摘 要

物料输送的管道是由直管和弯头两部分组成。夹带物料粉的高速运动气流在通过弯头部分的时候，由于离心力的作用而不停的旋转，旋转场中比例比较大的颗粒向着弯头外侧面上运动，使外侧的管壁面上发生严重的冲刷性磨损。单一材质和结构的弯头很难满足此工况的要求，因此提高弯头耐磨性，优化其铸造工艺成为各个工厂的一个研究课题。经大量的实验数据发现，内衬式结构的设计可以使弯头在重量没有明显增加时，提高其寿命，所以复合耐磨内衬弯头开始广泛应用于工厂中，并且近年来，数值模拟技术不断发展，为弯头的实际铸造工艺提供指导，缩短了弯头铸造时间，降低了生产成本。

本文中主用使用软件是三维造型软件UG、Pro-E和数值模拟软件ProCAST。首先要绘制三通管及浇注系统的三维造型。而浇注系统的三维造型绘制之前，应对浇注系统进行设计。本文因冒口的放置位置的不同而有两种浇注方案：方案一和方案二。然后划分网格，导入到ProCAST中，对这两种浇注系统的三通管模型分别进行模拟，比较、分析它们的充型和凝固过程，得到最优的浇注方案。最后分析最优工艺方案中三通管的铸造缺陷出现的可能原因。在实际生产中，以此为参考，设计更好的铸造工艺。

关键词：耐磨弯头内衬；建模；数值模拟

Abstract

Conveying pipeline is composed of straight pipe and the logistics elbow of changing the direction. High speed air of entraining material powder flow through the elbow part, due to the effect of centrifugal force constant rotation. Large proportion of particles in rotating field toward the outside of the wall motion of the elbow,so that the surface of the outer wall of occur seriously erosion wear.Single material and structural bend is very difficult to meet the requirements of this condition, So it is an important research topic to improve the wear resistance and to optimize the casting process in each plant. A large number of experimental data found that the lining structure design can greatly improve the elbow life when the weight of the elbow significantly increasing, so composite wear elbow lining began to widely used in factories, and in recent years, numerical simulation technology development, provides guidance for the elbow of the actual casting process, shortens elbow cast time, reduces the production cost.

In this article the main using software is three-dimensional modeling software UG, Pro - E, and the numerical simulation software ProCAST.First it draws the three dimensional modelling of tee and gating system.And before the three dimensional modeling of the gating system,gating system design.In this paper, due to the difference position of riser and there are two kinds of casting solution: plan 1 and 2.Then the mesh is divided ,imported into the ProCAST to simulate the tee of kinds of gating system respectively ,compare and analyze their filling and solidification process, get the best pouring program. Finally, it analyze the possible causes of casting defects that it arise in optimally technological scheme. In actual production, as a reference to design better casting process.

Key words: Wear resistant elbow lining；modeling；numerical simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.1.1 课题的研究背景 1

1.1.2 课题的研究意义 2

1.2 铸造数值模拟技术在国内外的研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 铸造CAE模拟技术的不足 3

1.4 本课题研究的主要内容 4

1.5 小结 4

第二章 模型的三维造型 5

2.1 三维造型软件的介绍 5

2.2 三通管三维造型的绘制 6

2.3 浇注系统的设计及三维造型绘制 8

2.3.1 浇注时间的确定 9

2.3.2 冒口的设计 11

2.3.3 本课题浇注系统的设计尺寸 12

2.3.4 浇注系统三维造型的绘制 12

2.4 小结 13

第三章 铸造数值模拟 14

3.1 ProCAST软件介绍 14

3.2 网格划分 14

3.3 铸造工艺参数确定 15

3.4 铸件模拟 17

3.4.1 充型过程模拟 17

3.4.2 凝固过程模拟 21

3.5 铸件铸造缺陷分析 23

3.6 小结 25

第四章 总结和展望 25

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1课题的研究背景

在电力、冶金、矿山等行业，诸多物料要进行输入、输出，如：火力发电输送，热电厂灰、渣输送，煤厂煤粉、精煤输送，选矿厂尾矿、精矿输送，港口矿浆、泥沙输送，粉煤浆输送等。这些物料在输送中，管道需要承受很大的压力，并且因各方面的受力磨损是相当严重的，尤其是弯头部分。这就需要有耐磨、耐高温、耐腐蚀强的各种管道和弯头来满足各种物料输送的条件要求。所以对各种弯头性能及工艺的研究是极其必要的。

弯头的主要作用是改变管道方向。弯头分类方式有多种，可以按照角度划分，有45°弯头、90°弯头、180°弯头以及非正常角度的弯头；按照弯头的材料可分为陶瓷复合耐磨式、衬陶瓷式、双金属耐磨式、不锈钢耐磨陶瓷式、稀土耐磨式、碳钢耐磨式、铸钢耐磨式、合金钢耐磨式及以铜、铝合金，塑料，氩硌沥，PVC，PPR为材质的弯头等，以上是国内对弯头的一个基本的分类。国外的法兰标准也有很多,例如：按照弯头的曲率半径来进行分类，一般可划分为长半径和短半径这两种弯头。

现在工程师们对弯头进行研究时，不但要考虑其材料的耐磨性，还要兼顾其使用安全性及使用寿命等，同时也要考虑管道及弯头整体的强度问题。由试验可以发现，内衬式结构的设计可以使弯头在重量没有明显增加时，提高其寿命，并且内衬式制造工艺具有适应性能强 、容易控制、产品性能稳定可靠、施工安装方便等优点，所以弯头结构形式采用内衬式 ，此外，根据长期的工厂生产制作，从多次失败中总结经验，得到复合性耐磨弯头。最近发展的采用特殊性工艺技术生产的内衬陶瓷复合式耐磨弯头，即为用无机非金属材料制造弯头的一个实例。通过多组实验可以看出高硬度的陶瓷内衬能大幅度提高弯头的耐磨性，但国外在大尺寸耐磨件上使用陶瓷材料态度十分谨慎，这主要是因为陶瓷材料的脆性与钢铁材料之间相比较几乎没有变形能力。对于国内弯头以组合型高铬铸铁耐磨弯头为实例进行说明。因为弯头的磨损属于典型的冲蚀磨损，所以弯头材料要用高硬度、高塑韧性的材料。传统的抗磨材料主要用普通的白口铸铁，它的耐磨性好、生产成本低，但是其脆性大、性能差，而合金化是改变其使用性能的有效方法之一。加入铬，可明显提高白口铸铁的韧性，改进它的耐磨性。所以采用含铬量比较高的铸铁。将该组合型高铬铸铁耐磨弯头运用于电厂中，经反映，该弯头的焊接性能良好，使安装工期大大缩短。并且使用过程中没有出现质量缺陷，通过现场检查，发现管壁厚磨损很小，达到了延长弯头使用寿命的目的。

1.1.2课题的研究意义

弯头作为电力、冶金、矿山等行业，物料进行输送管道的重要部件，且本身的工作条件、工作环境十分恶劣、复杂，弯头性能直接影响物料输送的安全运行。因此提高弯头耐磨性，优化其铸造工艺成为各个工厂的一个研究课题。利用理论结合实际运用CAE技术进行铸造数值模拟可以选择、优化弯头铸造工艺、预测弯头铸造质量和性能，降低铸造缺陷出现的概率，从而减少弯头的生产时间，提高工厂的生产效率及经济效率。

1.2铸造数值模拟技术在国内外的研究现状

在21世纪中，计算机技术的快速发展，计算材料学的重要性在材料的研究领域也凸显出来。如果在实际生产之前对铸件的铸造生产过程进行数值模拟，就能达到优化铸造工艺、缩短铸造时间，降低成本，从而节约大量的人力、物力、财力。 而且有从产品质量和缺陷预测的角度来看，CAE仿真对于技术分析、预测、铸造产品的质量和缺陷的评价等方面，具有最高效的技术和最低的成本。

1.2.1国内研究现状

国内的铸造数值模拟技术起步比较晚，其研究大约开始于1978年，相对于国外比较系统化的铸造数值模拟技术还需长远的发展。这几年来，我国以铸造研究院、高等学校、铸造生产工厂三者相结合的形式进行合作研究，使国内的铸造模拟技术快速发展。近年来，我国在这一研究领域建立了拥有自己理论体系的研究机构。七十年代后期，沈阳铸造研究所与高校联合研究诸多的课题，这些项目的研究表明我国的铸造数值模拟技术发展快速。2003年胡红军等人研究铸造工艺对铸件质量的影响, 他们运用有限差分法的模拟方法来分析温度分布、液体流动及可能出现的缺陷，优化了铸造工艺。后来李落星等教授们同样运用了有限差分法的模拟方法，不过他们开发了3D热分析系统，大量的实验数据进行分析，实验结果表明这个3D热分析系统能够提高整个分析过程的计算效率，并且在模拟铸件实例中成功分析、验证了铸造缺陷。还有熊守美和组员们用数值模拟的方法优化了永久铸模及A356铝合金的薄壁铸件的铸造工艺。优化铸造工艺后，对所得结果进行分析，发现没有明显的铸造缺陷。此外香港理工大学的傅铭旺教授运用铸造模拟软件MAGMASOFT对铝合金的压铸工艺进行模拟仿真。所建立的模型网格，与有限差分法的模拟方法所建的网格相比，在视觉效果上更接近于真实的铸造过程，将计算机模拟验证与质量问题联系起来，提供更加有效的解决方案。

1.2.2国外研究现状

上个世纪六十年代，铸造模拟方法首次被提出，但是一直到二十世纪70年代初期，学者们对于铸造数值模拟技术还处于摸索状态。1962年丹麦学者Forsund第一次将有限差分法运用到了铸件凝固过程的中，实现了铸造数值模拟技术在铸造中的初步运用。此后许多国家如：美国、日本、德国、前苏联及台湾等的学者相继开展了铸件凝固过程中数值模拟以及相关的理论与试验研究。在70年代末到80年代铸造数值模拟仿真研究和应用工作都达到空前的高度，自此计算机技术，开始在铸造中得到广泛的应用。如：七十年代初美国学者Dehlke和他的研究团队对铸件后期的凝固过程成功的进行了二维计算机模拟仿真。还有台湾学者黄文星对铸造充型过程进行研究，将流体力学理论应用于充型模拟中，分析充型过程中的流场分布，实现了铸件充型过程的模拟仿真。此外，1989年，出现了世界上第一个铸造CAE商品化软件MAGMA，它的核心内容是温度场分析。2006年，S.Oxley和P.M.Haigh选取了六种不同的商业模拟的工具对复杂的铸造模型进行铸造缺陷模拟，依此来评估精密铸造模拟的效率。2011年，Nicola Gramegna等学者以止推轴承为例，运用基于多目标遗传算法的模拟优化软件modeFRONTIER,来研究不同几何构型对冲突目标的权衡曲线的分析。得到的结果表明，铸件铸造过程中所存在残余应力的区域对铸件的整个寿命产生了影响，强调了扩展优化分析的重要性。通过国外铸造数值模拟技术研究现状可以看出：经过30多年的不断发展，铸造数值模拟技术以充型、凝固过程模拟以及对缩孔缩松预测为主，并且已经运用于实际生产中。

1.3铸造CAE模拟技术的不足

铸造CAE模拟技术通过数值模拟的方法，对于铸件的充型、凝固过程模拟，并对其铸造缺陷、温度场、应力场等结果以计算机图形的方式直观的表现出来，作为其参考数据。尽管在这30多年中，铸造CAE模拟技术迅猛发展，但现实生活中，铸造生产时液态金属流体的流动状态以及铸件、铸型、周围环境之间的传热现象十分复杂，并且因为周围大量的外在因素的影响，使得铸造模拟技术存在很多的不足。主要的问题有：⑴充型和凝固过程中涉及很多的控制条件，使得计算量较大，效率比较差；⑵精度的设置，精度提高的方法是划分更小的网格，但是划分更小的网格后，会使得模型的节点数、单元数成倍的增加，计算时间变长。⑶铸造充型、凝固模拟的边界条件的设置，不同的边界条件对应不同的模拟结果，为了优化铸造工艺，边界条件的设置显得尤为重要。⑷对于铸造铸件宏观层次的结果，如：充型、凝固结果，铸造缺陷等可以在实际生产中得到验证，但对于微观层次的结果，如：流场、温度分度等很难与实际相联系。

1.4本课题研究的主要内容

本课题题目为“复合耐磨弯头内衬铸造数值模拟”，复合耐磨弯头选用的材料是高铬铸铁，首先根据复合耐磨弯头的尺寸和形状特征，对其进行三维建模，设计浇注系统及浇注参数。然后导入到软件ProCAST，对复合耐磨弯头内衬的充型和凝固过程进行了数值模拟，根据最后的模拟结果来分析弯头的铸造缺陷，达到优化铸造工艺、预测产品铸造质量和性能的目的，为耐磨弯头内衬的实际铸造工艺提供指导。主要的内容如下：