板狀鑄鋼件有效補縮距離的數值模擬

板狀鑄鋼件有效補縮距離的數值模擬

在硬化過程中，由于液體和硬化的收縮，鑄造最終的硬化部分無法彌補鋼液的收縮，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,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,對于鑄鋼件來說,它主要分布在鑄件壁的軸線區(qū)域,通常稱為軸線縮松。板狀件無縮松的致密區(qū),即為板狀件的有效補縮距離。其影響因素有很多,如:合金的凝固特性,鑄件本體所需補縮量大小,鑄型熱分布及型腔過熱程度,產生冷端效應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象,通過改變冒口直徑,冒口高度以及板厚,研究它們其對有效補縮距離的影響。1補縮通道擴張角鑄鋼件的軸線縮松通常都產生在壁厚均勻的鑄壁內。從縱剖面上看,產生在軸線處;從橫斷面上看,產生在中心部位,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,向鑄件推進越慢。因此,在冒口中形成楔形補縮通道,擴張角為φ2,向冒口擴張(見圖1(a)),有利于冒口補縮,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,向鑄件中心推進越快,構成的補縮通道擴張角φ1向冒口方向擴張。因在中間段的中心尚未構成補縮邊界之前,末端區(qū)已凝固完畢,所以末端區(qū)里的鋼液所產生的凝固收縮,完全能由冒口中的鋼液補縮。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)作用都達不到的中間段稱為軸線縮松區(qū)。在這個區(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,側面的凝固情況也相同,擴張角φ接近為零,凝固方式為同時凝固。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,構成很寬的凝固區(qū),凝固前沿平行,當等固相線推進到鑄件中心附近時,冒口雖然仍存在補縮通道擴張角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,導致壓力梯度大大降低,金屬液很難通過初生晶間的微小間隙。因此,在中心線上產生斷斷續(xù)續(xù)的晶間小孔(見圖1(d)),即軸線縮松。2板的開口設計2.1冒口尺寸和補縮液量確定鑄件的模數計算一般比較復雜,通常將其簡化為簡單的幾何體進行計算。平板鑄件需補縮部位的模數,T為板厚。通常將鑄件需補縮部位的模數放大10%~30%就是所需冒口的模數,即Mf=1.1~1.3Mc。以此計算所需的冒口模數,通過查找相應資料(如鑄造手冊、材料供應商的產品資料等)就可以初步確定冒口尺寸。(2)有效補縮距離為了達到鑄件致密,冒口的補縮通道必須通暢,為此可能需要一個或多個冒口。對于平板鑄件,當其長度小于或等于冒口區(qū)加末端區(qū)時,就不會產生軸線縮松。BishopH.F.等人對碳鋼[w(C)=0.20%~0.30%]的冒口補縮距離進行試驗研究,根據實驗結果得到平板件有效補縮距離的結論(見圖2),即板件無冷鐵的有效補縮距離=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縮通道外,同時還要保證冒口有足夠補縮的金屬液。補縮液量與冒口的大小和冒口的補縮效率有關。常用冒口的補縮效率大致為: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冒口直徑計算本文基于2.1的設計原則設計一板狀件(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,遠端距離為2265mm。在此基礎上改變冒口直徑,冒口高度及板厚(見表1),采用鑄造模擬軟件ProCAST進行凝固過程模擬。不同組別實驗中冒口和板的模數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)。實驗用鑄件材料為25鋼,初始溫度1560℃,砂型材料為呋喃樹脂砂,初始溫度為50℃。3模擬研究結果3.1澆注口位置的影響從冒口高度對補縮距離影響的模擬實驗結果(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縮距離的相關數據。將此數據轉化為補縮距離與冒口高度的關計算機應用系圖(見圖4(b))后可見:末端區(qū)為2.31T而非設計規(guī)范中的2.5T,且不隨冒口高度的變化而變化;當冒口模數大于鑄件模數時,冒口區(qū)不隨冒口高度變化而變化,其值約與板厚相當;而當冒口模數小于鑄件模數時,冒口區(qū)明顯減小,當冒口高度減小到200mm時冒口區(qū)減小為零。3.2補縮距離與冒口直徑關系在冒口直徑對補縮距離影響的模擬實驗結果(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縮距離的相關數據。將此數據轉化為補縮距離與冒口直徑的關系圖(見圖5(b))可見:末端區(qū)為2.31T而非設計規(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,增大趨勢取決于冒口模數與鑄件模數的關系:當冒口模數小于鑄件模數時,冒口區(qū)隨直徑的增大明顯增大,當冒口模數大于鑄件模數時,冒口區(qū)增大趨勢趨于平緩。3.3冒口模數與板厚的關系在板厚對補縮距離影響的模擬實驗結果(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縮距離的相關數據。將此數據轉化為補縮距離與板厚的關系圖(見圖6(b))后可見:隨著板厚增大,末端區(qū)增大趨勢變大,末端區(qū)與板厚為非線性關系,末端區(qū)從1.85T逐漸增大到2.45T;隨著板厚增大,冒口區(qū)的增大趨勢趨于平緩。綜上所述,可得冒口模數與T=205mm的板狀鑄鋼件冒口區(qū)的關系(見圖7)。由圖可見,隨著冒口模數的增大,冒口區(qū)逐漸增大,增大趨勢逐漸變緩。當冒口模數低于鑄件模數時,冒口區(qū)為零。4冒口模數對中小企業(yè)頂板模數的影響(1)板狀鑄鋼件末端區(qū)與板厚有關,隨板厚增大而增大,且增大趨勢逐漸變大,但與冒口直徑和冒口高度無關。(2)板狀鑄鋼件冒口區(qū)隨板厚,冒口直徑以及