СКМ ЛП «ПолигонСофт» успешно применяется для моделирования процессов формирования крупных стальных кузнечных слитков. Такие слитки массой от 100 до 500 тонн используются в качестве заготовок роторов турбин, прокатных валков, валов для установки судовых гребных винтов. Подобные изделия не изготавливают серийно, поэтому необходимо получение качественного слитка с первой попытки, цена ошибки при создании технологического процесса очень высока. Продолжительность заливки крупных слитков может достигать одного часа, а продолжительность кристаллизации – десятков часов. При таких условиях точное моделирование теплопередачи между отливкой и формой, физической неоднородности и структурной неоднородности становится принципиальным. Метод конечных элементов позволяет располагать узлы сетки непосредственно на границе раздела тел, что в сочетании с использованием совпадающих сеток отливки и формы минимизирует погрешность и позволяет с высокой точностью рассчитать процесс остывания слитка.

ГК CSoft приняла участие в научно-исследовательской работе, организованной Siemens совместно с АО «НПО “ЦНИИТМАШ”». В ходе этой работы было проведено моделирование технологии производства двух слитков массой 142 т и 80 т (рис. 1) и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Ключевой стадией вычислений, решающим образом определяющей результат прогноза качества слитков, является расчет температурно-фазовых полей при затвердевании. Сравнение кривых охлаждения, полученных в СКМ ЛП «ПолигонСофт», с замерами, сделанными с помощью термопар, установленных на глубине нескольких миллиметров под поверхностью различных частей оснастки, показало хорошее согласование результатов расчета с данными эксперимента (рис. 2).

Безусловно, на практике следует стремиться к исключению присутствия осевой рыхлоты в литой заготовке, ведь дефекты могут устраняться при ковке не полностью. Экспертам в области литья слитков хорошо известно, что в отсутствие специальных воздействий качество крупного слитка, в частности, склонность к появлению осевой рыхлоты (типично, под уровнем 3/4-1/2 от высоты тела слитка) в решающей степени определяется его конфигурацией (рис. 3). С помощью моделирования была показана бесперспективность мер по утеплению прибыли с точки зрения повышения качества тела слитка. Виртуальная модель позволяет ставить на ней вычислительные эксперименты, задавая идеальные, даже невозможные в реальности, условия теплоизоляции прибыли. В результате таких расчетов было показано, что избежать неблагоприятного режима затвердевания можно лишь изменением конфигурации тела слитка.

В процессе затвердевания слитка и последующего охлаждения на воздухе после его выемки изложница продолжительное время испытывает термические напряжения, способные вызвать ее растрескивание. Изложница должна выдерживать как можно большее количество наливов, однако длительные термические напряжения способны вызвать ее растрескивание. Поэтому исследование ее стойкости представляется весьма актуальной задачей. Анализ напряженно-деформированного состояния изложницы по критерию склонности к образованию трещин позволяет выявить расположение опасных зон и по возможности принять меры для снижения температурных напряжений в ее теле (рис. 4)

Проведенная исследовательская работа позволила установить особенности работы «ПолигонСофт», уточнить тонкости постановки задачи моделирования для повышения адекватности результатов вычислений и сокращения продолжительности расчетов. Компьютерный анализ процессов формирования рассмотренных в работе слитков помог сгенерировать ряд рекомендаций по совершенствованию технологии их литья.