Виртуальный инжиниринг

Пример моделирования отливки «Пробка шарового крана» для ЗАО «Тяжпромарматура»

Отливка «Пробка шарового крана», производимая из углеродистой стали 20Л методом литья в песчаные формы, используется в элементах запорной арматуры магистральных газовых трубопроводах. В связи с этим к отливкам предъявляются высокие требования по наличию газовых и усадочных дефектов. Масса одной отливки с литниково-питающей системой составляет более 15 тонн.

Основной целью проведения расчета литья данной отливки являлось определение мест и причин образования усадочных рыхлот. Данный дефект был основной проблемой при производстве отливок, так как при механообработке полученных изделий снимался слой металла толщиной 15-20 мм по всей внешней поверхности пробки. Затем все полученные отливки проходили контроль дефектоскопии, который в большинстве случаев выявлял наличие распределенной усадочной пористости по большой поверхности отливки. Наличие данного дефекта не соответствовало требования ТК, а концентрация усадки на значительной площади делало невозможным ее исправление. В результате все забракованные отливки уходили на переплав, что влекло значительные расходы со стороны производства.

Выявленные зоны усадочных рыхлот после проведения дефектоскопии

При производстве отливок используется облицовочная хромитовая смесь, стальные холодильники для захолаживания основных тепловых узлов, а также экзотермическая и теплоизоляционная оболочки для поддержания высокой температуры в прибыли. Заливка формы проводилась одновременно из двух ковшей.

Для проведения численного моделирования процесса литья была подготовлена конечно-элементная сетка для половины модели в связи с полной симметричностью геометрии. Построение расчетной сетки, а также настройка параметров технологического процесса осуществлялась в программной среде VisualCAST.

Расчет заполнения формы показал, что в зоне подвода металла создается очень высокое течение потока. Струя долгое время воздействует на стержень с большой скоростью, что может привести к размытию формовочной смеси и образованию засоров в отливке.

Заливка формы сплавом с распределением температуры металла, тепловое влияние холодильниковЗаливка формы сплавом с распределением температуры металла, тепловое влияние холодильников

Вектора течения металла по сечению питателя

Также для того, чтобы оценить места скопления неметаллических включений, можно воспользоваться параметром трассировки частиц. Анализ движения неметаллических частиц показывает, что в основном поток металла уносит все включения в прибыль, однако вероятно скопления засоров в месте верхнего пережима (переход стенки в подприбыльную часть).

Пути движения неметаллических частиц при заливке формы

Расчет тепловой задачи также показал неравномерную кристаллизацию сплава в сферической стенке отливки: фронт затвердевания проходит от прибыли к месту подвода металла с образованием большого количества небольших закрытых участков жидкого металла. Такой характер кристаллизации связан в первую очередь с быстрым охлаждением сплава из-за использования хромитовой смеси, а также местным перегревом в зоне питателей. В результате в данной зоне образуется большое количество усадочной рыхлоты.

Неравномерная кристаллизация металла в объеме отливки

Распределение усадочных дефектов в отливке

Таким образом, расчет в ProCAST показал хорошую сходимость результатов усадочной пористости с практическими данными, а также подтвердил высокую эффективность программного комплекса для задач предприятия.