大型不锈钢球阀熔模铸造工艺优化

 杨胜男1  吴文云1  汪东红1  曹阳根1,2

 （1．上海工程技术大学材料工程学院；2．上海信适智能科技有限公司）

摘要大型不锈钢汽轮球阀结构复杂、壁厚不均，存在孤立热节，熔模铸造时存在局部缩松。借助Pro CAST软件，在分析原有工艺方案的基础上，对浇冒系统的结构进行了重新设计，并采用特殊方法引入铸造冷铁，使铸件实现自下而上的顺序凝固，成功消除了球阀铸件孤立热节处的缩松缺陷，提高了产品的合格率。

 关键词  球阀；熔模铸造；Pro CAST；工艺优化

 中图分类号  TG142. 71; TG249.5 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 018

 球阀是近年来被广泛采用的一种新型阀门，通过带有圆形通道的球体作启闭件，球体随阀杆转动实现启闭功能。对输送化工产品的管道，要求有较强的耐腐蚀性能，希望阀内流道表面粗糙度低，以提高其抗腐蚀能力。传统的砂型铸造无法达到此技术要求，通常需要采用熔模铸造工艺生产。

 对于大型复杂球阀，阀体壁厚不均、热节多，极易出现缩松、缩孔等缺陷。阀体结构一般不允许进行较大更改；确定的阀体材料，其浇注工艺参数可变范围也很小。产品通常需要通过优化浇注系统设计，提升产品的合格率。某超大型不锈钢汽轮球阀，内部品质要求极高，需要进行耐水压测试，阀门体积大，结构复杂，壁厚差异大，存在孤立热节，局部常出现缩松缺陷，成品率低。本课题利用Pro CAST软件对其浇冒系统进行优化设计，同时采用特殊方式设置冷铁，以期解决产品的缩松问题，提高产品合格率。

1球阀结构及浇注方案分析

1.1球阀结构

 图1为汽轮用超大型不锈钢球阀的三维模型。该铸件材质为CF8M不锈钢，最大外轮廓尺寸为500 mm×448 mm×265 mm，质量为70 kg，平均壁厚为15 mm，球阀中间阀体部分内外两壁间距小，并且阀体底部含有厚大热节，特别是含有两个孤立热节，热节处不允许有任何孔洞缺陷，阀门底座为大平面结构。该铸件结构复杂，属于典型的多热节铸件。

1.2现用工艺方案分析

 球阀阀体采用顶注式浇注系统，双明冒口，见图2。优点是液态金属从铸型型腔顶部引入，在浇注和凝固过程中，铸件上部的温度高于下部，有利于实现自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用；液流流量大，充型时间短，充型能力强；造型工艺简单，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。但是，球阀阀体内部厚大热节处缩松严重，见图3。

 利用Pro CAST软件对现用方案的浇注过程进行模拟分析，型壳和铸件之间的传热系数为1 000W／(m2．K)；浇注温度为1 550℃；冷铁温度为30℃，型壳焙烧温度为950℃；充型速度根据浇口面积和充型时间计算得到。图4为充型完成的固相率，可以看出阀体底座凝固最彻底，其次是阀体侧壁，而内阀体侧壁与底部交接处仍为液相区，这样的独立液相区凝固完成后易形成缩松。图5为模拟球阀凝固完成后缩松的分布。可以看出，在两孤立热节得不到补缩，出现了较大的缩松，同时在其他热节处也出现小范围的缩松、缩孔，与铸件实际情况符合。

2  工艺方案分析与优化

 铸造冷铁具有高的导热性和蓄热性，并有较强的激冷作用，如能安放在铸件热节处，可有效地防止铸件产生缩孔、缩松缺陷。但是熔模铸造的型壳在浇注前要经过1 000 ℃左右的焙烧，冷铁经高温焙烧后会产生氧化皮。浇注时氧化皮掉入型壳内，会形成夹杂物。若用耐高温的不锈钢冷铁，浇注后附在铸件上很难加工且不能循环使用，而且还增加了制造成本。基于此，采用从球阀底座引入钢水，球阀上端倒置于4个外置冷铁上。这种冷铁设置一定的锥度，预先放置于指定位置，等型壳焙烧后再放置于冷铁上面，型壳与冷铁间间隙小，钢水

浇注后，快速凝固而不会流出。这种外置冷铁避免了内冷铁生锈、高温氧化而与钢水发生化学反应，同时也能起到激冷作用。见图6。

 利用Pro CAST软件对优化后的方案进行模拟分析，铸造过程中的凝固顺序见图7。由图7可见，与冷铁相连接的阀体上端部在冷铁的激冷作用下，最先凝固，然后是阀体侧壁及薄壁底座，最后是浇道，整体呈现从下至上的凝固顺序，冒口的金属液从上往下补缩通道畅通。由于两孤立热节处设有浇口，并与两直浇道相接，直浇道的模数比球阀内部两个孤立热节处大，补缩作用明显，结果显示有效消除了热节处的缩松，见图8。

3  生产验证

 按原有生产过程用优化设计后的方案进行生产。重新制作蜡模、型壳，冷铁预先放置于地面指定位置，焙烧好的型壳置于冷铁上，使冷铁的锥面与型壳的锥孔无缝对接后进行浇注。批量生产后抽样检测发现，铸件的合格率明显提升。

4  结  语

 通过浇冒系统的优化设计，并在孤立热节处设置冷铁，实现了从下到上的温度梯度，使铸件达到自下而上的顺序凝固，避免了较大孤立热节，有效消除了铸件关键部位的缩松缺陷，提高了产品合格率。