对上述工艺方案进行数值模拟，金属液凝固  完成后发现铸件能够形成很好的自下而上顺序凝  固，但是从图 5 中可以清楚地看出，在金属液凝固  完成后铸件内部仍然存在宏观缩孔缩松缺陷 ,分  析原因是铸件的三个支撑耳处的缺陷为明冒口没  有完全补缩 ,进水口与壳体相交处的缺陷为暗冒  口没有完全补缩 。 因此 ， 为了提高铸件质量 ， 需要  改进冒口 ， 提高冒口补缩效果 。163.2.2工艺改进为了预防缩孔缩松的产生，增大冒口的补缩  范围 ,在三个支撑耳处将环形冒口往外加宽以对  支撑耳进行补缩 ［ 暗冒口将环形冒口改为实心冒  口 ， 并增加冒口高度 ， 以增大补缩范围 。 同时 ， 为  了使金属液在凝固过程中更好的形成自下而上的  顺序凝固，在泵壳进水口和出水口端部和外侧分  别设置两圈外冷铁 ， 以增大铸件的凝固速度岡 。  由于增大了冒口的体积，同时需要把金属液的浇  注速度增大至 500  kg/s。3.2.3新工艺充型过程分析可根据充型过程中流场分析预测是否会产生  缺陷 ， 如果金属液充型过程紊乱造成飞溅,则易产  生卷气 ， 从而导致气孔产生 。 金属液充型过程温  度场变化如图 6 所示，从图中可以看出，金属液在  充型过程中流动平稳 ,没有发生紊流 ,减小卷气 、  裹气发生的概率 ， 并且在金属液充型完成时 ， 除与  冷铁直接接触处其余各部位金属液温度均在液相  线温度以上 ， 可防止充型过程中产生冷隔 、 浇不足  等缺陷 。3.2.4新工艺凝固过程分析铸件凝固过程通常伴随着温度场变化和物理  状态变化，在该过程中容易产生缩孔缩松等缺陷 , 导致铸件组织不致密 ， 影响铸件质量岡 。 铸件凝  固过程如图 7 所示，从图中可以看出，铸件最先开  始凝固的地方是进水口和出水口端部，因为这些  地方壁厚小 ,同时有冷铁加速散热 ,随后泵壳主体  与进水口接管上方圆周开始凝固，并与出水口凝  固部位联通 ,该最先凝固部位将明暗冒口补缩范  围隔断开，上方通过明冒口进行补缩，进水口及下  部则由暗冒口进行补缩，整个凝固过程形成很好  的自下而上顺序凝固 。 在凝固时间t=2 8000  s 时，铸件部分基本凝固完成，从 X=0和 7  = 0 截  面可以看出明冒口和暗冒口分别对铸件进行了很  好的补缩，铸件凝固过程中没有形成孤立液相区， 可以保证铸件组织致密度 ,提高铸件质量 。3.2.5新工艺缩孔缩松分布预测从图 8 中新工艺缩孔缩松分布可以看出，改  进之后的工艺缩孔缩松主要集中分布在冒口和浇  《 大型铸锻件 》HEAVY CASTING AND FORGINGNo. 1January 2019注系统内 ,铸件内没有宏观缩孔缩松缺陷产生，这  表明改进后的冒口补缩效果明显提高，铸件质量  符合要求 。Figure 8  ShrinPage an' porosity distributionin the new process4结论针对 “华龙一号 ”主泵泵壳进行铸造工艺设  计 ， 采用封闭-开放型 、 底注式浇注系统 ， 通过合理  地设计和改进冒口  ,设置冷铁，采用 1540 七的浇  注温度 ,120  t的浇注时间，快速浇注的工艺，通过  ProCAST软件对铸造过程模拟，结果表明：(1) 对充型和凝固过程分析，表明充型过程  平稳,形成了较好的自下而上的顺序凝固 。(2) 对缩孔缩松缺陷预测，表明改进的冒口  具有良好的补缩效果，铸件没有产生宏观缩孔缩  松缺陷 ， 铸件质量符合要求 。参考文献[1] 赵亮，宋立，范瑞波，等 .“华龙一号 ”与  cpr1ooo反应堆主冷却剂泵对比分析 [a].水泵 技术，2019  (1)  : 1  -4.[2] 阚玉琦，朱喜斌，赵家镇 .核电站冷却剂泵泵壳  铸造质量控制 [J].热加工工艺，2010,  39  (7) : 58  -61.[3] AFCEN. 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