本文涉及的阀体材质为铸钢材料，毛坯质量为180kg，形状比较复杂。图1为该铸件的三维图。由于这种阀要承受一定的温度和压力，并且还要具有抗腐蚀能力，因此对铸件的质量要求较高，以防在使用过程中出现事故。
图1 阀体三维图
由于该阀体的结构比较复杂，在铸造过程中很容易出现各种铸造缺陷，严重影响了铸件的质量。为了消除这些缺陷，结合生产实际，通过铸造过程中温度场、流动场以及应力场的模拟分析，对钢阀的铸造工艺进行了改进，基本上消除了阀体在试制过程中出现的铸造缺陷。
一、铸造模拟理论及View Cast简介
1、数学模型
铸造模拟过程主要包括流动场和温度场的数值模拟，可由Navier-Stoks（动量方程）、连续性方程及Fourier（能量方程）来描述。
动量方程：
连续性方程：
能量方程：
体积函数：
上述方程中，u，v，w为网格点（x，y，z）流速在三个坐标轴方向上的分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；T为温度，K；Cp为比热容，J/（kg•K）；t为时间，s。
2、View Cast简介
View Cast软件由三大模块组成：①前置处理；②数值求解；③后置处理。该软件区别于其他模拟软件的一个最大的特点，就是它本身就是一个设计软件，当要生产一种新产品时，可以依靠该软件进行浇注系统的设计。View Cast软件的解题思路见图2。
图2 View Cast解题思路
二、原始工艺方案及模拟结果
1、原工艺方案存在的主要问题
图3 阀体原始铸造工艺
图3所示是该阀体原始的铸造工艺，采用的是立浇工艺，是由4个明冒口对铸件进行补缩。为了使型腔内部的气体能及时排出而在铸件表面不形成气孔，从而设置了一个排气孔。该铸件在造型过程中除要造型外还要制作型芯，采用粘土砂造型，型芯采用的是水玻璃砂。生产过程中出现比较严重的裂纹，如图4所示。
图4 铸件中的裂纹缺陷
一般情况下，引起铸钢件裂纹的因素很多，其中钢液在冶炼过程中产生的夹杂物是产生裂纹的重要原因之一。非金属夹杂物在高温下或溶解于钢液或单独存在于钢液中，但随着温度的下降及成分、气体压力等条件的改变，原来溶解于钢液中的夹杂物将以独立相分离出来，在结晶过程中聚集于晶界上，成为割断铸钢基体连接的微小单元，从而形成了裂纹的潜在隐患。
另外，由于原始工艺使用了双浇注系统，这种方法操作比较麻烦，而且极易产生卷气、冷隔等浇注缺陷。原始工艺中型芯是用水玻璃砂制成的实心型芯，水玻璃砂在烘干之后其强度和硬度都很大，其退让性很差，而铸钢件在凝固过程中收缩比较大，因此不能满足铸件的收缩的需要，会在铸件的球体部分产生很大的应力。为了消除生产中产生的这些铸造缺陷，将型芯由以前的实心改成空心，以增加型芯的退让性。图5是改进后的型芯。
图5 改进后的型芯
2、原始工艺模拟及结果分析
图6所示的是原始工艺的凝固模拟，深色部分表示未凝固部分。从图中可以看到，在凝固进行到21。46s时，在阀的顶部出现了孤立区域；在凝固进行到71。05s时，在小端法兰出现了孤立区；在进行到89。25s和143。85s时，分别在两个大法兰处出现了孤立区，这些部位最终会产生缩孔、缩松缺陷。从整个凝固过程可以看出，该补缩系统不能满足铸件的补缩需求，甚至没有起到补缩作用。
阀体在凝固过程中的应力场模拟分析如图7所示，浅色表示受拉应力作用，深色表示受压应力作用。从图中可以看出，在球体部分有很大的拉应力，这解释了为什么在铸件球体部位会出现裂纹。
图6 原始工艺的凝固模拟
三、工艺优化后的模拟及分析
图7 铸件的应力场分析
为了解决上面所提到的负温度梯度的问题，实现法兰的顺序凝固（即从下往上依次凝固），消除法兰根部的热节效应，使冒口对铸件充分补缩，最终确保铸件组织致密，根据以上模拟的结果，对原始工艺进行改进。
首先，为了实现法兰的顺序凝固，采用冷铁对法兰的局部进行激冷。在工艺设计时选用合适冷铁厚度，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发生。其次，就是将原始的两个浇注系统改成一个浇注系统，这样以来，不仅由于冷铁的激冷作用使得铸件法兰下部先凝固，冒口最后凝固，消除了凝固过程中出现的缩孔、缩松缺陷，而且一个浇注系统，消除了两个浇注系统容易出现的冷隔、卷气等缺陷。图8是利用View Cast优化后的浇注系统。
图8 改进后的工艺
图9 改进后的工艺模拟
图9是优化后工艺的模拟结果。从图中可以看出，由于冷铁的作用，使法兰的中下部首先凝固，上部随后凝固，冒口最后凝固，铸件较为理想地实现了顺序凝固。但是从图中还是可以看到当凝固进行到434。37s时，在一端大法兰处出现了孤立液相区，在这个地方最终可能会形成缩松缺陷。所以虽然改进后的工艺有效地减少了铸件的缩孔、缩松缺陷，但还还需要进一步优化。在实际生产中，为了消除环口处的热节效应，造型时在这些地方应设置蓄热系数大、易导热的铬铁矿砂或者锆英砂，尽可能地消除缩松缺陷。
实践表明，改进后的工艺能有效地解决试制初期出现的裂纹缺陷。采用优化后工艺生产的铸件，如图10所示。经过破坏性实验以及相关检测表明，已经基本消除了缩孔、缩松以及裂纹缺陷。
四、结论
图10 工艺改进后的铸件
（1）将原来的两个浇注系统优化成了一个浇注系统，并且在出现缺陷的地方安放冷铁，使该部分先凝固，冒口最后凝固，实现了顺序凝固，解决了阀体在铸造过程中出现的铸造缺陷，提高了铸件质量。
（2）实践表明，ViewCast能比较准确地对铸件进行模拟计算，真实地反映铸件在铸造过程中出现的缺陷类型、大小及位置。
（3）将型芯改成空心，增加了型芯的退让性，铸件在凝固过程中能自由的收缩，消除了裂纹。
