硅錳合金冷卻方案仿真探究

李逸塵，毛寬民

(1.寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021；2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

1 引言

當前，硅錳合金的鑄造主要有兩種方法，一是坑池法，二是錠模法。而二者之中，由于地坑法產量高，工藝簡單，生產多采用坑池法。簡單來說，就是讓金屬液在澆注池中冷卻凝固，再將凝固完畢的金屬破碎成小塊[1-2]。這種方法簡單易行，且擁有極高的產量，但由于破碎產生大量的金屬粉塵，造成了原材料浪費和嚴重的粉塵污染，不符合我國發展綠色工業的需要。另外，破碎之后產生的金屬塊大小，形狀不一，還有一部分產品并不適合用戶的需要，因此需要回爐重造，這也造成浪費，并且也降低了經濟效益。而錠模法相比坑池法其實更為古老也更為落后，是用錠模使制造大塊金屬錠，然后依然破碎成小塊，因此，錠模法使用的也是越來越少。

為了解決以上問題，使用直接粒化技術成為了一種選擇[3]。而硅錳合金直接粒化技術中，有一種連鑄粒化成型設備已經投入使用，本文即是在此背景下，使用procast鑄造仿真軟件對這種硅錳合金連鑄粒化成型設備的冷卻方式進行了仿真分析，以期能找到一種合適的冷卻方案，提升硅錳合金的冷卻效率，達到增產的目的。

2 生產設備原理及結構

硅錳合金連鑄粒化成型設備[5-7]主要是將錠模固定在鏈輪的鏈條上，讓模具隨著鏈輪運動，以經過上漿，澆鑄，冷卻，脫模等各個步驟。本文待研究的連鑄粒化成型設備示意圖如圖1。

圖1 連鑄粒化設備結構示意圖

圖1中1代表澆包；2代表錠模；3代表鏈輪。如圖所示的設備，設計思路更加接近于重力鑄造，即讓金屬液在錠模中成型，直接鑄造成粒狀，這樣可以省去破碎這項工藝，以減少粉塵與噪聲污染。當設備開機的時候，開啟傳動系統與噴漿系統，主動輪轉動，噴漿機給模具上漿。上漿完畢以后，澆包將金屬液澆入已經上好漿的模具中。接下來，模具隨著鏈輪向上移動到合適位置的時候開啟水冷系統讓金屬快速凝固。當模具移動到最高點，也就是脫模點之后，模具繼續隨著鏈輪移動直到鑄錠脫落，在脫模點下放置集料框，在重力作用下，由于高度產生的沖量使鑄錠破碎，以得到形狀合適的金屬粒。

根據從設備上收集到的參數，鏈輪速度為12m/min，安裝角度為6°，但實際上，模具水平面與地面平行，并沒有傾斜。

3 仿真模具及材料

為了研究硅錳合金的冷卻方案，使用procast軟件[8-10]進行仿真。除冷卻方式外，仿真條件如下：

鑄件材料：按照廠方提供的牌號FeMn65Si17設置為：錳65%，硅17%，碳0.5%，硫0.25%，磷0.1%，鐵17.15%，并以此為成分，通過仿真軟件計算出的該成分下硅錳合金的各項性質參數，建立仿真模型。

模具材料：采用HT-200鑄鐵金屬型的永久性模具。

模具形狀：采用拼接模型，如圖2。

圖2 仿真用模具模型

真實模具的外形示意圖如圖3所示：

圖3 真實模具的外形示意圖

為了簡化計算，將多級模型簡化為三級，第一級模型是起始端的模具，代表澆鑄剛開始時，第一個接受澆鑄的模具狀態，第二級模型則是其他澆鑄模具，代表第一級模具后面所有的模具狀態，第三級模具則是回收池，澆鑄多余的金屬液會因為重力作用，流入回收池，之后進行回收再利用。

另外，由于考慮到鏈輪的運行速度、硅錳合金的冷卻速度以及澆注速度，每一個模具中多余的金屬并不會全部流入下一級模具中，通過實際經驗，最終會在半球型鑄錠上形成一層10mm左右厚度的金屬殼。

充型速度：12kg/s。

根據設備結構，澆口固定不動，而模具隨著鏈輪轉動以12m/min的速度移動。這個過程中，也可以看作模具固定不動，澆口在模具上方以12m/min的速度做勻速直線運動。經過計算，模具內腔總長度為1540mm，12m/min=200mm/s，經計算，澆口經過這個模具總共需要7.7s，因此在整個模具的中線上平均布置10個澆口(因為網格劃分的緣故，可能有些微小的誤差，姑且可以忽略不計)，從一級模具上的第一個澆口開始，從左到右依次開啟，每次開啟0.77s。因為有設置回收池，在流量方面可以稍微設置大一點以保證充型效果以及產量。

按照生產要求，設備產量要達到30t/h約為8.3kg/s，充型速度為12kg/s。

傾斜角度：0°

雖然澆鑄機鏈條與水平面的角度為6°，但是模具實際上是階梯狀搭接在一起，實際上澆注面與地面水平，所以重力角度還是設置為0°。

預熱溫度：500℃

考慮到設備結構以及工作狀態，已經沒有空間與時間讓模具在電爐上預熱到標準要求的250-300℃，因此，一些選擇使用這種設備的廠商將剛出爐的液態爐渣置入模具中，然后讓設備運行，即可在開始澆鑄前將模具預熱到500℃。

4 冷卻速度仿真結果

常用的冷卻手段分為風冷與水冷兩種，水冷的冷卻效果要好于風冷，水冷的方式也有很多種，例如噴霧，對模具表面噴水，以及在模具內部設置流道，通冷卻水。

在冷卻時需要充分考慮設備的原理以及結構，外部裝接冷卻板，或者在模具上設置流道，但充水冷卻的方法明顯不可行。另外，由于澆鑄模具為開放模具，水冷時，冷卻水會接觸鑄件，易發生蒸汽爆炸，因此不能直接采用水冷。而為了保證冷卻效率，必須將風冷與水冷結合起來，提出一種高效率的冷卻方案。

首先，蒸汽爆炸的原理是溫度較低的水遇上溫度極高的金屬液迅速氣化，體積劇烈膨脹，發生爆炸，導致金屬液濺出，從而引發事故。因此，只要鑄件的水冷面已經完全凝固的話就不用擔心蒸汽爆炸的問題。從這個角度來看，可以先使用高速風冷讓鑄件的表面凝固，然后立馬切換為水冷，加速冷卻。

當然，除了考慮冷卻速度之外，還要考慮模具的問題。由于接觸高溫液體，模具內部溫度急劇升高或者降低，使得模具內部熱應力提升，如果超過了模具的承受能力，很可能出現裂紋等故障，因此，下面對各種冷卻方案進行仿真。

4.1 純空冷

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：空冷，即空氣沒有進行受迫流動，根據經驗數據，對流換熱系數選60W/m2·K

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預熱到500℃。

仿真結果如圖4，從結果中可以看出，在不施加任何冷卻措施的情況下，從開始澆鑄到整個鑄件完全凝固需要約261s。且此時，依然有很大一片區域溫度在900℃以上，處于紅熱狀態。

圖4 空冷條件下仿真結果

純空冷條件下，綠色曲線為此型腔處的固相分數，藍色為鑄件表面溫度，測溫點選擇半球型腔球心在鑄件上表面的投影點，即43808號點，紅色為鑄件內部溫度，此點位于表面測溫點下方20mm處，即44130號點。由于空氣在自然流動的情況下，對流換熱能力并不好，因此，兩個測溫點之間，溫度差別并不是很大，而且通過仿真模擬的結果可以看出，這意味著必須等鑄錠全部冷卻才能進行脫模。對于連鑄粒化設備，冷卻時間意味著生產線的長度，根據12m/min的鏈輪轉速，261s的時間實在是太長，意味著生產線長度至少52.2m，并不適合生產，因此，必須添加其他冷卻方式，增加冷卻效率。

4.2 純風冷

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：風冷(風冷屬于空氣強制對流，根據經驗數值，常溫下空氣強制對流換熱系數選最高可以選到400W/m2·K)

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預熱到500℃。

仿真結果如圖5，從開始澆鑄到整個鑄件完全凝固需要114s。

圖5 風冷條件下溫度場仿真結果

同理，在結果中調出43808與44130號點的溫度曲線，綜上所述，當進行風冷冷卻的時候，冷卻速度大幅度提升，從純空冷的281s降到了114s，另外，表面溫度與鑄件內部溫度曲線開始出現明顯差別，這意味著或許可以通過仿真，找到一個時間點，鑄件處于外部已經全部凝固，但是內部依然未完全凝固的狀態。如果在這個狀態下脫模，或許可以進一步減少冷卻時間，提高冷卻效率，根據仿真結果，這個時間點約在95s左右。

4.3 風冷+水冷

硅錳合金是一種比較脆的金屬，因此在高溫情況下不能直接接觸冷水，不然會很容易因為受熱不均開裂，導致鑄造出來的鑄錠粒度不達標。也是因此，硅錳合金的粒化不能采用已經非常成熟，且大規模投入使用的Blobulator工藝與GRANSHOT金屬造粒工藝，因此只能采用對模具底部噴水的方式進行水冷。

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：對鑄件上表面風冷(對流換熱系數選400W/m2·K)，對模具下表面進行噴水水冷(對流換熱系數5000W/m2·K)

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預熱到500℃。

以澆鑄開始為計時起點，鑄件完全凝固為計時終點，再次進行仿真，仿真結果如圖6。

圖6 風冷+水冷條件下溫度場仿真結果

從結果可見，加上水冷以后，冷卻速度再一次顯著提高，冷卻時間只有89.8s，比純風冷提升了24s。同理，在結果中調出43808與44130號點的溫度曲線。同樣，加入水冷過程后，表面溫度與鑄件內部溫度曲線也有明顯差別，不過，由于水冷面在模具底部的原因，這個差別明顯沒有風冷那么大。不過依然可以通過仿真，找到一個時間點，鑄件處于外部已經全部凝固，但是內部依然未完全凝固的狀態進行脫模，根據仿真結果，這個時間點約在85s左右。

5 應力仿真結果

從之前的仿真結果來看，水冷+風冷的方案冷卻時間最短，但是制約方案選擇的并不只有冷卻速度這一點，還有就是模具上的應力。如果模具上的溫度過高，很可能會使模具開裂，導致金屬模具報廢。

而當溫度變化時，金屬模具上會產生熱應力。尤其是在澆入模具的金屬液高達1300℃時，再加上風冷與水冷急劇冷卻，這時模具內的應力會相當大，甚至有可能造成模具損壞。因此，在討論冷卻方案的時候，模具內的應力變化自然也必須考慮在內，因此，在下文中，將對前面提到的幾種冷卻方案逐一進行應力仿真。

分別在純空冷、純風冷以及風冷+水冷條件下，利用上文設置的仿真條件，對金屬模具進行應力分析，得到結果如圖7所示。

圖7 取樣點位置

由圖7仿真結果可知，應力最大之處在半球形型腔之間的薄壁上，即此處最容易產生裂紋，基于此在純空冷的情況下在應力最大處取到點82776，純風冷條件下取到點82574，風冷+水冷條件下取到點82776，得到應力曲線如圖8所示。

圖8 取樣點應力曲線

由圖8可知，純空冷的冷卻條件下此點處于模具的受熱表面，熱應力表現為壓應力，HT-200的抗壓強度為600MPa，遠大于此點的最大熱應力330MP，因此純空冷的冷卻條件下，鑄鐵模具上不會產生裂紋；風冷條件下最大應力低于325MP，沒有開裂的風險。而且，風冷條件下的模具應力狀況甚至比空冷還要稍好一點；風冷+水冷條件下最大應力不超過480Mpa，更沒超過600MPa，沒有開裂風險。

綜上所述，三種條件下模具都沒有開裂的風險，但是，水冷條件下模具的應力狀況要比其他兩種要差一些，最大應力要高出近150MPa，但是依然沒有超過鑄鐵的受壓極限。

因此綜合熱學仿真與應力仿真的結果，風冷+模具底部噴水水冷的冷卻方案最好，同時也具有相當的可行性。

6 結語

通過上文的仿真分析，最后可以得到，風冷+模具底部噴水水冷的冷卻方案最適合于文中這種連鑄粒化設備，而且，這種冷卻方式已經在工業生產中得到應用，屬于成熟方案。

1)設計了一個接近于重力鑄造的硅錳合金連鑄粒化成型設備。

2)從開始澆鑄到整個鑄件完全凝固，純空冷條件下需要261s；純風冷條件下需要114s；風冷+水冷條件下需要85s。

3)純空冷、風冷、風冷+水冷條件下，均沒有超過HT-200的抗壓強度為600MPa，沒有開裂風險。

4)考慮到傳熱環境復雜，以及部分參數的測量難度，很多參數采用的是經驗值，因此仿真結果最終只能提供一些指導性的意見，具體生產時采用的方案還需再結合生產實際進行規劃。