空氣冷卻系統在組合橫梁前部鑄件生產中的應用

楊洪洲　王　話　李金全

(沈陽鑄鍛工業有限公司鑄造分公司，遼寧110000)

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空氣冷卻系統在組合橫梁前部鑄件生產中的應用

楊洪洲王話李金全

(沈陽鑄鍛工業有限公司鑄造分公司，遼寧110000)

本文針對組合橫梁前部等大壁厚鑄件在生產過程中出現的粘砂、裂紋問題，制定了特殊工藝及操作措施，合理引入空氣冷卻系統，解決了粘砂問題，避免了因處理粘砂而產生次生裂紋。

大壁厚鑄件；粘砂；裂紋；空氣冷卻系統

空氣冷卻系統是對后壁鑄件熱節激冷的一種拓展，冷鐵的激冷效果不明顯，與鋼水接觸的瞬間就會達到熱飽和，失去作用。為了持續導出厚大熱節處的熱量，在該鑄造工藝中，我們引入了空氣冷卻系統，以達到持續激冷的效果，防止了粘砂、裂紋等缺陷。

1　組合橫梁前部鑄件的技術要求

組合橫梁結構如圖1所示。 該鑄件主體尺寸長2 810mm、寬2 350mm、高1 600mm，材質為ZG35SiMnMo，要求所有加工部位進行2級超聲檢測。

2　組合橫梁前部的技術難點

鑄件熱節最厚大部位壁厚達700mm，與之銜接部位壁厚不均，減重孔部位極易產生粘砂，易產生和次生裂紋，生產難度極大。我公司在前期生產的一件組合橫梁前部，由于厚大熱節處激冷效果不好，在清理粘砂時，產生了裂紋，導致報廢，給公司帶來了巨大的損失，同時也耽誤了工期。

3　組合橫梁技術問題攻關

3.1避免鑄件粘砂的方法

圖1　組合橫梁前部立體圖Figure 1　The space diagram ofthe front of composite beam

避免鑄件粘砂的常規方法有：

(1)增強面砂幢實度；

(2)在熱節或圓角處加外冷鐵；

(3)砂型粉刷涂料；

(4)降低澆注溫度；

(5)圓角及厚大熱節處放鉻鐵礦砂。

3.2空氣冷卻系統的應用與計算

在生產組合橫梁前部的過程中，合理地使用了避免鑄件粘砂的常規方法，但效果并不理想，方形孔粘砂嚴重，導致組合橫梁前部報廢。為了避免鑄件的這一缺陷，我們引入了空氣冷卻方式。

激冷厚大熱節處的鋼水，厚大熱節處鋼水凝固所需要的時間長，該處外冷鐵由于長時間與鋼水接觸，很快會達到熱飽和，便失去了作用。由能量守恒定律：

(1)

式中，ΔU=U2-U1為系統的內能增量；Q為此過程中系統從環境所吸收的熱量；W為此過程中系統對環境所做的功。ΔU與過程無關，只決定于始態和終態。假設系統對環境所做的功W=0，那么ΔU=Q=cmΔT。由外冷鐵的質量m決定，鋼液與外冷鐵的熱交換ΔU的數值很不理想。

鋼液凝固期間，砂芯必須長時間承受高溫鋼液的灼燒和侵蝕。既要防止粘砂，同時又要保持砂芯具有良好的潰散性、不燒結。由于凝固時間較長，基體組織晶粒粗大，對其力學性能極為不利。從上述幾點來看，采用冷鐵，其冷卻能力不足，容易形成熱飽和，必須采用強制冷卻技術。

強制冷卻系統的結構，可根據鑄件內孔的結構設計。冷卻介質的循環系統結構如圖2所示，冷卻介質為壓縮空氣。

圖2　組合橫梁前部方形孔芯的冷卻結構示意圖Figure 2　Sketch of cooling structure of square core at the front of composite beam表1　熱阻參數Table 1　Parameters of thermal resistance

δ1δ2δ3λ1λ2λ3103601231.61.729.3

空氣冷卻工藝計算：工藝計算的目的是求解出強制冷卻的冷卻程度，并進行相應的定量計算。δ3為外套管厚度；送風速度ω=2.6m/s。

(2)

式中，R為熱阻率，單位為K/W；λ為熱導率，單位為W/(m·K)；δ為厚度，單位為m；F為導熱截面面積，單位為m2；其中R1、R2、R3、λ1、λ2、λ3、F1、F2、F3分別為t1、t2、t3時的熱阻、熱導率和面積，如表1所示。影響t2的主要因素是δ2范圍內砂芯的厚度和熱導率的大小。 由能量守恒定律：

(3)

式中，t1溫度為1 550℃，t4內冷壁溫度為700℃。帶入公式(3)中計算，可得出Q=3 953.48W/m2，即冷卻管所通過的比熱流量為3 953.48W/m2。對于強制冷卻，由Nusselt準則有：

(4)

式中，Nuf為Nusselt準則系數；d為冷卻管內徑；α為傳熱系數；λf為空氣熱導率。

由于冷卻壁面的傳熱處于平衡狀態：

(5)

將公式(4)和公式(5)聯合整理得：

(6)

冷卻管內外溫差Δt=850℃，計算得出Nuf=1.592。

根據流體在管內受迫對流傳熱的準則，方程有：

(7)

式中，Ref為雷諾準則數；Prf為普朗特準則數0.696；ε1為管長修正系數1.08；ε2為溫差修正系數0.302。

由公式(7)計算得出Ref=903。

由雷諾準則[1]：

(8)

得出冷卻介質空氣流速ω=1.739m/s

由計算測得，采用10mm鋼管單管送風ω=2.6m/s，完全符合理論計算值。根據鑄件凝固時

間確定空氣冷卻工藝。鑄件全部凝固時間為48h，空氣冷卻工藝為：從澆注結束后，立即開始送風，連續送風18h，之后結束空氣冷卻。

4　生產驗證

鑄件打磨后，超聲檢測結果符合技術要求。事實證明：引用空氣冷卻系統保證了鑄件質量，同時也節約了成本。在造型過程中減少了外冷鐵的用量，在清理過程中，節約了氣刨過程中煤氣的使用量，同時減少了一次熱處理次數。

5　結語

我公司應用了空氣冷卻系統生產的兩件組合橫梁前部，經檢測，均達到了技術協議要求。證明采用空氣冷卻系統的鑄造工藝是可行的。

[1]李弘英. 鑄造工藝設計[M]. 北京：機械工業出版社，2005.2.

編輯陳秀娟

ApplicationofAirCoolingSystemduringProductionofCastingsatFrontofCompositeBeam

YangHongzhou,WangHua,LiJinquan

Thespecialprocessandtheoperationmeasureshavebeenpreparedforburnt-onsandandthecrackappearedduringtheproductionprocessoflargethick-wallcastingsatthefrontofcompositebeam.Byreasonablyapplyingtheaircoolingsystem,theissueofburnt-onsandhasbeensolved,soastoavoidthesecondarycracksduetoremovingtheburnt-onsand.

largethick-wallcasting;burnt-onsand;crack;aircoolingsystem

2016—02—18

楊洪洲(1988—)，本科，助理工程師，從事專業鑄造。

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