高温平板
闸阀是炼油催化裂化装置上的重要设备之一，工作于700~800℃、1~2MPa的石油烟气中。其阀体材质为ZG1Cr18Ni9，毛坯重2150kg，浇注总重3342kg，形状复杂（如图1）。由于在高温高压的腐蚀介质中工作，因此对其铸造质量有很高的要求，以防在高温下发生油气渗漏而造成质量事故。
但由于该阀体结构特殊，对其铸件的致密性始终没能得到很好地解决，试压时经常出现渗漏现象，更为严重的是产品在使用过程中时常发生泄员问题，造成质量事故。作者在原有铸造工艺基础上，利用先进的铸造工艺模拟软件，结合生产实践，通过铸造过程温度场和流动场的模拟分析，前后三次对铸造工艺进行了改进，基本消除了阀体曾经出现的缩孔、缩松等铸造缺陷，实现了阀体试压无泄漏。
一、问题提出
该件原有的铸造工艺见图2，主要特点是四个法兰采用立浇工艺，由4个明冒口分别对其进行补缩，同时在阀体的中间顶部，采用一个暗冒口进行补缩。浇注系统采用阶梯式，即4个法兰底部各进一条浇道，中间分型面处又设立4条浇道，以保证钢液的充型平稳。
但铸件在机加工时，4个法兰尤其是2个回法兰钻孔时，在圆孔内会发现一些近似孔洞类的铸造缺陷。在水压试验时，有近1/4的圆孔发生渗漏现象。从表征来看，这些缺陷要么是气孔，要么是疏松。在此前，工艺人员认为此缺陷是气孔所致，并采取相关措施进行预防，如改用容易烘干的田基涂料、增强烘于措施等，但几乎没有太大的效果。因此，我们认为该缺陷主要是由于疏松所致，并就此进行了攻关。
二、原因分析
1、理论分析
从铸件结构来看，该件的四个法兰都是立式浇注。由于只能设置顶胃口，因此只能对法兰顶部实现局部补缩。当钢液凝固时，由于冒口补缩通道狭窄，导致法兰的中下部存在孤立区。这些部位只能实现自补缩，在凝固后最终形成轴线性疏松。在用体交结的口环处存在较大热节，该部位甚至会形成缩孔缺陷。
从铸造工艺来看，阶梯式浇注系统不利于铸件的顺序凝固。由于用液是从铸件底部进入，使先注入的钢波最后填充到了冒口之中。这部分钢液温度较低，而最后充入法兰底部的钢液温度较高，这样形成了负的温度梯度（即冒口温度低，铸件温度高）。因此，胃口对铸件无法实现有效补缩，加剧了疏松和缩孔的形成。
2、铸造CAE数值分析
A、铸造CAE软件简介
铸造CAE是以传统的铸造工艺理论为基础，运用传热学、流体学和数值分析理论，结合计算机软硬件技术，对铸造工艺进行辅助设计的软件。其作用主要是：通过精准逼真的三维建模，提高了工艺人员对铸件实体的形象认知，为下一步确定科学合理的铸造工艺打下了良好的基础；准确计算铸件、浇督系统的重量及工艺出品率，为炼钢生产提供了准确的产量目标，同时也提高了冶炼钢液的利用率；通过流动场的模拟，预测浇注系统、浇注温度的设计合理性，并预测充型过程中可能出现的冷隔、冲砂、粘砂等缺陷；通过温度场的模拟，判断整体工艺设计、冒口补绩效果及其它部位的凝固状况，有效预防铸件的缩孔、缩松缺陷，根除了因设计不准确造成胃口太大而导致的钢波浪费状况，进一步提高了工艺出品率。其工艺流程如图3。
本文采用华铸CAE软件对PZ900阀体的原铸造工艺及改进后工艺，分别进行了纯温场、流动场以及纯温场和流动场耦合后的数值模拟分析。
B、原工艺纯温场的计算分析
纯温场模拟，是指钢液在“瞬间充型、瞬间凝固”的理想条件下，在短时间（一般为几分钟）内即可完成数值计算，对铸件的凝固收缩分析有一定的指导意义。图之为原工艺在冒口进行后期补缩时刻的凝固状况。绿色代表已凝固部分，红色部分表示尚未凝固的液态。由图可知，5个冒口尚未完全凝固，但4个法兰以及口环处存在与冒口断开但尚未凝固的区域（即孤立区），冒口对这些孤立区无法实现补缩，最终在此处形成缩松，造成阀体在压力下产生泄漏。此结论与前面理论分析完全一致。
C、原工艺流动场与纯温场耦合后的计算分析
该过程是计算机在钢液边流动充型、边传热凝固的条件下进行数值计算，由于边界条件复杂，计算时间较长（该件需要16h）。由于考虑了钢液充型时的传热因素，模拟结果与实际非常接近。图5表明，该件4个法兰的中下部及口环处存在孤立区，这些部位最终会产生疏松。
三、工艺改进及模拟分析
为了实现法兰的顺序凝固，消除口环处的热节效应，使冒口对铸件充分补缩，最终确保铸件组织致密，根据上述模拟结果，对原工艺进行了以下改进。
首先，为实现法兰的顺序凝固，采用外冷铁对4个法兰的中下部进行激冷，如图6所示。在工艺设计时合理选用冷铁板的厚度和结构，使其在发挥激冷作用的同时，避免法兰表面产生冷隔和裂纹缺陷。由于冷铁的激冷作用，使法兰的中下部首先凝固，上部随后凝固，冒口最后凝固，这样便使铸件实现了较为理想的顺序凝固，消除了同时凝固容易出现的疏松缺陷。
设置冷铁后铸件的温度场与流动场耦合凝固模拟，见图7。
模拟可知，工艺改进后4个法兰的中下部首先凝固，上部可由冒口补缩，这样实现了顺序凝固，消除了疏松缺陷。但口环处的热节依然存在，需进一步采取措施。
为消除口环处的热节效应，造型制芯时在此处设置蓄热系数大、易导热的铬铁矿砂（或锆英砂），使此处由以前的最后凝固转向与其相连的薄壁部位同时凝固，尽可能的消除缩松缺陷。
原工艺浇注系统下的温度场与流动场耦合模拟的“铸件色温图”，如图8所示。此工艺的浇注系统使整个铸型形成了负的温度梯度（红色代表低温，绿色代表高温），与前面理论分析相一致。很显然，这样很不利于铸件的顺序凝固，冒口也发挥不了应有的补缩作用。为此，我们设置了两套浇注系统，即从暗冒口处增加一条直浇道，再由暗冒口分别通向4个明冒口。实际浇注时，钢液先从原工艺浇注系统进入，当钢液充满铸件后，立即改从冒口浇注，这样使高温钢液最后充入冒口，实现了负温度梯度向正温度梯度的逆转，也使铸件实现了顺序凝固。（限于软件限制，无法实现双浇注系统的模拟）图9为改进后工艺措施示意图。
四、效果分析
在实际生产中，先后三次对改进后的工艺逐步进行了实施。实践表明：每一次工艺改进铸件质量都有显著的提高。尤其是最近一次生产的阀体，完全采用了上述工艺，在机加工钻孔时各法兰螺纹孔及光孔内没有发现任何疏松或缩孔缺陷；煤油渗漏检查时没有发现渗漏；2MPa压力、10min水压试验时也未发现渗漏现象，试压一次性合格。
