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3-68 铀零件铸造过程计算机模拟罗 超 杨建雄 王震宏 黄卫东 林 鑫 通过对铀（U）铸造凝固过程的计算机模拟, 并结合铸造浇注流场的水力学模拟实验,对U锭铸造过程中缩孔、缩松、气孔等缺陷的形成机理进行研究，优化铸造工艺, 获得高质量铸件。采用有限差分法 ( FDM )对纯铀铸件凝固过程中的温度场进行非稳态数值模拟，并利用流体力学的方法和相似原理, 借助雨淋式浇注系统对铸件的浇注过程进行水力学模拟实验，研究各种铸造工艺参数对合金凝固过程影响，考察纯铀铸锭浇注过程中金属液对铸型型腔的冲刷情况以及凝固时凝固界面的演化和发展过程, 分析纯铀铸锭产生气孔的原因。 针对本项目中合金的电磁铸造特性，建立了描述铸件和铸型中的传热基本规律的轴对称柱坐标控制方程。针对提出的数学模型，采用控制体积法进行方程的离散，通过对初始条件和边界条件的处理，得出铸件和铸型中温度场随时间的变化曲线。由现场实验和模拟结果可以看出，在纯铀圆柱铸锭电磁铸造过程中，铸件中具有较高的轴向温度梯度和很小的径向温度梯度，铸件凝固过程是以相当好的单方向，即沿轴向由下往上进行推进，不存在凝固时的补缩阻碍，同时由于是采用纯铀材料，材料本身的凝固区域很小，因此不大可能形成位置固定的轴心部位缩松。从铸件纵向截面的探伤照片可以看出，铸件中的孔洞形状较为规则，且表面光滑，并且根据以往的实验，当铀中含碳量较高或加入微量的铪时，该位置的孔洞即消失，因此可以判断，该孔洞为气孔的可能性较大，这主要是由于在真空中熔炼铸造时，尽管环境的分压很小，但仍有可能存在部分残余的原本分压较小的气相，这些气相在浇注充型过程中，由于液相对型壁的冲刷及自身的搅动，有可能会形核析出和膨胀，并且液相铀料本身的粘度较高，不利于气体的排出，再加上在充型过程中液相主要由边缘向下流向中心汇流，再向上流动，且凝固自下而上进行，由此造成了气孔在轴心靠近底部的部位聚集。而当铀料中含碳量较高或加入微量的铪，这些微量元素可能与气体元素结合成稳定化合物，从而防止气体析出。 建议对纯铀圆铸锭轴心部位的微孔洞部位作切片分析，分析孔洞内壁的成分及微孔洞形貌，以确定微孔洞成因，并详细分析纯铀料的成分，以确定是否存在可能形成低分压气相的元素，为进一步制定工艺改进方案打基础。从水力学模拟可以看出：缺陷最可能发生在容器底部、液面及六股液流的汇合处。另外，与原型相比，模型与大气相通，因此充型初期，有大量气泡产生，在原型中，除了真空外，尚有磁场的作用形成一定的凝固梯度，这一定程度上也会对试验结果有些影响，本实验的难点在于很难获得高质量的二维面光源，只能通过录像而非照片显示流动花样。模拟结果与实验吻合较好。 |