大型錠重兼容一體化鋼錠的凝固質(zhì)量模擬研究

張 巖¹  孫春曉¹  張玉亭²  董立彬¹  韓 東¹  許長軍¹

（1.遼寧科技大學(xué)冶金工程技術(shù)中心；

2.石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司）

摘  要：闡述了分體式錠重兼容錠型的設(shè)計理念，在模身上（下）口裝配不同容重的套（墊）圈以達到一模多用、錠重兼容的目的。采用METC鋼錠設(shè)計專家系統(tǒng)對39~45t重量兼容型鋼錠進行設(shè)計，通過數(shù)值模擬對不同兼容重量鋼錠的充型和凝固過程及其凝固質(zhì)量進行對比分析，指出了考慮錠重兼容的錠型結(jié)構(gòu)為鋼錠凝固特性和質(zhì)量所帶來的影響。

關(guān)鍵詞：大型鋼錠；數(shù)值模擬；兼容錠型；Niyama判據(jù)  

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，尤其是在國防軍工、石油化工、電力、核能、冶金、造船、鐵路等工程對基礎(chǔ)部件的需求，鋼錠的重要性也就不言而喻[1-2]。不同構(gòu)件對于模鑄鋼錠噸位的要求各不相同，于是大多數(shù)企業(yè)利用多種錠型結(jié)構(gòu)進行裝配以適應(yīng)錠重兼容需求。但是設(shè)備成本的增加以及管理困難的問題接踵而至，鋼錠質(zhì)量也受到不同程度的影響。本文以分體式錠型及其錠重兼容式錠型設(shè)計為基礎(chǔ)[3-4]，通過對裝配在帽口（模底）與模身之間的套圈（墊圈）進行設(shè)計并組裝，以滿足澆注不同錠重鋼錠的需要。并利用數(shù)值模擬方式對不同兼容重量鋼錠的澆注及凝固過程和質(zhì)量對比分析。因此，設(shè)計大型錠重兼容一體化鋼錠型構(gòu)，探究在此鋼錠型構(gòu)下的不同錠重鋼錠的凝固質(zhì)量是本研究的主要內(nèi)容。

2 實驗方案

2.1 錠量兼容一體化錠型特征

本文以39~45t上注式十二角多邊錠為研究對象，帽容比14.5%，本體平均直徑為1630mm，39t時鋼錠本體錐度為4.6%，分別搭配1t、2t、3t套（墊）圈的不同組合后可以澆鑄40~45t鋼錠，以滿足不同錠重的兼容需求。圖1（a）是裝配套圈的錠重兼容一體化錠型示意圖，圖1（b）是裝配墊圈的錠重兼容一體化錠型示意圖。

如圖1所示，兩種裝配方式都會使鋼錠的錐度、高徑比發(fā)生變化，表1列出了錠重兼容一體化錠型在不同錠重時的型構(gòu)特征。用“I”與“II”分別代表套、墊圈裝配方式。從表1可以看出，當(dāng)錠重從39t增加到45t，套圈式錠型本體錐度從4.60%減小到3.94%，同時高徑比從1.37增加到1.59；墊圈式錠型本體錐度從4.60%減小到3.75%，高徑比從1.37增加到1.66。在兩種裝配方案中，套（墊）圈直徑受到本體上（下）口直徑制約，在錠重相同的情況下，裝配墊圈的鋼錠型構(gòu)變化更大，錐度與高徑比的變化尤為明顯。圖2(a)是應(yīng)用三維建模軟件構(gòu)建的實體模型，劃分網(wǎng)格情況如圖2(b)所示，劃分網(wǎng)格總數(shù)為88萬。

表1 分體式錠重兼容錠型基本參數(shù)

2.3 模擬參數(shù)設(shè)定

凝固過程是整個計算機鑄造模擬的核心環(huán)節(jié)。金屬凝固是一個物理化學(xué)過程，它包括熱量傳輸、動量傳輸、質(zhì)量傳輸?shù)纫幌盗羞^程耦合而成的，因此傳熱傳質(zhì)過程十分復(fù)雜。本研究鋼種選擇42CrMo4，主要化學(xué)成分如表2所示。錠模選用灰口鑄鐵。本文在考慮模錠間氣隙傳熱等效的換熱系數(shù)前提下，運用傅里葉定律與牛頓冷卻定律等公式，依據(jù)遼寧科技大學(xué)冶金工程技術(shù)中心鑄造材料數(shù)據(jù)庫[5]對本次研究所用參數(shù)進行調(diào)整校對。由于充型及凝固過程中的鋼液從液態(tài)逐漸凝固，因此鋼液的熱傳導(dǎo)系數(shù)會隨著相變而發(fā)生改變，其主要熱物性參數(shù)如表3所示，根據(jù)表3中固-液的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置成線性函數(shù)。

初始條件是指計算過程中零時刻時系統(tǒng)內(nèi)部各部分的溫度分布，初始條件的確定即為計算零時刻鑄件內(nèi)部溫度、鑄型內(nèi)部溫度的確定[6]。本次模擬所設(shè)置的澆注溫度為1537.76℃，過熱度為50℃。錠模預(yù)熱至80℃。耐火材料與空氣初始溫度均設(shè)置為25℃。

本研究所涉及鋼錠重量兼容6t，為了保證澆注以及凝固質(zhì)量，澆注時間控制在30min左右，澆注結(jié)束后在冒口添加發(fā)熱劑及覆蓋劑，保證冒口大部分鋼液長時間處于液相狀態(tài)，有利于補縮的進行。對鋼錠的澆注及凝固過程流場、溫度場進行模擬，并對凝固結(jié)束時鋼錠產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷進行預(yù)測。

表2 鋼液主要化學(xué)成分 %

表3 鋼的熱物性參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 凝固進程

分別選取39t、42t和45t三個錠重進行研究，42t和45t均包含兩種裝配方式（墊圈和套圈）。從圖3中對應(yīng)的固相凝固率（S）15%、55%和95%，可以看出這5種錠型的凝固順序基本相同。在軸向上，凝固過程是在鋼錠底部向冒口不斷推進，在徑向上，凝固過程是從錠模內(nèi)壁向冒口方向呈一定角度逐步推進，最終的凝固區(qū)域均在冒口處。冒口內(nèi)壁安裝絕熱板，并在澆注結(jié)束后添加發(fā)熱劑和覆蓋劑，以保證帽口內(nèi)鋼液凝固時間長于本體，進而使得本體鋼液凝固得到更充分的補縮。隨著錠重的增加，鋼錠錐度也在逐漸減小，這導(dǎo)致凝固末期糊狀區(qū)逐漸細長化。隨著兼容錠重的增大，凝固時間也在不斷增加，這使得冒口頂端糊狀區(qū)逐漸狹窄。

如圖5所示，鋼錠凝固終期補縮程度較差的區(qū)域集中在中軸線位置，這使得中軸線處的Niyama值明顯小于其他部位，但各兼容鋼錠中并未出現(xiàn)低于臨界值的區(qū)域。從圖中不難看出，中軸線處缺陷幾率較大區(qū)域隨著錠重的增加不斷向下延伸，套圈式兼容錠型隨兼容錠重增加，此區(qū)域長度從最初的1573mm延伸至1945mm；而對于墊圈式兼容錠型，該區(qū)域長度從1573mm延伸至2097mm。墊圈式兼容錠型相比套圈式兼容錠型，Niyama值普遍偏小。雖然任意區(qū)域的Niyama值均大于臨界值，但是墊圈式錠型的錠身產(chǎn)生縮孔的概率遠大于套圈式錠型。兩種兼容錠型的錠尾處均出現(xiàn)Niyama值偏低的區(qū)域。中軸線上，Niyama值隨其位置降低而呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，這與生產(chǎn)實際相符。因此，在合理的范圍內(nèi)增加兼容錠重對鋼錠的最終凝固質(zhì)量不會產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)論

（1）不同兼容鋼錠都遵循從外至內(nèi)、從下至上的凝固順序，符合鋼錠凝固的基本特性。隨著兼容錠重增大，凝固終期的液態(tài)金屬區(qū)逐漸向下延伸，套圈式兼容錠型在此方面表現(xiàn)更加明顯。在鋼錠表層與中心線位置的Niyama值遠遠小于其他位置，雖然這些位置的Niyama值仍大于臨界值，但也要警惕中心線位置出現(xiàn)縮孔疏松的可能性。若對鋼錠整體凝固質(zhì)量要求較高時，宜選用墊圈式兼容錠型。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，大型兼容一體化錠型設(shè)計具有可行性，但隨著兼容錠重的增加，凝固質(zhì)量受到不同程度影響。因此，值得鋼錠生產(chǎn)企業(yè)注意的是：實現(xiàn)一模多用、錠重兼容的前提是不降低鋼錠凝固質(zhì)量，不建議僅因工裝和管理繁瑣而盲目擴大錠重兼容范圍。

參考文獻

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