| 题名 | 几种关键铸件的铸造工艺模拟与实验研究 |
| 作者 | 陈露贵 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-23 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 李殿中 |
| 关键词 | 关键铸件 数值模拟 浇注系统 热应力 宏观偏析 |
| 其他题名 | Simulation and Experimental Study of Casting Process |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 我国是铸造大国，铸件年产量近七年一直高居世界首位，但远非铸造强国。主要原因有两方面：一是能源和资源消耗高，环境污染严重，二是铸造技术水平相对较低，铸件质量和附加值不高，使得许多重大装备的关键铸件完全依赖进口。要改变目前这种状况，关键在于大力提升我国铸造技术水平，特别是重大装备关键铸件的铸造技术水平。集成数值模拟技术与传统技术，摒弃传统的“睁眼造型、闭眼浇铸”弊端，自主创新一种面向生产需求、着力解决生产实际问题的铸造技术，是提升铸造技术水平的关键。本文从铸造数值模拟的四个方面：凝固热传导、流体流动、热应力和宏观偏析，对几种典型关键铸件的铸造过程进行了数值模拟研究，并把模拟结果与实验研究相结合，开发了几项关键工艺。 通过对铁路货车转向架中摇枕铸钢件铸造过程的现场测温，运用逆算法获得了铸件与多种铸型材料之间的界面换热系数，利用所得界面换热系数，准确地预测了摇枕的实际缩孔位置，并为其它铸件的数值模拟提供了参考。 建立了电渣加热冒口移动热源模型，准确地预测了采用电渣加热工艺的支承辊缩孔疏松缺陷；利用此模型设计了电渣加热最优工艺参数，成功试制目前国内最大的65t铸钢支承辊。形成了电渣加热冒口设计工艺，为生产更大吨位、大高径比铸件提供了技术支持。 建立了航空用高温合金母合金锭的充型凝固模型，根据模拟结果找出了合金锭出现一次和二次缩孔的根本原因，并设计了新的浇注系统、金属模以及保温冒口，成功地消除了一次和二次缩孔，出品率从原来的72%（未完全切除一次和二次缩孔）提高到77%以上（没有任何缩孔），形成了效率更高的高温合金锭铸造工艺。 建立了100 t空心钢锭凝固模型，模拟分析了各种工艺参数对最终凝固位置的影响。通过物理模拟实验，发现液氮-压缩空气混合气体比单一的压缩气体冷却效果更好。建立了型芯的混合气体流动模型，得到了沿内套筒高度分布的内套筒与冷却介质之间界面换热系数。根据模拟结果确定铸造工艺，成功试制了45 t的空心钢锭，为生产更大吨位的空心钢锭提供帮助。 建立了310 t钢锭用钢锭模热应力模型，根据模拟结果找出了钢锭模的裂纹起源位置和扩展机理，钢锭模开裂的时间和形式。模拟结果与实际生产吻合。利用钢锭模热应力模型，优化钢锭模结构，延长了钢锭模的使用寿命。这项技术已用到多个几百吨级别大型钢锭模的设计和制造之中。 建立了凝固-冷却-打箱-切除浇注系统-热处理的整合热应力模型，并模拟了大型喷泵叶轮机械加工前的最终几何形状，叶轮铸件关键点的实际变形测量结果与模拟结果相吻合。利用热应力整合模型对关键点增加反变形量，得到了加工余量小且均匀的叶轮模样，并成功试制出叶轮。在这个薄壁叶轮铸件模拟和实验的基础上，形成了一种新的复杂结构薄壁铸件变形控制方法。 通过深入分析大型钢锭宏观偏析的形成机理，比较空心钢锭与传统实心钢锭的宏观偏析程度，提出了一种类似于空心钢锭制造、通过控制凝固时间来抑制宏观偏析的新方法。建立了小颗粒对钢锭凝固影响的物理模型，成功避开传统宏观偏析模型，找出了抑制宏观偏析的最有效方法。通过模拟计算得到了添加钢球的工艺参数。通过金属模和砂模小型钢锭的模拟结果，论证了砂模小型钢锭有足够长的凝固时间来产生显著的宏观偏析。试制了具有大型钢锭宏观偏析效果的小型钢锭，验证了模拟结果。添加钢球的小型钢锭实验结果表明：添加钢球可以使钢锭的宏观偏析得到很大程度的抑制，还可以细化晶粒，发展了一种低偏析大型钢锭制造的新工艺。 上述关键铸件的成功研制，显示了同时考虑凝固、热传导、流体流动、热应力和宏观偏析的整合模型在工程应用上的价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 147 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17012]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈露贵. 几种关键铸件的铸造工艺模拟与实验研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
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