數字模擬鑄模設計對低合金鋼大型鍛造鋼錠凝固的影響

藍樂， 裴爽

（黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040）

數字模擬鑄模設計對低合金鋼大型鍛造鋼錠凝固的影響

藍樂， 裴爽

（黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040）

采用有限元法對一個6t重可熱處理的鉻鉬低合金鋼鑄錠進行了數值模擬。結果表明，以恒定的速率澆注熔液，減少模具的長細比，使用合適的熱頂分離都會提高冒口效率，從而可降低隨后的熱鍛造裂紋敏感性。

數值模擬；錠鍛造；低合金鋼

1 簡介

在鋼錠熱鍛中，通常會由于鑄態組織問題或不合適的鍛造條件而導致鋼錠開裂。熱頂（冒口）和鑄錠之間的交集是個關鍵區域，在鍛件初級階段可能形成環向裂紋，然后裂紋擴散到鑄錠，并導致高處缺陷的形成。圖1所示為低合金鋼錠在開放式模鍛中形成的一個典型的環形裂紋。

圖1 鋼錠在開模鍛造過程中形成的典型的周向裂紋

本文主要介紹通過使用商用有限元軟件填充一個6 t的低合金鋼錠，研究其三維數值模型的凝固過程。該模型用鑄造車間的實驗數據來驗證，然后利用經過驗證的模型來評估不同的鑄造參數，目的是消除鋼錠熱鐓過程中開裂的影響。

2 實驗過程

在實驗過程中，鑄錠操作在六面體鑄鐵模具里進行。每個模具由3部分組成，包括stool（模具入口），kokil（模體）和ring（模具冒口），如圖2所示。該環的內表面上覆蓋著厚25 mm的絕緣材料。鋼水被倒在溫度1600℃的底部，并以7 kg/s的速率在預熱的模具中通過模具入口。

3 結果

3.1 長細比影響

鋼錠模以7 kg/s的熔體流動速率的充填和固化序列如圖3所示。從圖中可以看出，熔體流動速率從7 kg/s降低到一半（例如3.5 kg/s）時，熔體自由表面接觸熱頂，這是可以提高模具冒口性能的。

3.2 澆率的影響

圖2 模具的組成部分

圖3 鋼錠在澆注和凝固過程中固體組成部分的分布情況

熔體澆率對于鑄錠固相率分布的影響顯示在圖4上。熱頂的3種不同的澆注速率機制：（a）模具的7 kg/s和熱頂的3.5 kg/s；（b）以7 kg/s的固定澆注速度填充模具；（c）7 kg/s的模具和21 kg/s的熱頂。仿真結果表明，在澆注操作期間，增加熱頂的熔體澆注速度可以減少熱頂部固體的形成。圖5是分別使用固定速率和降低速率在熱頂處澆注的冷卻曲線。可以看出，增加熱頂澆注速率會導致更慢的冷卻。

圖4 以不同澆注速度模擬組成分布

圖5 熱頂以恒定和減少澆注速率的模擬冷卻曲線

4 結論

1）在模具具有較低的長徑比下恒速澆注熔體，能在熱頂處提高垂直凝固和降低橫向凝固，這會有較高的冒口效率。

2）在模具熱頂和錠體的交叉口，在鑄造鋼錠開模鍛造的初級階段形成環向裂紋。在鍛造過程中提高垂直凝固性，可在熱鍛時減少裂紋敏感性。

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［3］ProCAST user’s manual［M］.ESI Group，The Virtual Try Out Space Company，2005.

（編輯 啟 迪）

TF351.6

A

1002-2333（2015）04-0100-02

藍樂（1983—），男，助理工程師，從事機械設計工作。

2014-10-26