■ 楊敬偉

大型鑄鋼件的材料利用率一直是鑄造工藝人員關(guān)注的重點(diǎn)之一，例如大型軋機(jī)機(jī)架鑄鋼件，凈重動(dòng)輒上百噸甚至幾百噸，澆注總鋼液重往往比凈重多出接近一倍，因此開(kāi)展降低冒口體積、提高材料利用率研究非常有意義。保溫冒口套或保溫磚的使用可以在一定程度上增加冒口模數(shù)即減小冒口體積，但普遍認(rèn)為對(duì)于直徑大于1000mm的冒口使用時(shí)經(jīng)濟(jì)性并不好，因此其在大型鑄鋼件上使用得并不多。傳統(tǒng)上典型的軋機(jī)機(jī)架冒口設(shè)計(jì)都是采用直冒口，而直冒口與板形鑄件形成了“丁字筋”結(jié)構(gòu)，即形成了一個(gè)大型的接觸熱節(jié)，其最終凝固部位往往在冒口下端與鑄件上表面的位置，如果工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)或澆注溫度過(guò)高，則很容易導(dǎo)致此位置超聲波無(wú)損檢測(cè)不合格（晶粒粗大），甚至裂紋的產(chǎn)生。

在增加冒口模數(shù)的新技術(shù)尚未出現(xiàn)之前，補(bǔ)澆是解決大型鑄鋼件上述問(wèn)題的一個(gè)重要方法，可以在增大冒口模數(shù)的同時(shí)讓成分偏析遠(yuǎn)離鑄件本體。以往，對(duì)冒口補(bǔ)澆的效果人們只能通過(guò)想象、以及從生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)果反推，本文使用ProCAST軟件對(duì)補(bǔ)澆過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，便于鑄造工作者參考借鑒。

1.試驗(yàn)產(chǎn)品介紹

（1）結(jié)構(gòu)尺寸與生產(chǎn)工藝試驗(yàn)產(chǎn)品為某種規(guī)格機(jī)架的橫梁部位，毛坯尺寸如圖1所示，圖中剖面線截面為后序建模與網(wǎng)格劃分時(shí)所使用的對(duì)稱面。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，該機(jī)架橫梁部位的冒口根部直徑為1300mm，冒口重量為14.5t，鋼液總重為34.4t，此部位對(duì)應(yīng)的鑄件工藝出品率為55%，澆注時(shí)一次澆滿，未進(jìn)行補(bǔ)澆。用外冷鐵隔出末端區(qū)。

（2）鑄件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 鑄件材質(zhì)為G20Mn5+N，是目前軋機(jī)機(jī)架廣泛使用的材質(zhì)之一，其化學(xué)成分要求如附表所示。

圖1 機(jī)架橫梁部位毛坯尺寸

力學(xué)性能要求：Rp0.2≥300MPa，Rm≥480MPa，A≥20%，AKV≥50J（20℃時(shí)）。超聲波無(wú)損檢測(cè)的檢驗(yàn)等級(jí)按EN12680一級(jí)，質(zhì)量等級(jí)按SN320第10部分進(jìn)行驗(yàn)收。

2.試驗(yàn)方案

補(bǔ)澆的工藝參數(shù)主要涉及補(bǔ)澆的材質(zhì)、重量、溫度、澆速與補(bǔ)澆時(shí)機(jī)。補(bǔ)澆時(shí)機(jī)會(huì)對(duì)補(bǔ)澆效果產(chǎn)生較大影響，如果補(bǔ)澆距首次（前次）澆注的時(shí)間較短，型腔內(nèi)鋼液的液態(tài)收縮與凝固收縮量很小，后注入的鋼液與型腔內(nèi)已有鋼液瞬間完成均勻混合，實(shí)際補(bǔ)澆效果微乎其微；相反，如果補(bǔ)澆距首次（前次）澆注的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，后注入的高溫鋼液只能進(jìn)入冒口上部的收縮凹陷區(qū)，則補(bǔ)澆操作依然起不到作用。

軋機(jī)機(jī)架要求化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

實(shí)際補(bǔ)澆用材質(zhì)均為低C、S、P的材質(zhì)，目的是希望能夠減弱冒口下成分偏析，模擬澆注時(shí)始終使用的都是同種材質(zhì)。先按照以往鑄造廠補(bǔ)澆的習(xí)慣操作，次數(shù)設(shè)定為一次，補(bǔ)澆鋼液溫度1590℃，重量為冒口高度的2/5的重量。設(shè)定補(bǔ)澆距離首次澆注的時(shí)間間隔為2h，觀察補(bǔ)澆鋼液對(duì)型腔內(nèi)原有鋼液的溫度場(chǎng)影響，以及對(duì)冒口內(nèi)縮孔高度的影響。根據(jù)觀察結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整冒口尺寸及補(bǔ)澆方案。

3.數(shù)值模擬與分析

（1）建模與網(wǎng)格劃分 由于3D模型尺寸非常大，為使模擬盡可能接近真實(shí)情況以及有效利用計(jì)算機(jī)資源，筆者將模型網(wǎng)格細(xì)劃，并且在機(jī)架立柱底部的外冷鐵位置（人為末端區(qū)）和機(jī)架對(duì)稱面將模型做成了1/4對(duì)稱處理。為避免鋼液在澆注系統(tǒng)內(nèi)冷卻過(guò)快，將澆注系統(tǒng)單獨(dú)建模，并且前處理時(shí)將其與型砂的界面換熱系數(shù)設(shè)為較低值。首次澆注時(shí)讓鋼液從澆注系統(tǒng)注入，補(bǔ)澆時(shí)讓鋼液從冒口上方注入。

（2）模擬結(jié)果與分析 首次澆高設(shè)定為冒口的3/5高度，冷卻2h后進(jìn)行補(bǔ)澆操作，讓溫度1590℃的同種鋼液從冒口頂部注入冒口內(nèi)，澆滿后再次進(jìn)入冷卻凝固階段。補(bǔ)澆時(shí)型腔內(nèi)溫度場(chǎng)如圖2所示，從圖中可以看到，補(bǔ)澆初始時(shí)鑄件的凝固率并不高，約為18%，補(bǔ)澆的高溫鋼液與型腔內(nèi)原有鋼液立即均勻混合，隨著補(bǔ)澆的進(jìn)行，凝固率逐漸降低。最終縮孔判據(jù)（Shrinkage Porosity）預(yù)測(cè)的縮孔位置與未進(jìn)行補(bǔ)澆的情況是一致的，即沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通過(guò)補(bǔ)澆增加冒口模數(shù)和減弱冒口下偏析的目的。

圖2 間隔2h補(bǔ)澆時(shí)型腔內(nèi)的溫度場(chǎng)

（3）優(yōu)化工藝方案 根據(jù)模擬結(jié)果分析，筆者將一次補(bǔ)澆改為兩次補(bǔ)澆并且延長(zhǎng)補(bǔ)澆時(shí)間間隔。為了提高材料利用率，將冒口根部直徑減小至1100mm，相應(yīng)地降低冒口高度，同時(shí)增加1:10錐度。二次補(bǔ)澆時(shí)型腔內(nèi)溫度場(chǎng)如圖3所示，凝固結(jié)束時(shí)跟據(jù)縮孔判據(jù)預(yù)測(cè)的縮孔情況如圖4所示，可以看出縮孔位置是遠(yuǎn)離鑄件本體的。調(diào)整后的冒口所需總鋼液重為11t，對(duì)應(yīng)鑄件工藝出品率提高至62%，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖3 二次補(bǔ)澆時(shí)型腔內(nèi)的溫度場(chǎng)

圖4 凝固結(jié)束時(shí)的縮孔位置預(yù)測(cè)

4、結(jié)語(yǔ)

（1）在增加冒口模數(shù)的新技術(shù)尚未出現(xiàn)之前，可以通過(guò)優(yōu)化補(bǔ)澆工藝并結(jié)合冒口結(jié)構(gòu)來(lái)提高鑄件成品率。

（2）根據(jù)模擬仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以往習(xí)慣操作下的補(bǔ)澆冒口僅能起到補(bǔ)充首次澆注時(shí)鋼液量的不足，如果想通過(guò)補(bǔ)澆實(shí)現(xiàn)增加冒口模數(shù)和減弱冒口下偏析的目的，則需要使用多次補(bǔ)澆方案并適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間間隔，以及采取措施避免冒口頂層鋼液過(guò)早凝結(jié)成殼。