CompMechLab® исследования. Конечно-элементное моделирование литья металла для новой модификации крупногабаритного транспортного упаковочного контейнера для хранения отработанного ядерного топлива из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

    

В 2011 г. специалисты Лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ выполнили для ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" на основе CAE-системы ProCAST конечно-элементное обоснование технологических параметров процесса литья металла в рамках проработки проекта создания новой модификации крупногабаритного транспортного упаковочного контейнера (ТУК) для хранения отработанного ядерного топлива из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Общий вид контейнера для хранения отработанного ядерного топлива

Новый корпус контейнера должен обладать большей емкостью для накопления ядерных отходов, что обуславливает его существенно большие массогабаритные параметры по сравнению с предшествующими сериями. Так, длина нового корпуса составляет почти 6 м, а диаметр - около 2,5 м.

В ходе проработки были оценены технологические параметры для двух вариантов заливки: сифонной и дождевой, схемы заливки были предоставлены ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», каждая из которых представляет собой составной вертикальный металлический кокиль с установленным внутри полым стержнем. Сифонная литниково-питающая система (ЛПС) – многоуровневая литниковая система с тангенциальным подводом питателей к форме. Дождевая ЛПС – заливка осуществляется через прибыльные полости в несколько потоков, регулируемых стопорными клапанами.

         
Схемы заливки металла: сифонная, дождевая и
модернизированная дождевая схема с  устанавливаемыми толстостенными трубами

С целью детального анализа процесса заполнения литейной формы жидким металлом было выполнено конечно-элементное (КЭ) моделирование на основе 3-D CAD-моделей и численного решения сопряженных нестационарных нелинейных 3-D гидродинамической и тепловой задач. КЭ моделирование выполнено в CAE-системе ProCAST. Основные задачи КЭ моделирования:

• оценка времени заполнения литейной формы жидким металлом с учетом особенностей формы и гидродинамики заполнения для обеспечения заданного минимального времени заполнения – 120 секунд;
• оценка скоростей потоков в литниково-питающей системы при заполнении формы и выбор рациональной схемы заливки;
• оценка величины усадки металла при затвердевании с целью определения количества и момента доливки прибылей;
• оценка выполнения условий направленной кристаллизации отливки в форме и равномерности движения фронта;
• исследование нестационарных нелинейных 3-D температурных полей кокиля, отливки и стержня в процессе заливки и последующего остывания отливки;
  оценка времени полного затвердевания отливки.

Конечно-элементное моделирование (ProCAST-моделирование)
процесса заливки корпуса сифонным способом (нажатие на картинку запускает анимацию)

Конечно-элементное моделирование (ProCAST-моделирование)
процесса заливки корпуса сифонным способом:
процесс заполнения литейной формы и скорость потока металла в выбранном сечении

Нестационарный процесс изменения температурного поля литейной формы и отливки во времени
при затвердевании металла (с учетом усадки металла, процессов теплопроводности, излучения и
свободной конвекции на внешних стенках)

В работе была выполнена оценка эффективности применения модифицированной дождевой литниково-питающей системы, в которой была предложена установка охлаждаемых воздухом толстостенных стальных труб (один из возможных вариантов конструктивного исполнения). Данное конструктивное решение может сократить время остывания отливки в 5 раз и уменьшить общую массу жидкого металла более чем на 35%. Увеличенная скорость охлаждения отливки позволяет улучшить действие вводимых модификаторов в высокопрочный чугун для обеспечения структуры с шаровидным графитом, а сокращение объема жидкого металла существенно сократить себестоимость изделия.

Фронт затвердевания металла во времени для варианта с установленными
толстостенными охлаждаемыми воздухом стальными трубами внутри отливки

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе результатов выполненных исследований.