铸造
Oct.2012
1146
FOUNDRY
Vol. 61 No 10
核电用双相不锈钢叶轮铸造工艺
数值模拟及优化
王桂权,刘仲礼,孙志强,刘丰华
(烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司技术中心,山东烟台264002)
摘要:采用 Procast?软件对核电用双相不锈钢叶轮的铸造过程进行了模拟。通过对铸件凝固过程的温度场和速度场
的计算,预测出缩松、气孔及夹渣缺陷的位置。预测结果与实际生产情况相吻合。在对缺陷分析的基础上,通过增
加补贴量及降低浇注速度,提出了新的工艺方案,消除了铸件中的缩松、气孔和夹渣等缺陷,提高了铸件的质量。
关键词:叶轮;双相不锈钢;数值模拟
中图分类号:TP391.9;TG26文献标识码:B文章编号:1001-4977(2012)10-1146-06
Numerical Simulation and Optimization of Casting Method of
Duplex Stainless Steel Impeller for Nuclear Power
WANG Gui-quan, LIU Zhong-li, SUN Zhi-qiang, LIU Feng-hua
(Yantai Taihai Manuer Nuclear Equipment Co, Ltd, Yantai 264002, Shandong. China
Abstract: The casting process of duplex stainless steel impeller for nuclear power is simulated by using Procast
software. Through the calculation of temperature and velocity field, distribution of shrinkage porosity, pore and
slag is predicted, which agrees well with the actual production. On the basis of analysis, some modification
is made by increasing the allowance of casting and reducing the flow rate. Using the new casting method, the
shrinkage porosity, pore and slag disappear compared with the original one, and the quality of the casting is
improved
Key words: impeller; duplex stainless steel; numerical simulation
EPR核电技术是我国从法国阿海珐公司引进的第度大且厚度变化大,最厚处约356mm,最薄处约159
代核电技术,两个示范机组已经在广东台山投入建mm,叶轮的最厚部位为220mm叶轮直径达到约
设。核电站的建设给我国装备制造企业带来了机遇与2900mm,成品重量约6.7t,铸造难度较大。
挑战,我公司承担了EPR核电机组三回路海水循环泵
叶轮的研发工作,通过铸造模拟仿真技术对铸造工艺
的优化改进,最终完成两台机组4个叶轮的交货,实现
了大型双相钢叶轮制造的国产化
1铸件简介
海水循环泵叶轮材质采用GX2 CRNIMON22-5-3双相
不锈钢,化学成分如表1所示。该种材质属于铁素体
奥氏体双相组织,具有良好的综合力学性能及抗海水
图1叶轮零件图
腐蚀性能?。叶轮形状较为复杂(图1),叶片弯曲弧
Fig. I Drawing of the impeller
表1叶轮化学成分
Table 1 Chemical compositions of the impeller
Mn
P
S
Mo
N
≤0.03
≤1.0
≤2.0
≤0.035
≤0.025
21~23
4.5~-6.5
2.5-3.5
0.12~0.2
收稿日期:2012-05-10收到初稿,2012-06-15收到修订稿。
作者简介:王桂权(1985-),男,硕士,研究方向为铸造工艺及数值模拟。
通讯作者:刘仲礼,男,博士,高级工程师。E-mail:liuzhangli8ahotmail.com
铸造
王桂权等:核电用双相不锈钢叶轮铸造工艺数值模拟及优化
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表2边界条件
2初步的工艺设计
Table 2 Boundary conditions
双相不锈钢体收缩大,流动性欠佳,吸气能力强
边界类型
传热系数IWw·(m2?K)
铸件一铬铁矿砂
500
易产生针孔和皮下气孔等缺陷,且其凝固范围宽(138C
铸件一冷铁
2000
左右),易产生缩松、疏松等缺陷?。为了使铸件达到
冷铁一砂型
500
顺序凝固,工艺上采用纤维保温冒口,面砂全部采用
铬铁矿砂一石英砂
铬铁矿砂,并分散内浇道以减少热节。为了防止在充
7800
型过程中形成的CrO3、CrO2等氧化膜与紊流引起的气
7600
体一起卷入形成二次夹杂,工艺上均匀布置浇道,保
证内浇道在同一平面,并采用缓浇一快浇一缓浇的浇
7400
注工艺进行浇注,以加强钢液在型腔内的平稳上升。
a7200
双相不锈钢海水循环泵叶轮的铸造工艺如图2所示
保温口
盖板
6800
6600
-20002004006008001000120014001600
冷铁
叶片前端
下盖板
图4铸件密度随温度的变化曲线
图2叶轮的铸造工艺图
Fig. 4 The variation curve of density of casting with temperature
Fig 2 Casting process drawing of the impeller
3有限元模型及边界条件
为了缩短试验时间,采用铸造模拟软件对工艺进
086420
行验证。模拟之前对该铸造工艺进行了如下假设:①
金属液为不可压缩牛顿流体;②铸件外铬铁矿砂的厚
兰,旦.≥哥
度相等;③发热覆盖剂均匀覆盖在冒口内的金属液上。
铸件的有限元网格如图3所示,铸件和铬铁矿砂共
10
500
1000
包含330万网格和72万节点。背砂采用虚拟模具设置。
温度/C
为了保证发热覆盖剂能随金属液的收缩而与液面保持
图5铸件热导率随温度的变化曲线
接触,发热覆盖剂的效果采用软件中的 Surface heat功
Fig. 5 The variation curve of thermal conductivity of casting with
能进行处理。另外,根据以往模拟经验,对浇注系统
ture
的网格进行了特殊细化,以确保钢液在多条浇道内的
运算能够更精确且一致。
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一需
图3叶轮的有限元网格
Fig 3
