楊 旭中國石化集團金陵石化公司烷基苯廠 江蘇南京 210046

基于ProCAST蒙乃爾合金葉輪鑄造方法的優(yōu)化

楊 旭
中國石化集團金陵石化公司烷基苯廠 江蘇南京 210046

蒙乃爾合金具有很好的抗腐蝕性能，能承受氫氟酸等腐蝕，在氫氟酸法烷基化工藝中被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)使用的進口蒙乃爾合金泵，由于供貨渠道，后期維修等原因，嚴重影響烷基化設(shè)備的正常運行。本文借助ProCAST軟件對不同材料溫度下蒙乃爾合金葉輪鑄造過程進行數(shù)值模擬，通過比較得到最優(yōu)的鑄造溫度，同時針對數(shù)值模擬中出現(xiàn)的問題進行工藝上的改進，并進行實際鑄造試制，總結(jié)優(yōu)化，進一步提高蒙乃爾合金泵的國產(chǎn)化效率。優(yōu)化后合金在實際鑄造中無縮孔、縮松和氣孔出現(xiàn)，實際使用中運行狀態(tài)良好。

蒙乃爾合金;葉輪鑄造;ProCAST;優(yōu)化設(shè)計

一、前言

目前國內(nèi)引進進口的氫氟酸催化法烷基化裝置，由于其工藝過程中使用的催化劑氫氟酸是有強腐蝕性、劇毒的化學(xué)品，如果在生產(chǎn)過程中發(fā)生泄露，對人和設(shè)備都會造成很大的危險，所以氫氟酸法制備烷基化油對煉油設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及材料等的要求就變得很高。長期以來，只有美國環(huán)球油品公司和菲利普斯石油公司具有氫氟酸烷基化設(shè)備的兩種工藝專利技術(shù)。這兩種工藝對泵的要求都很高，特別是材料上，要求過流部件都為蒙乃爾合金制造，因為蒙乃爾合金有很好的抗腐蝕性能，還能承受特別是氫氟酸等腐蝕。

烷基苯裝置的反應(yīng)循環(huán)泵和HF酸再生泵等為典型的蒙乃爾合金泵，從國外進口，價格很高。目前，進口和備件采購等通道不是很暢通，嚴重影響了烷基化設(shè)備的正常運行與維護。此外，由于國外的年代較久，性能不能滿足工業(yè)要求，因此，提升此類設(shè)備經(jīng)濟性也很有必要。

反應(yīng)循環(huán)泵和HF酸再生泵為低比轉(zhuǎn)速離心泵，具有高揚程、低流量的外特性。目前國內(nèi)對蒙乃爾合金的鑄造工藝的研究多局限于試驗的方法，而針對蒙乃爾合金的鑄造工藝的數(shù)值模擬方面的研究相對較小。鑄造數(shù)值模擬能夠有效提高研究工藝工程的效率，降低成本，還可以針對數(shù)值模擬中出現(xiàn)的問題給予針對性的解決，以得到可行的鑄造工藝方案，這對積累蒙乃爾合金的鑄造工藝經(jīng)驗很有幫助。本文旨在對蒙乃爾合金的鑄造工藝進行數(shù)值模擬，分析鑄造過程中的流動情況，鑄造過程中的溫度場以及鑄后的應(yīng)力場的分布進行預(yù)判。

二、計算模型

鑄造數(shù)值模擬的主要采用的數(shù)值方法有：有限差分法（FDM）、直接差分法（DFDM）、控制體積法（VEM）、有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）和格子氣法（LGA）。目前國內(nèi)廣泛的使用的鑄造分析軟件有ProCAST、MAGMA、Flow–3D以及華鑄CAE[7-8]。這四種軟件采用的算法基本都為FEM或FDM，網(wǎng)格數(shù)限制也不大，但是應(yīng)用范圍上，目前華鑄CAE還有一定局限性，不支持應(yīng)力分析。

由于ProCAST具有以下優(yōu)點：

⑴基本算法FEM適用于模擬復(fù)雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。

⑵全模塊化設(shè)計，適用于各種鑄造過程的模擬。

⑶具有熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，只需輸入合金的化學(xué)成分，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫就可以自動估算出這些屬性。

本文采用ProCAST進行仿真。

本文中所需的葉輪，直徑較小，流道很窄，普通砂型鑄造達不到葉輪精度等方面的要求，故采用精密鑄造的方法。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計的設(shè)計理論并參照國外蒙乃爾合金泵的大包角參數(shù)，對葉輪進行了設(shè)計。根據(jù)設(shè)計葉輪結(jié)構(gòu)并參照精密鑄造砂型鑄造的經(jīng)驗，采用頂式澆注系統(tǒng)，并加大澆口。為防止空氣被帶入到型腔中，直交道頂部橫截面應(yīng)該比底部橫截面稍大一點，。設(shè)置較大的流道，保證葉輪的補縮量。為了防止鑄件在存放、焙燒和澆注過程中受外力作用導(dǎo)致型殼破碎和鑄件的變形，直澆道下方要比鑄件突出一塊。

由于ProCAST沒有實體建模功能，本文在Pro/ ENGINEER軟件建立模型，包括澆冒口、葉輪等。如圖1所示：

圖1 鑄件和型腔模型

蒙乃爾合金熔化溫度在1315℃～1345℃，據(jù)此設(shè)計了三個澆注溫度對照組，分別為1400℃、1450℃、1500℃。為提高澆注液的流動性，提高鑄件的表面質(zhì)量，對型殼進行預(yù)熱，設(shè)定型殼預(yù)熱溫度為400℃。

本模型中各個零件的各個部位的網(wǎng)格大小設(shè)置的并不一樣。鑄件的網(wǎng)格需要劃分的較為精細，模殼網(wǎng)格數(shù)可以相對較少。采用這種劃分方式不僅可以保證計算精度，而且可以減少計算時間。在網(wǎng)格劃分后，需要修復(fù)質(zhì)量不好的網(wǎng)格，直到網(wǎng)格質(zhì)量達標。經(jīng)過反復(fù)修改，型腔模型共生成體網(wǎng)格988849個。

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入CAST模塊后，需要對其進行前處理。具體設(shè)置見表1。

表1 前處理條件設(shè)置

三、計算結(jié)果

1.充型過程分析

三種方案的充型過程基本相似，金屬液充滿型腔的時間也基本相同，充型過程如圖2所示。

圖2 充型過程

由上圖可知，在充型的過程中，金屬液填充過程平穩(wěn)，無嚴重飛濺現(xiàn)象，無孤立的空間，避免了裹氣；填充的順序也較為合理，由3個豎澆道進入，基本上依照從下到上的順序填充，同時，充型的時間比較短，6秒鐘即可完成整個充型過程。此外，在整個充型的過程中，沒有見到澆不足的地方。

2.縮孔縮松分析

在凝固過程分析中可以明顯看到澆口部分的收縮很嚴重，該部分可能會產(chǎn)生縮孔縮松。同時蒙乃爾合金的體收縮較大，故對其縮孔縮松發(fā)生可能性和部位進行分析。

在鑄件凝固時，如果形成孤立的液態(tài)區(qū)域，那么該區(qū)域可能就會形成縮孔縮松。在ProCAST中可以通過Cut–off查看溫度場或者凝固分數(shù)或者運用Niyama準則。

本文采用POROS=1的縮孔模型，對于其中的縮松量進行分析，用Shrinkage porosity來進行顯示，單位為體積分數(shù)。正常來說，當Shrinkage porosity高于0.01體積分數(shù)時為宏觀縮松，低于0.01體積分數(shù)時為微觀縮松，本文只考慮宏觀縮松。結(jié)果如圖3所示。

圖3 縮孔縮松

由上圖可知，各個方案在澆冒口位置的Shrinkage porosity體積分數(shù)都有部分高于0.01，即為圖示的紫色區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生為宏觀縮松。從方案一到方案三，發(fā)生縮松的體積逐漸變大，但三種方案的縮松發(fā)生區(qū)域均不在鑄件上，對于鑄件的質(zhì)量影響不大。

3.冷卻過程應(yīng)力分析

冷卻過程中，由于溫度降低，完全凝固的鑄件可能會產(chǎn)生冷裂。ProCAST軟件可通過計算有效應(yīng)力來判斷冷卻過程是否有發(fā)生冷裂的傾向。經(jīng)過分析，各個方案的有效應(yīng)力分布相似，最大值差距不大。分布狀況如圖4所示：

圖4 有效應(yīng)力分布

從圖中可以看出，在豎澆道和葉輪蓋板交界的區(qū)域和葉片出口的區(qū)域，有效應(yīng)力值很大，而葉輪背面相對來說有效應(yīng)力值很小。其中葉輪進口邊緣以及豎澆道和葉輪蓋板交界區(qū)域有效應(yīng)力值較大可能是由于建模中未對其進行特殊處理，而實際生產(chǎn)中會在交界邊緣做圓角處理，有效應(yīng)力值應(yīng)該有所減小?？偟膩碚f，由于豎澆道的影響，葉輪蓋板會承受一定的力，可能會產(chǎn)生冷裂。

四、生產(chǎn)驗證

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析出的最佳澆注溫度方案，對其進行了實際的生產(chǎn)驗證。圖5為制模和加工完成之后的葉輪.

圖5 鑄造后的葉輪

圖5試制圖從圖中可以看出，用上節(jié)所選擇的工藝精鑄出的蒙乃爾葉輪外觀良好，沒有可見的縮孔縮松和氣孔，在蓋板上也沒有裂紋或者冷隔產(chǎn)生。在實際使用中，該葉輪運行狀況良好。

五、結(jié)論

通過對蒙乃爾合金的葉輪鑄造工藝進行數(shù)值模擬可以得到：在充型和凝固過程中，澆注溫度的變化對其影響不大，縮孔縮松的產(chǎn)生雖然隨著澆注溫度的提高，范圍越來越大；由于蒙乃爾合金的易吸氣，要采用低溫快澆的辦法進行澆注，1400℃的澆注溫度為最佳的澆注溫度；在豎澆道和葉輪蓋板交界的區(qū)域和葉片出口的區(qū)域，有效應(yīng)力值較大，需要對該部位進行處理；邊界處盡量不要出現(xiàn)尖角，且在澆注完成的一小時后，將其放入熱處理爐中保溫后隨爐冷卻。最后對優(yōu)化后的鑄造工業(yè)進行試驗，最后得到：在實際鑄造中無縮孔、縮松和氣孔出現(xiàn)，實際使用中運行狀態(tài)良好，同時也驗證了鑄造數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

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Optimization of Monel Metal Pump Vane Casting Method on Basis of ProCAST

Yangxu, Jinling Petrochemistry Company Alkylbenzene Factory of Sinopec,Nanjing, 210046

Monel metal has good corrosion resistance property and it can burden hydrof uoric acid corrosion, so it is widely used in hydrof uoric acid alkylation craft. Presently, the imported monel alloy pumps used in China have inf uenced the normal operation of alkylate equipment because of the problems of supply channel and late maintenance. In this paper, numerical simulation is taken on the course of monel metal pump vane casting in different material temperatures and by comparing, the optimal temperature is got and also take improvement on the problems appearing in numerical simulation and then take practical casting trial production. The ultimate aim is to improve the domestication eff ciency of monel metal pump by taking conclusion and optimization. After optimization, the metal does not have the problems of shrinkage cavity,shrinkage porosity and blowhole, and the operation state in practical using is good.

monel metalpump vane casting；ProCAST；optimal design

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