基于有限元模拟的不锈钢泵叶轮铸造工艺优化

《Scientific Reports》：Casting process optimization of stainless-steel pump impellers using finite element simulation

　　

本研究采用ProCAST数值模拟，通过分析六种浇注与补缩配置，对不锈钢CF8M泵叶轮的铸造设计进行评估与优化。模拟在浇注温度1650 °C、初始模具温度25 °C、预估浇注时间20 s的条件下进行。所分析的配置包括基准水平设计以及改进设计，涉及增强冒口与浇口布置、模具倾斜角度从5°至20°范围调整，以及在最终设计中添加辅助排气。研究结果表明，原始设计导致叶轮体内出现有害的温度分布和局部最终凝固区域，尤其在轮毂与叶片-轮毂连接处，从而增加了缩松倾向。通过逐步优化冒口、直浇道、浇口配置、模具角度与排气系统，研究人员改善了温度梯度，提高了补缩效率，并将最终凝固区移至冒口/补缩处。优化后的设计6采用20°模具倾斜并配备排气装置，具有最有利的凝固特性，并降低了叶轮工作体内预期的缩松倾向。研究结果表明，数值模拟可通过在投产前促进多种设计方案的虚拟评估，显著减少对传统试错铸造实验的依赖。本研究提出了一种基于模拟的方法，用于调控不锈钢泵叶轮铸造中的凝固行为、提高补缩效率并减少缩松。

**论文解读：基于有限元模拟的不锈钢泵叶轮铸造工艺优化**

**研究背景与问题**

离心泵叶轮是水处理、发电、化工、油气及海洋工程等工业领域中的关键旋转部件，其功能是将机械能转化为流体动能。由于叶轮在高速旋转、压力波动及腐蚀性环境下连续运行，对其结构完整性、尺寸精度及疲劳抗性提出了严格标准。即使微小的制造缺陷也可能导致过早失效、振动加剧并显著缩短使用寿命。因此，确保叶轮无缺陷生产是铸造工程的核心挑战之一。

在不锈钢叶轮制造中，铸造仍是主要工艺，包括砂型铸造与熔模铸造。然而，这两种方法均易因非均匀冷却、复杂熔体流动行为及凝固收缩而产生缺陷，尤其在具有复杂叶片几何形状与壁厚大变化的叶轮部件中。研究表明，铸造缺陷在某些生产线中占废品率的30%–70%，其中不锈钢泵叶轮因浇注与补缩设计不当，铸造收得率可低至41%–45%，导致显著材料浪费与生产成本上升。

尽管在叶轮铸造方面积累了丰富工业经验，但持续无缺陷生产仍具挑战。主要难点在于铸造过程高度耦合，熔体流动、传热、凝固动力学与热机械应力之间存在非线性相互作用。传统铸造实践中仍广泛使用经验设计准则与试错法调整浇注系统、冒口尺寸及浇注参数，但这些方法对复杂几何形状往往不足。此外，随着工业对高效泵的需求增加，叶轮设计趋向更薄叶片、更轻重量的紧凑结构，进一步缩小了工艺窗口，增加了对热梯度与补缩条件的敏感性。

**研究目的**

本研究旨在通过系统性的模拟驱动方法，优化不锈钢泵叶轮的砂型铸造设计，实现以下目标：生成保守基准设计（Design 1）并进行数值分析，识别易产生缺陷及补缩低效的关键区域；通过逐步调整冒口尺寸、浇注几何、模具倾斜角度与排气策略，系统创建优化设计序列（Designs 2–6）；利用ProCAST模拟与缺陷预测准则定量评估各调整对温度分布、冷却速率、凝固顺序及缺陷倾向的影响；通过评估所有设计的铸造收得率与内部致密性，确定最佳配置，确保定向凝固、稳定充型及低材料浪费；证明模拟引导的设计迭代可替代传统试错法用于复杂叶轮铸造。

**主要关键技术与方法**

研究人员采用ProCAST有限元仿真软件，针对不锈钢CF8M泵叶轮砂型铸造工艺，系统评估了六种浇注与补缩配置（Design 1–6）。关键技术包括：基于有限元法的耦合热-流-固模拟，利用温度依赖的热物性参数（如液相线温度、固相线温度、潜热、热导率、比热容及密度），通过Niyama准则（G/√R，其中G为局部温度梯度，R为局部冷却速率）预测缩松倾向，并使用焓基模型处理凝固潜热释放。模拟采用重力充型条件，浇注温度1650 °C，初始模具温度25 °C，充型时间约20 s。网格敏感性分析确认中等网格精度与计算效率的平衡。所有模拟使用一致的边界条件，包括浇口入口速度、铸型-模具界面传热及外部模具表面空气对流冷却。

**研究结果**

**缩松随浇注与补缩设计优化的演变**

通过ProCAST模拟获得的缩松分布图（图4a–f）显示，随着浇注与补缩设计优化，缺陷显著减少。Design 1（基准设计）在轮毂与叶片-轮毂连接处出现广泛且显著的缩松，表明补缩效率不足且缺乏定向凝固。Design 2略有改进，但缩松仍广泛分布于轮毂区。Design 3中缩松明显减少，缺陷更局限于轮毂区域，表明部分定向凝固实现。Design 4中缩松形成沿补缩方向延伸的拉长区域，表明热调节与冒口效率改善，但仍有残留孔隙。Design 5中缩松显著减少，仅局限于靠近补缩口的有限区域，表明接近理想的补缩条件。Design 6实现最优性能，缩松减至最小且主要位于补缩区内部，证实了从叶轮体至冒口的有效定向凝固，确保最终凝固阶段充分补缩，获得内部缺陷极少的健全铸件。定量比较（表9）显示，Design 1最大缩松百分比为3.2%，Design 6降至0.2%，缩松体积从2.8%降至0.1%。

**浇注与补缩设计对冷却速率分布的影响**

冷却速率分布图（图5a–f）显示，Design 1中冷却速率极不均匀，外侧薄壁区冷却快，轮毂与叶轮-轮毂连接处冷却极慢，形成明显热斑。Design 2仍存在不一致。Design 3中冷却速率分布更均匀，但中心轮毂区仍显示较低冷却速率。Design 4中低冷却速率区向补缩区迁移，表明定向凝固改善。Design 5中冷却速率分布更均匀，低冷却速率区缩小至补缩口附近。Design 6实现最优化条件，从叶轮体至补缩口呈现平滑且受控的冷却速率梯度，主要铸造区显示中高冷却速率，最低冷却速率限于补缩口本身，确保补缩口保持液态更长时间以充分补偿体积收缩。

**浇注与补缩设计对温度分布与热斑形成的影响**

温度分布图（图6a–f）显示，Design 1中温度分布极不均匀，轮毂与叶片-轮毂连接处最高温度约1450 °C，边缘冷却至900–1000 °C，形成多个热斑。Design 2中轮毂区仍维持1400–1430 °C高温。Design 3中核心热斑温度降至约1350–1380 °C，温度梯度更平缓，但最高温度仍位于铸件内部。Design 4中最高温度（约1400–1450 °C）移至补缩区附近，叶轮体更均匀冷却至1000–1100 °C。Design 5中叶轮体温度约950–1050 °C，补缩口维持1350–1450 °C，表明补缩口明显比铸件保持液态更长时间。Design 6中最高温度（>1400 °C）主要限于补缩口内，叶轮体均匀冷却至900–1000 °C，验证了从铸件至补缩口的均匀热梯度，确保补缩口最后凝固，充分补偿体积收缩。

**缺陷预测分析**

基于充型与凝固模拟的缺陷预测分析显示，Design 1因大冒口降低了缩松概率，但充型模拟显示显著湍流与强烈流动汇聚，导致气体与夹杂物缺陷的高预测倾向。Design 2通过优化冒口与浇口布置，Niyama准则值改善，缩松风险降低，但水平模具取向仍导致流动汇聚区，气体缺陷风险未完全消除。Design 3–5中，模具倾斜角度从5°增至15°系统性地降低了速度梯度与流动冲击，显著减少气体卷入与夹杂物形成，但局部区域仍显示轻微气体滞留。Design 6结合优化冒口-浇道系统、20°模具倾斜与辅助排气装置，实现平滑近层流充型，温度梯度与冷却速率平衡，Niyama准则值一致超过临界阈值，缩松风险极低，流动模式稳定且排气路径有效，气体与夹杂物缺陷被完全抑制。

**讨论与结论**

**总结讨论**：本研究系统比较了六种叶轮铸造设计，通过逐步修改模具倾斜技术与冒口-浇道配置，优化铸造收得率同时最小化缩松、气体卷入与夹杂物缺陷。Design 1（基准配置）采用大直径（约133 mm）冒口与水平模具取向，虽成功防止缩松，但铸造收得率仅约41.5%，且充型行为显示显著湍流。Design 2通过将冒口直径减至约66 mm并调整浇口位置与尺寸，实现非倾斜案例中最高收得率（约65.1%），材料效率显著提升，但气体卷入风险仍存在。Design 3–5保持优化冒口-浇道系统，分别采用5°、10°、15°模具倾斜，渐进倾斜减少速度波动与流动不稳定，但孤立湍流与残留气袋在15°倾斜时仍可见于截面突变区域。Design 6整合优化冒口-浇道系统、20°模具倾斜与附加排气装置，实现稳定层流充型，均匀速度分布，完全消除缩松、气体卷入与非金属夹杂物，同时保持约65%的收得率，与Design 1相比内部致密性更优且收得率提升超过50%。

**结论**：数值模拟表明，浇注与补缩设计显著影响不锈钢泵叶轮铸造的温度分布、冷却行为及凝固前沿移动。初始设计将最终凝固区集中于叶轮结构内（尤其轮毂与叶片-轮毂连接处），增加孤立液池与缩松倾向。通过系统调整冒口、直浇道、浇口布局、模具倾斜角度与排气系统，温度梯度得到改善，最终凝固区稳定移至冒口/补缩区。优化设计实现定向凝固，提高补缩效率，减少工作叶轮体中的热斑积聚，并最小化预期缩松。本研究证明，对不同铸造配置的虚拟比较可有效替代迭代试错铸造实验，作为识别缺陷易发区、指导设计修改及通过数值模拟改进不锈钢泵叶轮铸造工艺的预测工具。