板狀鑄鋼件有效補(bǔ)縮距離的數(shù)值模擬

板狀鑄鋼件有效補(bǔ)縮距離的數(shù)值模擬

在硬化過(guò)程中，由于液體和硬化的收縮，鑄造最終的硬化部分無(wú)法彌補(bǔ)鋼液的收縮，因此存在收縮缺陷。收縮缺陷按大小和在鑄件中分布的特點(diǎn),可分為宏觀縮孔和微觀縮松。宏觀縮孔在鑄件外表面上或鑄件剖面上用肉眼可以直接觀察到,縮孔的容積較大,多集中在鑄件的上部或最后凝固的部位;縮松的容積很小,對(duì)于鑄鋼件來(lái)說(shuō),它主要分布在鑄件壁的軸線區(qū)域,通常稱為軸線縮松。板狀件無(wú)縮松的致密區(qū),即為板狀件的有效補(bǔ)縮距離。其影響因素有很多,如:合金的凝固特性,鑄件本體所需補(bǔ)縮量大小,鑄型熱分布及型腔過(guò)熱程度,產(chǎn)生冷端效應(yīng)的激冷措施以及澆注工藝等。本文以一平板鑄鋼件為研究對(duì)象,通過(guò)改變冒口直徑,冒口高度以及板厚,研究它們其對(duì)有效補(bǔ)縮距離的影響。1補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角鑄鋼件的軸線縮松通常都產(chǎn)生在壁厚均勻的鑄壁內(nèi)。從縱剖面上看,產(chǎn)生在軸線處;從橫斷面上看,產(chǎn)生在中心部位,所以又稱為軸線縮松或中心縮松。厚度均勻的平板類澆鑄件分為三個(gè)區(qū)域(見圖1):冒口區(qū)———由于冒口中鋼液的熱作用,使這一段在縱向存在溫度差。等液相線和等固相線越靠近冒口,向鑄件推進(jìn)越慢。因此,在冒口中形成楔形補(bǔ)縮通道,擴(kuò)張角為φ2,向冒口擴(kuò)張(見圖1(a)),有利于冒口補(bǔ)縮,在該區(qū)域鑄件為順序凝固,鑄件凝固狀態(tài)致密。末端區(qū)———因末端區(qū)比中間區(qū)多一個(gè)散熱斷面,所以冷卻速度較快,在縱向上存在較大的溫差。越靠近端面,溫度越低,因此等液相線和等固相線越靠近端面,向鑄件中心推進(jìn)越快,構(gòu)成的補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角φ1向冒口方向擴(kuò)張。因在中間段的中心尚未構(gòu)成補(bǔ)縮邊界之前,末端區(qū)已凝固完畢,所以末端區(qū)里的鋼液所產(chǎn)生的凝固收縮,完全能由冒口中的鋼液補(bǔ)縮。這一段為順序凝固,鑄件是致密的。軸線縮松區(qū)———在冒口區(qū)和末端區(qū)作用都達(dá)不到的中間段稱為軸線縮松區(qū)。在這個(gè)區(qū)域,鑄件冷卻速度近似,沿縱向的溫差較小,等液相線和等固相線幾乎平行于鑄件上下表面向中心推進(jìn),側(cè)面的凝固情況也相同,擴(kuò)張角φ接近為零,凝固方式為同時(shí)凝固。在末端區(qū)凝固完畢以后,中間區(qū)的等液相線在鑄件中心匯合,構(gòu)成很寬的凝固區(qū),凝固前沿平行,當(dāng)?shù)裙滔嗑€推進(jìn)到鑄件中心附近時(shí),冒口雖然仍存在補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角φ3(見圖1(b)),由于靠近等固相線的初生晶體之間的鋼液發(fā)生凝固收縮,導(dǎo)致壓力梯度大大降低,金屬液很難通過(guò)初生晶間的微小間隙。因此,在中心線上產(chǎn)生斷斷續(xù)續(xù)的晶間小孔(見圖1(d)),即軸線縮松。2板的開口設(shè)計(jì)2.1冒口尺寸和補(bǔ)縮液量確定鑄件的模數(shù)計(jì)算一般比較復(fù)雜,通常將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的幾何體進(jìn)行計(jì)算。平板鑄件需補(bǔ)縮部位的模數(shù),T為板厚。通常將鑄件需補(bǔ)縮部位的模數(shù)放大10%~30%就是所需冒口的模數(shù),即Mf=1.1~1.3Mc。以此計(jì)算所需的冒口模數(shù),通過(guò)查找相應(yīng)資料(如鑄造手冊(cè)、材料供應(yīng)商的產(chǎn)品資料等)就可以初步確定冒口尺寸。(2)有效補(bǔ)縮距離為了達(dá)到鑄件致密,冒口的補(bǔ)縮通道必須通暢,為此可能需要一個(gè)或多個(gè)冒口。對(duì)于平板鑄件,當(dāng)其長(zhǎng)度小于或等于冒口區(qū)加末端區(qū)時(shí),就不會(huì)產(chǎn)生軸線縮松。BishopH.F.等人對(duì)碳鋼[w(C)=0.20%~0.30%]的冒口補(bǔ)縮距離進(jìn)行試驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到平板件有效補(bǔ)縮距離的結(jié)論(見圖2),即板件無(wú)冷鐵的有效補(bǔ)縮距離=冒口區(qū)+末端區(qū),其中冒口區(qū)=2T,末端區(qū)=2.5T。(3)補(bǔ)縮液量要確保冒口的凝固滯后于鑄件本體,除必須保證有通暢的補(bǔ)縮通道外,同時(shí)還要保證冒口有足夠補(bǔ)縮的金屬液。補(bǔ)縮液量與冒口的大小和冒口的補(bǔ)縮效率有關(guān)。常用冒口的補(bǔ)縮效率大致為:砂型鑄件冒口:8%~12%;普通保溫冒口:15%~18%;發(fā)熱保溫冒口:28%~35%。2.2冒口直徑計(jì)算本文基于2.1的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)一板狀件(見圖3),初始尺寸為4000mm×1506mm×205mm,冒口初始尺寸為覫800mm×800mm。板件離冒口的近端距離為923mm,遠(yuǎn)端距離為2265mm。在此基礎(chǔ)上改變冒口直徑,冒口高度及板厚(見表1),采用鑄造模擬軟件ProCAST進(jìn)行凝固過(guò)程模擬。不同組別實(shí)驗(yàn)中冒口和板的模數(shù)隨各自的尺寸變化而變化(見表2)。本文后續(xù)圖中用A表示末端區(qū),B表示冒口區(qū)。實(shí)驗(yàn)用鑄件材料為25鋼,初始溫度1560℃,砂型材料為呋喃樹脂砂,初始溫度為50℃。3模擬研究結(jié)果3.1澆注口位置的影響從冒口高度對(duì)補(bǔ)縮距離影響的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖4(a))可以看出,冒口高度自上而下逐漸降低并按照表1的順序排列,圖中顯示了軸線縮松在板狀件正視圖和俯視圖中的位置及補(bǔ)縮距離的相關(guān)數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為補(bǔ)縮距離與冒口高度的關(guān)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系圖(見圖4(b))后可見:末端區(qū)為2.31T而非設(shè)計(jì)規(guī)范中的2.5T,且不隨冒口高度的變化而變化;當(dāng)冒口模數(shù)大于鑄件模數(shù)時(shí),冒口區(qū)不隨冒口高度變化而變化,其值約與板厚相當(dāng);而當(dāng)冒口模數(shù)小于鑄件模數(shù)時(shí),冒口區(qū)明顯減小,當(dāng)冒口高度減小到200mm時(shí)冒口區(qū)減小為零。3.2補(bǔ)縮距離與冒口直徑關(guān)系在冒口直徑對(duì)補(bǔ)縮距離影響的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5(a))中,冒口直徑自上而下逐漸增大并按照表1的順序排列,圖中顯示了軸線縮松在板狀件正視圖和俯視圖中的位置及補(bǔ)縮距離的相關(guān)數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為補(bǔ)縮距離與冒口直徑的關(guān)系圖(見圖5(b))可見:末端區(qū)為2.31T而非設(shè)計(jì)規(guī)范中的2.5T,且不隨冒口直徑的變化而變化;然而隨著冒口直徑增大,冒口區(qū)逐漸增大,增大趨勢(shì)取決于冒口模數(shù)與鑄件模數(shù)的關(guān)系:當(dāng)冒口模數(shù)小于鑄件模數(shù)時(shí),冒口區(qū)隨直徑的增大明顯增大,當(dāng)冒口模數(shù)大于鑄件模數(shù)時(shí),冒口區(qū)增大趨勢(shì)趨于平緩。3.3冒口模數(shù)與板厚的關(guān)系在板厚對(duì)補(bǔ)縮距離影響的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖6(a))中,板厚自上而下逐漸增大并按照表1的順序排列,圖中顯示了軸線縮松在板狀件正視圖和俯視圖中的位置及補(bǔ)縮距離的相關(guān)數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為補(bǔ)縮距離與板厚的關(guān)系圖(見圖6(b))后可見:隨著板厚增大,末端區(qū)增大趨勢(shì)變大,末端區(qū)與板厚為非線性關(guān)系,末端區(qū)從1.85T逐漸增大到2.45T;隨著板厚增大,冒口區(qū)的增大趨勢(shì)趨于平緩。綜上所述,可得冒口模數(shù)與T=205mm的板狀鑄鋼件冒口區(qū)的關(guān)系(見圖7)。由圖可見,隨著冒口模數(shù)的增大,冒口區(qū)逐漸增大,增大趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)冒口模數(shù)低于鑄件模數(shù)時(shí),冒口區(qū)為零。4冒口模數(shù)對(duì)中小企業(yè)頂板模數(shù)的影響(1)板狀鑄鋼件末端區(qū)與板厚有關(guān),隨板厚增大而增大,且增大趨勢(shì)逐漸變大,但與冒口直徑和冒口高度無(wú)關(guān)。(2)板狀鑄鋼件冒口區(qū)隨板厚,冒口直徑以及