广东鸿源众力发电设备有限公司
1引言
当前，在进行铸件充型以及凝固环节中，广泛应用到数值模拟技术，该技术的应用能够对铸造过程得到有效的控制。同时，该技术在铸件成形工艺以及方案设计、更改环节中也发挥着重要的作用。对于转轮体这一铸件而言，其有着大面大、厚壁的特点，并且铸造环节中对于材料的韧性性能有着较高的要求。本文主要以ZG20SiMn低合金钢作为研究对象，对铸造工艺设计与改进方面的要点进行分析。
2转轮体研究与应用的重要性分析
随着国内经济社会的快速发展，石油、煤炭等能源已经面临着枯竭的紧张局势，这会对经济建设造成一定的阻碍。因而，现阶段要加强对自然界中可持续能源的研究与应用，尤其要做好风能、太阳能以及水能等清洁能源的研究，进而为人们的生产生活提供便利。对于水能这一可再生能源而言，其取材相对广泛，并且不会对周围的环境造成污染与破坏。特别是利用水能进行发电工作，可以有效的满足居民生产生活方面的需求。这一过程中，要对转轮体的加工与设计引起足够的重视，进而确保发电工作的顺利开展。在进行外球面的加工与铸造工作时，主要用到的机床设备主要分为两种：其一，就是新型立车设备，该设备有着数控功能。其二，就是以往所应用到的普通立车，这类设备不具有数控功能。一般来说，对于一些老旧的水电设备制造厂而言，由于受到观念与资金的影响，导致了设备的更新换代速度较慢，因而在新型设备的添设方面没有引起足够的重视。由于受到当时科技条件的限制，使用的生产设备还比较原始，设备的更新速度还比较慢。具体生产过程中，需要借助靠模加工技术，因而需要配备相应的靠模加工工具；但是，对于带有数控功能的机床设备而言，技术人员只需进行程序的设定即可。
3转轮体铸造工艺设计分析
本文所研究的转轮体铸件，其材质主要选用的是ZG20SiMn，该材料的化学成分见下表1。通过对铸件的结构做出相应的分析之后，发现这一转轮体是回转体结构，并且在结构方面较为复杂，其壁厚有车不均匀的特点。此外，铸造环节中铸件容易出现气孔以及粘砂、缩松等问题，同时在进行砂芯定位以及制作环节中也存在着较大的困难。因此，有必要对其进行铸造工艺设计以及工艺、方法上的改进。
设计过程中，由于考虑到凝固部位存在着液态金属补缩的问题，也就是铸件顶部的质量难以得到控制，因而设计时在这一位置处设置了冒口，进而能够防止缩松以及缩孔、浇注不足等问题的发生。经过计算，得到了高度H是900mm的位置，其模数是最大的，M件=11.92cm。此外，位于Ф1653法兰位置处，其平面上设置了2个不同的明冒口，并且将其形状设定为腰圆形，通过查表确认，得到了冒口位置的尺寸是600mm×900mm×960mm。另外，在冒口模数方面，取M冒=14.65cm；在重量方面，取G冒=4446.1kg。通过对模数比进行相应的计算之后，得到了这一比值为M冒/M件=1.23，超过了1.2，因而能够得到模数法的要求。在进行冒口可补缩金属液量的计算时，得到了液量值为4446.1kg×14%×2=1244.9kg。最后，经过计算得出冒口可补缩金属液量超过了铸件补缩区的量值，因而这一设计环节能够满足相关工艺的要求。由以往的浇注经验得出，将铸件的收缩率设定为2%，将拔模的斜度设定为1:10。
3模拟结果的分析
3.1数值模拟法的应用
在进行模型分析工作时，主要使用的是AnyCasting软件。该软件的应用能够对铸件的充型凝固环节做出相应的模拟，并且可以得到一系列的数值。对于ZG20SiMn低合金钢铸造材料而言，其砂型是水玻璃砂。因而，在进行实际的研究与生产过程中，将铸件和砂箱之间的传热系数设定为500W/（m2·K）；同时，将浇注环节的温度设定为1560℃，充型速度控制在150kg/s左右。另外，浇注时间方面维持在170.6s。这一过程中，重力加速度定义为9.8m/s2，其他的一些运行参数主要借助默认的方式进行设置。
3.2初始方案模拟以及结果的分析
首先，进行方案1的设计中，主要使用的是底注式的浇注系统，这一浇注系统能够达到充型平稳的目的。具体浇注环节中，型腔底部位置处的金属液温度相对较高，但是在上部位置处，液面的温度相对较低。由于存在着较大的温差，因而对顺序凝固以及冒口补缩将会造成不利的影响。此外，浇注环节中内浇道位置处容易发生过热的问题，进而造成了缩孔、缩松以及晶粒粗大等严重的问题，这就要求对浇注系统进行优化设计与改进。
3.3优化方案模拟以及结果的分析
通过上文对方案1的分析之后，及时发现了该方案的问题与不足，改进时主要考虑到使用阶梯式浇注系统。对于这一系统而言，有着对称性以及金属液冲击力小等方面的优势，同时该系统也能达到充型平稳的目标。此外，该系统浇筑环节中能进行有效的补缩以及渣气上浮，并且内部的温度分布相对均匀，能够有效防止局部过热问题的发生，尤其在进行中、大型铸件的浇注环节中，可以优先选用该方案。当浇注工作结束后，铸型内腔有着良好的充盈效果，不切没有发生浇不足等问题。因而，这就表明该浇注系统的设计有着较高的合理性。但是，在接近冒口的位置处，铸件上部存在着凝固时间过长的问题。为了有效解决缩孔以及缩松缺陷等现象，需要对铸件温度场的分布状况进行相应的优化，进而避免底部过热问题的发生。具体改进环节中，主要在铸件底端放置了方形冷铁，此方案设定为方案3。
利用方案3进行浇注的环节中，其充型平稳，并且对温度场进行了优化。在铸件凝固期间，铸件温度最低的位置就是放置冷铁的部位，并且附近的温度场从这一位置处逐步的向周围升高。在冒口位置处，温度始终是最高的，进而能够达到顺序凝固的目的。其中，下图2为采用该工艺生产出的铸件。
5结束语
在进行水轮机转轮体铸件的浇注环节中，通过采用阶梯式或者是开放式浇注系统，能够取得良好的充型平稳效果，由此浇注的铸件没有出现明显的缺陷。因而，现阶段要加强对转轮体铸造工艺的合理设计与优化，可以在铸件顶部位置处设置明冒口，同时还可以在铸件的底部位置处放置冷铁，进而达到良好的浇筑效果。
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