胡志強(qiáng)，杜延強(qiáng)

天津重型裝備工程研究有限公司 天津 300457

1 序言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鑄鋼件在冶金、鐵路、造船等機(jī)械行業(yè)中的需求量越來(lái)越大，鑄件生產(chǎn)過(guò)程中，冒口重約占鋼液總重的1/3～1/2。冒口的切割與回收產(chǎn)生了大量的人力和資源消耗，從而加大了工作量與成本，而提高冒口補(bǔ)縮效率的方法有兩種：一是增加冒口補(bǔ)縮壓力；二是延長(zhǎng)冒口凝固時(shí)間。其中，發(fā)熱保溫冒口效果最為顯著。結(jié)合我公司生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇發(fā)熱保溫冒口來(lái)提高冒口的補(bǔ)縮效率，達(dá)到降低成本、改善鑄件質(zhì)量的目的。

發(fā)熱保溫冒口是保溫材料與發(fā)熱材料的雙效結(jié)合，當(dāng)金屬液上升到冒口處，發(fā)熱材料與金屬液接觸，發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量。待反應(yīng)結(jié)束后，保溫材料又發(fā)揮保溫效果，延長(zhǎng)冒口處金屬液的凝固時(shí)間，厚大熱節(jié)處可以得到發(fā)熱保溫冒口內(nèi)鋼液及時(shí)的補(bǔ)充，可有效避免縮松、縮孔缺陷的產(chǎn)生，從而保證了鑄件的致密性，其補(bǔ)縮效果比型砂普通冒口高，其補(bǔ)縮效率可達(dá)30%～60%[1]。

ProCAST軟件在鑄造行業(yè)中應(yīng)用廣泛，具有強(qiáng)大的實(shí)體網(wǎng)格劃分和修復(fù)能力、豐富的材料庫(kù)，以及先進(jìn)的流體和熱力學(xué)判據(jù)等優(yōu)勢(shì)[2]，可精確地顯示澆不足、冷隔、卷氣等缺陷，分析殘余應(yīng)力與變形，模擬晶粒生長(zhǎng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出縮孔、縮松位置[3-6]。本文借助ProCAST軟件，結(jié)合發(fā)熱保溫冒口材料熱物性參數(shù)，對(duì)鑄件充型和凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，并預(yù)測(cè)鑄件的質(zhì)量，以此分析鑄造工藝的可行性與發(fā)熱保溫冒口對(duì)鑄件質(zhì)量、冒口補(bǔ)縮安全距離的影響，并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終提高了冒口補(bǔ)縮效率與安全距離，降低成本，可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)和參考。

2 產(chǎn)品及鑄造工藝方案

2.1 橫梁鑄件的結(jié)構(gòu)

橫梁是開(kāi)式軋鋼機(jī)的重要組成部件，三維模型如圖1所示，輪廓尺寸為5582mm×447mm×356mm，其材料牌號(hào)為ZG230-450，毛重為6300kg，模數(shù)9.1cm。所有表面均為加工面，鑄件不允許有裂紋、夾渣、縮松及氣孔等影響力學(xué)性能的外觀缺陷。

圖1 鑄鋼件橫梁三維模型

2.2 鑄造工藝方案的設(shè)計(jì)

橫梁為桿狀件，為保障有效補(bǔ)縮距離，采用2個(gè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，3個(gè)冷鐵分別放置在末端冷卻區(qū)與鑄件中間的人為末端區(qū)進(jìn)行激冷，以達(dá)到順序凝固的目的。由于鑄件生產(chǎn)數(shù)量多，鑄件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此采用地坑組芯造型；根據(jù)鑄件材質(zhì)與結(jié)構(gòu)，確定其澆注溫度為1550～1560℃；為保證金屬液在整個(gè)澆注充型中鋼液平穩(wěn)流動(dòng)，良好地充滿型腔，采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)，設(shè)定澆注流量為150kg/s。澆注過(guò)程保持平穩(wěn)不斷流，澆注完成撒入覆蓋劑。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 幾何模型的建立

在鑄造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，普通冒口模數(shù)應(yīng)為鑄件或最大熱節(jié)處模數(shù)的1.3倍以上，如果采用發(fā)熱保溫冒口，其模數(shù)可縮減到鑄件或最大熱節(jié)處模數(shù)的0.8～0.92倍[7]。由于首次試驗(yàn)，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，采用系數(shù)為1.1倍，即發(fā)熱保溫冒口模數(shù)為9.1×1.1cm=10cm，進(jìn)行冒口尺寸設(shè)計(jì)。圖2為兩種鑄造工藝方案模型。普通砂型冒口采用普通覆蓋劑，而發(fā)熱保溫冒口采用濟(jì)南圣泉公司生產(chǎn)的具有發(fā)熱保溫效果的配套保溫板與覆蓋劑。

圖2 兩種鑄造工藝方案對(duì)比

3.2 發(fā)熱保溫材料參數(shù)

本次研究采用FT400發(fā)熱保溫板及發(fā)熱保溫覆蓋劑，如圖3所示。該保溫板由輕質(zhì)發(fā)熱保溫材料制作而成，其最大特點(diǎn)是能彎曲一定弧度，可根據(jù)冒口形狀尺寸自由拼接組合，相比于冒口套適應(yīng)能力強(qiáng)。根據(jù)濟(jì)南圣泉公司提供的發(fā)熱保溫板熱物性參數(shù)及發(fā)熱參數(shù)，輸入到ProCAST中建立相關(guān)材料庫(kù)。

圖3 發(fā)熱保溫板與發(fā)熱保溫覆蓋劑

3.3 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

在ProCAST的mesh模塊中（見(jiàn)圖4），對(duì)上述兩種鑄造工藝方案的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸越小，精度越高，但計(jì)算量也越大[8]。為兼顧網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格疏密程度對(duì)于劃分精度與計(jì)算效率的影響，通過(guò)局部細(xì)化（見(jiàn)圖4c）的方法達(dá)到既確保模擬準(zhǔn)確性又減少工作量的目的[9-11]。普通砂型冒口模型的面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為110 700個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)為2 316 884個(gè)；采用發(fā)熱保溫冒口模型面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為122 942個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)為2 667 381個(gè)。

圖4 體網(wǎng)格劃分結(jié)果

材料的熱物性參數(shù)在鑄造模擬過(guò)程中極其重要，其準(zhǔn)確性直接影響到鑄件數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性[12]。在ProCAST的cast模塊中，對(duì)鑄造材料及工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，鑄件材料為ZG230-450，由于軟件自帶材料庫(kù)中沒(méi)有該種材料，需要自定義添加。如圖5所示，ProCAST的材料庫(kù)可根據(jù)合金成分計(jì)算相應(yīng)金屬材料的熱物性參數(shù)[13]。

圖5 ZG230-450的熱導(dǎo)率與密度

澆注溫度、初始溫度、邊界條件等按照鑄造工藝方案輸入軟件中，各界面之間的傳熱系數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)設(shè)置情況

4 結(jié)果分析與討論

4.1 金屬液充型與凝固過(guò)程分析

圖6所示為充型過(guò)程中不同時(shí)刻下的金屬液流動(dòng)狀態(tài)與溫度分布。在整個(gè)充型過(guò)程中，金屬液在重力作用下，依次通過(guò)直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道進(jìn)入型腔。側(cè)注式澆注系統(tǒng)保證了金屬液在由內(nèi)澆道注入型腔過(guò)程中會(huì)沿著型腔壁流入，流動(dòng)平穩(wěn)緩慢，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，沒(méi)有飛濺與卷氣現(xiàn)象產(chǎn)生。從圖6d可以看出，金屬液鋪滿底部后液面平穩(wěn)上升，層速均勻，充滿整個(gè)型腔需要55s，未產(chǎn)生澆不足與冷隔缺陷，所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)金屬液的順利充型。

圖6 鑄件的充型過(guò)程

金屬液充滿型腔后，進(jìn)入凝固期，圖7所示為不同時(shí)間階段下普通砂型冒口的鑄件凝固溫度場(chǎng)分布，可看出內(nèi)澆道降溫較快，這是由于其本身較薄。隨著時(shí)間推移，冒口由于進(jìn)行補(bǔ)縮出現(xiàn)液面降低的現(xiàn)象。整個(gè)凝固過(guò)程冷鐵始終發(fā)揮激冷作用，呈現(xiàn)明顯的由冷鐵端向冒口端的順序凝固，中間冷鐵作為人為末端區(qū)把鑄件溫度場(chǎng)分割成完全相同的兩部分，達(dá)到一個(gè)冒口補(bǔ)縮一半鑄件的目的。圖8所示為不同時(shí)間階段下發(fā)熱保溫冒口的鑄件凝固溫度場(chǎng)分布，由最終溫度分布情況可以看出，砂型冒口的鑄件完全凝固需要10.2h，而采用發(fā)熱保溫冒口的鑄件完全凝固需要14.3h，說(shuō)明發(fā)熱保溫材料的使用，延長(zhǎng)了冒口凝固時(shí)間。圖7c與圖8c所示在相同凝固時(shí)間點(diǎn)下的溫度分布也直觀地說(shuō)明了這個(gè)現(xiàn)象。

圖7 普通砂型冒口的鑄件凝固溫度場(chǎng)

圖8 發(fā)熱保溫冒口的鑄件凝固溫度場(chǎng)

圖9 所示為鑄件最終溫度場(chǎng)模擬結(jié)果的中間剖面，采用發(fā)熱保溫冒口的橫梁，相比普通砂型冒口的橫梁，明冒口的最高溫度區(qū)域有一定距離的上移，這說(shuō)明發(fā)熱保溫材料的加入有益于冒口的最后凝固，從而達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果。

圖9 最終溫度場(chǎng)對(duì)比

4.2 一次縮孔形態(tài)變化過(guò)程分析

圖10 所示為橫梁的縮孔與縮松對(duì)比，清晰直觀地顯示了兩種情況下的一次縮孔與二次縮孔以及縮松的形態(tài)、大小和位置的不同。在軟件中對(duì)縮孔距離本體的高度，即冒口補(bǔ)縮安全距離進(jìn)行測(cè)量，由73.13mm增加到240.19mm，說(shuō)明發(fā)熱保溫冒口的使用，使鑄件產(chǎn)生的縮孔、縮松全部上移，缺陷遠(yuǎn)離本體，鑄件質(zhì)量更加有保證。

圖10 縮孔與縮松對(duì)比

常見(jiàn)的普通砂型冒口的縮孔形態(tài)為深V形，圖10a所示也是V形，而使用發(fā)熱保溫冒口后，圖10b所示變成了矮U形，冒口內(nèi)壁上等高位置附著的金屬液減少。形成此現(xiàn)象的根本原因是，由于冒口的發(fā)熱保溫材料與金屬液接觸后發(fā)生反應(yīng)放出大量熱量，使其自身被加熱而急劇升溫，在保持良好的流動(dòng)性的同時(shí)，又減小了冒口處金屬液徑向溫差與能量損失，使凝固時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)鑄件本體有更高效的補(bǔ)縮，因而呈現(xiàn)整體向下移動(dòng)的趨勢(shì)，這就造成了矮U形縮孔的現(xiàn)象[14]。

4.3 二次縮孔形態(tài)變化過(guò)程分析

從圖10所示縮孔與縮松對(duì)比可看出，在使用發(fā)熱保溫冒口后，冒口二次縮孔位置上移。造成這種現(xiàn)象是因?yàn)檎麄€(gè)型腔內(nèi)金屬液凝固按照由冷鐵端向冒口端的順序凝固，當(dāng)金屬液在冒口二次縮孔處開(kāi)始凝固時(shí)，其上方的金屬液因?yàn)榘l(fā)熱材料的放熱延長(zhǎng)了凝固時(shí)間，良好的流動(dòng)性使金屬液連續(xù)不斷地對(duì)本將產(chǎn)生二次縮孔的位置進(jìn)行補(bǔ)縮，直到完全凝固。由此可知，隨著冒口發(fā)熱保溫效果的增強(qiáng)，冒口補(bǔ)縮時(shí)間延續(xù)的越長(zhǎng)，那么二次縮孔的位置向上移動(dòng)的越高，甚至可能與一次縮孔位置重合。

5 工程驗(yàn)證

5.1 冒口縮孔分析

依據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，驗(yàn)證該鑄造工藝與模擬仿真結(jié)果的可靠性。按照上述鑄造工藝，采用地坑組芯造型方式獲得橫梁鑄件。由于整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此以火焰切割的方式將其中一個(gè)冒口從鑄件上切割下來(lái)進(jìn)行分析，顯示冒口一次縮孔集中在上部，其表面收縮形態(tài)為矮U形，澆注結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，如圖11所示。

圖11 橫梁澆注結(jié)果

5.2 冒口無(wú)損檢測(cè)

測(cè)得冒口相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。圖12為機(jī)加工解剖后的冒口，對(duì)解剖面進(jìn)行了打磨，按GB/T 9443—2007《鑄鋼件滲透檢測(cè)》規(guī)定對(duì)解剖面進(jìn)行PT、UT檢測(cè)（檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：SN200-2，3級(jí)，φ3mm靈敏度），未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，冒口安全高度約250mm。

圖12 冒口解剖

表2 冒口測(cè)量數(shù)據(jù)

5.3 冒口尺寸分析

表3為普通砂型冒口與發(fā)熱保溫冒口的尺寸對(duì)比，使用發(fā)熱保溫冒口后，冒口重量縮減25.6%，單個(gè)冒口實(shí)際節(jié)省鋼液量為456kg，總計(jì)節(jié)省912kg。根據(jù)鋼液價(jià)格與發(fā)熱保溫冒口材料的成本核算，本次節(jié)省成本3000元。若鋼液材質(zhì)為合金鋼，成本節(jié)省會(huì)更多。按照以往經(jīng)驗(yàn)，冒口安全距離為100mm左右為宜，太高也會(huì)造成鋼液的浪費(fèi)，導(dǎo)致成本增加。從無(wú)損檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，冒口高度可以適當(dāng)降低，即冒口高度可再降低100～150mm，則冒口重量可縮減37.8%～43.9%，收得率可提高至66.9%～67.6%。另外，生產(chǎn)中在高壓外缸上半的暗冒口中也應(yīng)用了發(fā)熱保溫冒口材料，補(bǔ)縮效果良好，暗冒口下未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

表3 冒口尺寸對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

1）使用ProCAST軟件對(duì)橫梁鑄件的澆注過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了工藝方案：?jiǎn)蚊鎮(zhèn)茸⑹綕沧⑾到y(tǒng)，澆注溫度為1550～1560℃，澆注流量采用150kg/s，充型完整。對(duì)鑄件的凝固冷卻過(guò)程進(jìn)行比較準(zhǔn)確的模擬，為優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和研制進(jìn)度提供了有力的保障。

2）對(duì)橫梁凝固過(guò)程的模擬結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱保溫冒口的使用能顯著降低縮孔進(jìn)入鑄件本體的風(fēng)險(xiǎn)，可提高冒口安全距離，減輕冒口重量，從而降低成本。

3）針對(duì)模數(shù)≤10cm的鑄件可以按照冒口模數(shù)為鑄件模數(shù)的1.1倍進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)。而對(duì)于其他復(fù)雜鑄件的發(fā)熱保溫冒口設(shè)計(jì)規(guī)范，還需要通過(guò)其廣泛的應(yīng)用來(lái)總結(jié)與確定。