霍尔锚是我国中大型船舶中最常用的首锚。现役霍尔锚具有以下特点：锚干为锻钢，锚爪为铸钢，且锚体无横杆，锚爪和锚冠可以绕穿过锚干下端孔的销轴转动，锚爪折角约为45°，两爪同时入土，抓重比为2.5~4.0，最大不超过8。
霍尔锚锚爪前后体积变化较大，现有铸造难以顺序凝固，容易在锚爪顶端产生缩孔现象、在锚爪爪端产生缩松现象，铸件成品质量不高。现有铸造主要依赖生产经验和现场试验来解决铸造缺陷问题，生产效率不高，导致霍尔锚锚爪的大量报废，给企业和船舶带来重大损失。而霍尔锚锚爪质量过关和不产生缺陷的关键在于其浇注系统的设计。因此，以典型大型船用霍尔锚为对象，特别是霍尔锚的锚爪为研究对象，进行现有铸造工艺系统的再现，并使用MAGMA软件对其铸造过程进行数值模拟，对铸件充型过程中的流场、缩孔等进行模拟分析，并设计和改进工艺，以提高铸件的内部质量和生产效率。
（1）工件模型及参数
由于霍尔锚规格众多，本文参考GB/T546-1997《霍尔锚》标准，同时为了方便模拟计算，选择规格为100 kg、锚高为500 mm的霍尔锚。利用pro/e软件建立起霍尔锚锚爪的三维模型，如图1所示。霍尔锚锚爪质量小于5 t，为中等铸件，采用钢液作为浇注材料，浇注温度控制在1420~1460℃。在现有工艺中，霍尔锚锚爪底部的孔体积较小，为方便铸造成型，需要填满再加工。由于锚爪内部设计为中空，需要在内壁保留5 mm的加工余量，且铸件距端面处有坡度，也保留5 mm加工余量。
（2）现有浇注系统
浇注系统设计的合理与否，直接影响着铸件的质量、废品率和工艺出品率。设计的浇注系统若存在不合理，就有可能造成许多铸造缺陷，如砂眼、夹渣、气孔、冷豆、浇不足和冷隔等。为了保证金属液平稳充填整个型腔，防止液态金属氧化、吸气和铸件产生冷隔等缺陷，因此必须确保金属液在型腔中上升的速度是合理的。同时浇注时间与上升速度也对铸件有重要影响，金属液合金的种类、铸件的特性(复杂程度、结构、尺寸及壁厚等)和所用浇注系统的类型等也是选择上升速度和浇注时间的关键因素。由于现有工艺中已将上述影响因素规范化，因此在数值模型中将整个铸件的最佳浇注时间设置为15 s，钢液的上升速度设置为20 mm/s，流速则为4 kg/s。确定浇注系统各组元的断面尺寸和浇道比。本文以现有工艺为基础，选择直径为30 mm、面积为7 cm2的注孔，同时采用开放式的浇注系统，直浇道横截面积为14 cm2，横浇道横截面积为16.8 cm2，内浇道横截面积为21 cm2。现有霍尔锚锚爪的浇注系统如图2所示。
在MAGMA软件的前处理中导入铸件以及现有的浇注系统模型和设置追踪粒子。其中设置追踪粒子的目的是分析液态金属液充填结束后杂质和氧化物的运动情况，预测这些杂质是否在金属液凝固之前能够上浮到铸件主体以外，即铸件内部是否会出现夹杂等缺陷。
由于霍尔锚锚爪铸件的复杂程度不高，故选择MAGMA中的自动划分网格选项进行分析，就可得到理想的网格划分结果。软件划分网格数量为8823152。划分好网格之后对霍尔锚锚爪的材料、浇注过程的工艺参数等进行设置。本次设计采用的模具类型是砂模。铸件材料为GS20Mn5，型砂材料选择Cr-sand（石英砂）；金属液初始温度为1560℃，型砂初始温度为20℃；铸件和型砂间的热传递类型选择Steel-Sand；整个浇注时间为15 s。
（1）粒子追踪分析
粒子追踪是模拟金属液在型腔内的充型过程，利用MAGMA软件自动生成的霍尔锚锚爪铸造的粒子追踪过程如图3所示。图右边色标的不同颜色对应粒子进入型腔的时间长短，图中不同颜色的粒子在型腔内杂乱无章的排列，同时粒子间有交错现象产生，即金属液进入型腔的过程中流动不平稳，有飞溅、漩涡、裹气等现象，整个系统的流动性能较为一般，容易产生充填不足等情况，影响铸件内部的质量，降低铸件合格率。
（2）缩孔分析
分析缩孔模型即分析铸件冷却后某些部位产生缩孔的概率大小。如图4所示，现有锚爪的铸造工艺系统模拟中，出现了较大(15%)的缩孔区域，因此实际生产中该区域产生缩孔的可能性很大。
由以上模拟分析可以看出，现有霍尔锚锚爪的铸造系统存在一定的缺陷，主要在粒子追踪模拟过程中，即金属液在整个充型的过程中的流动不平稳，有飞溅、漩涡现象，整个系统的流动性能较为一般，如果采用现有设计的浇注系统进行浇注，极有可能发生卷气现象，从而直接影响铸件的质量；同时在缩孔模型中出现了较大的缩孔区域，实际铸造过程中产生缩孔可能性很大，因此需要对现有铸造工艺系统进行改进，提高粒子流动性，降低缩孔现象。
