冒口保溫性能的數值模擬計算

許 諾 黎雅茹 劉建紅 田 濤 張亞才

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

鑄件的澆冒口系統對于獲得沒有縮孔縮松的優質鑄件來說是至關重要的，其中冒口的補縮作用更是重中之重。然而到目前為止，可以說鑄造行業中大多數鑄造工藝設計仍然是以經驗為基礎的，冒口系統的計算都是基于模數法和經驗公式[1]。冒口太大，既延長了凝固時間，又浪費鋼水，增加成本；而冒口太小，則無法很好的進行補縮，容易造成縮孔縮松缺陷。隨著計算機輔助技術的發展和鑄造材料的發展，鑄造過程數值模擬技術的應用和冒口保溫材料的應用也越來越廣泛[2，3]。本文采用德國鑄造數值模擬軟件MAGMA，結合冒口保溫材料進行了冒口保溫性能的鑄造CAE分析，其結果數據可用于對實際生產進行指導和參考。

1 鑄件及材料數據

本文選擇軋機機架作為模擬計算的鑄件，主要是考慮其工藝方案較為成熟，結構簡單，利于比較冒口變化所帶來的影響。機架主要尺寸為8 675 mm×2 940 mm×620 mm。材質為ZG230-450，凈重82 400 kg。幾何結構如圖1所示。

圖1 鑄件幾何結構圖Figure 1 The geometry of casting

鑄造數值模擬技術所得到結果的準確性在很大程度上取決于鑄造材料和邊界條件的準確性。本文模擬用高溫熱物性材料數據是根據生產實際測試和經驗資料綜合所得，能夠較為準確的反映材質特性。其中砂型為呋喃樹脂砂，保溫磚為ISO系列冒口保溫磚，覆蓋劑為ISO型覆蓋劑。ISO系列冒口保溫磚和覆蓋劑具有密度低，導熱系數小，不與金屬反應等特點，其中覆蓋劑具有發熱功能，在金屬粉氧化放熱完成后，會與覆蓋劑中其他物質化合形成一種多孔的硬質層，這層硬質層不會隨著液態金屬收縮導致冒口中的液面下降而損壞，因此在整個鑄件的凝固過程中，覆蓋劑都會一直起到保溫作用。

鑄件澆注溫度為1 550℃，其主要高溫熱物性數據有導熱系數、比熱、密度等，其中液相線以上密度取值7.3 g/cm3，固相線以下密度取值7.8 g/cm3，導熱系數和比熱分別如表1和表2所示。

表1 導熱系數Table 1 Coefficient of heat conductivity

表2 比熱Table 2 Specific heat

圖2 鑄件-砂型界面換熱系數Figure 2 Coefficient of heat transfer between casting and sand mould

鑄件的凝固過程是一個由液相轉變為固相的復雜過程，貫穿這一過程始終的是熱量的傳遞和傳導。其方式主要有輻射、對流和熱傳遞等，本文結合生產實際和經驗設定了鑄件和砂型的界面換熱系數，并利用軟件設置考慮了對流和高溫輻射作用，其界面換熱系數如圖2所示。

2 冒口工藝設計及初步數值計算

根據鑄造工藝原理，本文鑄件采用兩種冒口形式，分別為在兩頭較為厚大的部位采用較大冒口，機架立柱中部采用較小的冒口。兩冒口中間則在底部放置外冷鐵，形成人為末端冷卻區，增加冒口補縮距離。冒口設計原則采用模數法。

M件=V件/S件

(1)

M冒=V冒/S冒

(2)

M冒=ζM件

(3)

其中，M表示模數，V表示體積，S表示表面積，ζ為保險系數，通常取值為1.1～1.2。當冒口模數大于鑄件模數時，表明冒口凝固時間晚于鑄件，從而實現了由冒口向鑄件的補縮作用。根據公式(1)計算所得該機架兩端頭模數M1=243 mm，中間部位的模數M2=210 mm。因此取保險系數ζ=1.2，根據公式(3)所得到的冒口對應的模數M11=292 mm，M21=252 mm。然后根據經驗計算使得冒口滿足相應的補縮距離，并且滿足公式(2)，從而得到端頭冒口尺寸為1 700 mm×1 300 mm×1 450 mm，中間冒口尺寸為?1 200×1 450 mm。具體形狀如圖3所示。

圖3 冒口幾何尺寸Figure 3 Dimension of riser

MAGMA軟件采用有限差分方法，對于凝固計算來說具有先天的優勢，并且采用六面體網格格式，網格劃分簡單，易于控制，從而使得計算結果精度較高，且耗費時間相對較短。

根據以上冒口工藝計算，我們利用MAGMA軟件進行了初步的溫度場數值模擬計算。首先采用工藝計算冒口，不放置保溫板和覆蓋劑，得到如圖4(計算1)所示的縮孔分布狀態。

從圖4(計算1)可以看出，整個鑄件除冒口下以外沒有出現任何縮孔，說明工藝設計是基本合理的。所有冒口的收縮呈現V型，在兩邊端頭處冒口內的鋼液甚至已經收縮至鑄件中，在冒口下出現了局部縮孔；中間冒口的收縮雖然沒有這么嚴重，但也幾乎到了鑄件的上表面。想要獲得合格鑄件，只有增大冒口模數，但是通過增大尺寸來增加模數將要浪費更多的鋼水，增加成本，因此我們考慮通過添加保溫材料來變相地增大模數的方法。

圖4 縮孔分布狀態圖(計算1)Figure 4 Distribution of shrinkage cavity (simulation 1)

圖5 縮孔分布狀態圖(計算2)Figure 5 Distribution of shrinkage cavity (simulation 2)

圖6 縮孔分布狀態圖(計算3)Figure 6 Distribution of shrinkage cavity (simulation 3)

圖5(計算2)是添加了覆蓋劑，但沒有使用保溫磚的縮孔分布狀態，可以看出在整個鑄件內均沒有出現任何的縮孔，而冒口內鋼液的收縮并沒有進入到鑄件內，但是兩端頭冒口最后收縮處距鑄件上表面的安全距離也非常小，中間部位的安全距離則比兩邊稍大，這也與兩端頭比中間部位更厚大相符合，冒口收縮形狀明顯地出現過度，呈現螺釘型。這一結果說明添加覆蓋劑起到了一定作用。

然后我們又考慮了同時添加覆蓋劑與保溫板，但不改變冒口尺寸的情況。得到了如圖6(計算3)所示的結果。

從圖6(計算3)的縮孔分布狀態，可以看出該結果不僅在整個鑄件內沒有出現任何的縮孔，而且冒口內鋼液收縮后的安全距離非常大，中間的安全距離比端頭處更大，其收縮出現了鋼液沿冒口整體收縮一部分距離后再呈現螺釘型的狀態，這充分說明了在不改變冒口尺寸的條件下，同時添加保溫板和覆蓋劑后冒口的補縮作用得到了非常明顯的加強。

3 改變冒口尺寸的模擬計算

根據計算3的結果，該工藝冒口通過添加保溫磚和覆蓋劑后冒口內收縮的安全距離比較大，因此我們考慮對減小冒口尺寸的方案進行嘗試，以期在保證鑄件質量的前提條件下盡可能地獲得更小尺寸的冒口，從而更大程度地降低成本。

第一方案：所有冒口周圍尺寸減小100 mm，高度尺寸減小100 mm。從而端頭冒口尺寸變為1 500 mm×1 100 mm×1 350 mm，中間冒口尺寸變為?1 000 mm×1 350 mm。

第二方案：所有冒口周圍尺寸減小200 mm，高度尺寸減小100 mm。從而端頭冒口尺寸變為1 300 mm×900 mm×1 350 mm，中間冒口尺寸變為?800 mm×1 350 mm。

第三方案：所有冒口周圍尺寸減小200mm，高度尺寸減小200mm。從而端頭冒口尺寸變為1 300×900×1 250 mm，中間冒口尺寸變為?800 mm×1 250 mm。

第四方案：所有冒口周圍尺寸減小200 mm，高度尺寸減小300 mm。從而端頭冒口尺寸變為1 300 mm×900 mm×1 150 mm，中間冒口尺寸變為?800 mm×1 150 mm。

如上所示，我們制定了多種方案分別進行溫度場的數值模擬計算，并選擇端頭收縮最嚴重的冒口進行定量分析，從而獲得了更為詳盡的數據。

圖7表示的是各個方案端頭冒口最終收縮的狀態，每一方案冒口均給出了兩個尺寸，上面的尺寸表示的是冒口整體收縮的高度，下面的尺寸表示的是收縮最低處距鑄件上表面的安全距離。從各方案冒口的收縮狀態，可以很清楚地看出，在使用冒口保溫磚和覆蓋劑以后，以上四種方案均可以得到沒有任何縮孔的合格鑄件，其差別在于冒口收縮狀態及利用效率。隨著冒口尺寸的減小，各冒口內鋼液的收縮均為沿冒口整體收縮一定距離后再呈U型的情況。在前三個方案中，整體收縮的距離隨冒口尺寸和高度的減小而增加，但增加值呈遞減趨勢，至第三方案，整體收縮距離達到最大值，當冒口高度進一步降低時，整體收縮距離如第四方案所示不升反降。這說明在冒口尺寸的減小過程中，整體收縮距離存在最大值，并不可能無限增大。而安全距離則是呈現出冒口尺寸越小，安全距離越小的狀況，控制好安全距離則能獲得最合理有效的冒口。

圖7 各方案冒口收縮圖Figure 7 Shrinkage of various risers

表3給出了各個方案冒口的一些情況，由該表可以看出，各個方案在冒口模數和質量方面均比按照模數法設計的原始工藝冒口小很多，特別是第四方案，其冒口模數為原始工藝冒口模數的0.76倍。換句話說，在冒口尺寸完全相同的情況下，使用保溫材料以后的冒口模數相當于不使用的1.31倍。同時，一個冒口的質量還比原始工藝冒口減少了11.19 t，減少量相當于原始冒口的57%。若采用該工藝方案冒口，則能夠在獲得合格鑄件的基礎上極大地提高收得率，降低成本。

表3 各方案冒口情況Table 3 Parameter of various risers

4 結論

通過數值計算發現使用保溫材料很好地改善了鑄件冒口的收縮情況，得到了合格鑄件，并且同時使用覆蓋劑和保溫磚效果更好。同時使用覆蓋劑和保溫磚等效于變向增加了冒口的模數，其模數相當于相同尺寸不使用保溫材料冒口模數的1.31倍，冒口減重量約為57%，能夠在獲得合格鑄件的基礎上極大地降低成本。

[1] 李培耀，俞正江.鑄造冒口計算機輔助設計新算法.鑄造，2008(6)：589-591.

[2] 肖榮存，陳立亮，等.鑄造冒口CAD設計模塊的研究開發.特種鑄造及有色合金，2000(1)：42-44.

[3] 楊大春，葛新梅.鑄鋼件保溫冒口的計算方法和應用.熱加工工藝，2001(3)：71-72.