臥式離心復合軋輥鑄造過程溫度場模擬

■ 孟效軻，蒲遠忠，劉紅才

在離心復合軋輥生產過程中，復合層處良好的冶金熔合是獲得合格軋輥的保證。熔合深度過薄則結合不良，使用過程中易發生輥套剝落；熔合深度過厚則造成工作層材料的浪費，且易導致工作層厚度不均。實際生產中，停機時間往往通過現場觀察測溫曲線獲得，而充芯溫度則根據以往生產經驗確定。本文希望模擬離心復合鑄造軋輥成形過程，對軋輥的工藝制訂提供量化的設計依據。

一、模型的建立

1. 分析模型

以1580高鉻鑄鐵工作輥為研究對象。工作層澆注溫度1400～1450℃，輥身金屬型轉速550～600r/min，17～22min澆注中間層，澆注溫度1380～1430℃；32～38min停機，40～45min澆注芯部鐵液，澆注溫度1400～1450℃。無損檢測重熔深度25～30mm。幾何模型如圖1所示。

2. 前提假設

由于工作層及中間層澆注時間較短，金屬液充型過程對整體凝固過程影響較小，為簡化模型，假定工作層及中間層瞬間充滿。

3. 模擬關鍵問題的處理

（1）金屬型外表面及工作層材料內表面與大氣之間換熱系數的確定 鑄型-空氣換熱主要由兩部分組成，即輻射換熱和對流換熱。旋轉體系中的對流換熱與旋轉邊界層的流動特性密切相關。當流體的旋轉速度較低或物體的表面溫度與流體的平均溫度之差較大時對流占優勢；當流體的旋轉速度足夠大時自然對流的影響很小，換熱主要取決于由旋轉形成的強制對流換熱。可根據鑄型的旋轉速度推算出流動的雷諾數，從而確定相應的換熱系數。本文中根據轉速等設置金屬型外表面換熱系數為180W/m2·K。

（2）涂料層對換熱的影響 離心鑄造軋輥為避免金屬型激冷作用，需要在金屬型內壁噴涂料。涂料厚度一般為0.5～3.5mm。涂料厚度對金屬型與工作層材料的換熱產生較大的影響。離心復合軋輥鑄造過程的重力系數一般為80～120，因此離心層鐵液對涂料會產生較強的壓力，接觸壓力的大小也對換熱系數產生較大影響。隨著凝固的進行，凝固的工作層收縮，工作層與金屬型之間將產生間隙。這間隙大幅延緩了工作層的散熱過程。隨著凝固厚度的增加，間隙逐漸增大，換熱系數也相應減小。

圖1 幾何模型示意

綜合考慮以上因素，確定金屬型與工作層界面換熱系數隨時間變化如圖2所示。

二、結果及分析

1. 工作層及中間層溫度場模擬結果

澆注中間層、停機及澆注心部時的溫度場如圖3所示。由圖可知，工作層及中間層由內向外溫度逐漸降低，屬單向凝固，內表面溫度最高。

現場對工作層內表面及金屬型外表面進行了測溫。工作層凝固期間測溫結果與模擬結果對比如圖4所示。

由圖4可知，模擬結果與實測結果相符。澆注中間層時，工作層剛完成凝固。若澆注時間提前，工作層未完成凝固，則一方面造成工作層材質的浪費，另一方面易形成工作層厚度不均。而工作層凝固后，由于無結晶潛熱的釋放，工作層溫度迅速降低，延后中間層澆注時間則易造成結合不良。

中間層凝固期間測溫結果與模擬結果對比如圖5所示。由圖5中可以看出，中間層凝固完成即可停機。停機過早，中間層未完成凝固，易發生滴落。停機后，輥身模需與上下輥頸箱組裝，組裝時間為10min左右。由圖4看出，澆注心部時，中間層內表面溫度約980℃。若停機時間過晚，中間層溫度進一步降低，可能造成結合不良，在使用中形成工作層剝落。

2. 重熔深度分析

澆入心部材料后，高溫的心部材料重熔掉部分中間層，從而形成冶金熔合。心部材料充型后其對中間層部分的重熔深度考慮兩種模型：一種是充滿型腔后即關閉流動計算，只考慮傳熱；另一種是充滿型腔后考慮金屬液流動對凝固過程的影響。由中間層內表面向外每隔7mm選取特征點，作每點的溫度曲線，兩種模型的結果對比如圖6所示。

圖2 界面處換熱系數設置

圖3 不同時刻工作層及中間層溫度場

圖4 工作層凝固期間實測溫度與模擬結果對比

圖5 中間層凝固期間實測溫度與模擬結果對比

由圖6可知，若不考慮流動對凝固過程的影響，則心部材料對中間層的重熔深度為17～23mm。而考慮流動對凝固的影響時，則重熔深度在23～30mm，與無損檢測結果相符。分析認為，充型完畢后，型腔中鐵液并未靜止，而是存在自然對流。靠近中間層處，存在著一定的速度分布，該處的低溫鐵液在對流作用下代之以心部的高溫鐵液。高溫鐵液不斷侵蝕離心層，最終心部材料熔掉中間層，并實現冶金熔合。

圖6 中間層重熔深度分析

三、結語

（1）工作層完成凝固后即可澆注中間層，中間層完成凝固后即可停機。

（2）澆入心部材料后的凝固過程中，型腔中存在自然對流。在對流作用下，高溫鐵液不斷侵蝕中間層材料，并最終形成冶金熔合。