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1、基于FLOW-3D仿真的横浇道集渣效果研究摘 要夹杂缺陷对铸件产生严重破坏作用。在浇注过程中，横浇道具有一定捕获夹杂物的功能，即集渣作用。为了探索横浇道的集渣作用，本文以含碳量为0.50%的碳钢为例，并利用FLOW-3D模拟软件研究了横浇道的形式、浇注系统的类型、集渣包等对集渣效果的影响。仿真结果表明：横浇道充满可以明显提高集渣效率，半封闭式浇注系统比封闭式和开放式集渣效果好；忽略阻力系数的影响，横浇道横截面的变化及弯曲不利于提高集渣效果，其中雨淋式集渣效果最好；横浇道上设置集渣包有利于提高集渣效率，其中离心式集渣包集渣效果最好。关键字 集渣，横浇道，FLOW-3D，浇注系统类型 ABSTRA
2、CTInclusion defects seriously damage the casting quality. In pouring process, the runner has a function to capture inclusions. To explore the effect of drag collection of runner,This paper takes 0.50% carbon steel for example, and it studies the effect of the form of runner, the type of gating syste
3、m, the dirt trap on drag collection by using FLOW-3D simulation software . Simulation results show that: runner residue being filled can significantly improve the collection efficiency, and the semi-closed gating system is better than the closed and the open one; Ignoring the impact of the resistanc
4、e coefficient, the cross section changes of the runner and its bending are not suitable for increasing the effectiveness of drag collection , and the rain-type gating system is the best ; Setting diet trap on runner is good for raising the effectiveness of drag collection, and the whirl-gate diet tr
5、ap is the best for the set of Java package.Key words drag collecting，Runner，FLOW-3D，Type of gating system目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1选题背景11.2计算机在铸造上的应用和发展11.2.1模拟软件应用的意义21.2.2 FLOW-3D简介21.3横浇道集渣原理31.3.1夹杂缺陷对铸件的影响31.3.2横浇道集渣原理32 实验设计62.1实验方法62.2实验参数62.3实验设计内容72.3.1不同浇注系统类型设计72.3.2横浇道结构形式设计82.3.3集渣包设计93
6、集渣效果数值模拟113.1 FLOW-3D的设置113.2集渣效果仿真过程123.2.1不同浇注系统类型的仿真过程123.2.2不同横浇道形式仿真过程133.3.3不同集渣包的仿真过程144 结果与分析154.1模拟仿真结果154.2结果分析164.2.1浇注系统类型对集渣效果的影响164.2.2横浇道形式对集渣效果影响164.2.3设置集渣包对集渣效果影响164.2.4粒子大小对集渣效果影响175 结论18参考文献19致谢21 1 绪论1.1选题背景我国是一个较早掌握铸造技术的文明古国。在古代时侯，我国就已经能用铸造方法生产出很多铸造产品，如耕地的犁、锄、镰以及一些兵器等。古代的铸造方法是以
7、简单的砂型铸造为主，由于技术、设备等原因，生产的铸件质量往往达不到需求，也无法生产一些要求较高的铸件，随着时间的推移，人们在铸造方面不断地进行探索，并取得了较大的突破，目前已经研发出离心铸造、消失模铸造、压力铸造等一系列较先进的铸造方法。这些铸造方法与古代铸造方法相比都较大的提高铸件质量。当然由于技术不断改进，先进设备的使用，砂型铸造的铸件质量也得到了较大的改善。但是无论何种铸造方法都无法避免一个普遍存在的问题铸件缺陷，铸件缺陷严重影响铸件的性能，甚至导致废品，部分铸件废品率甚至达到30%，这必然加大材料的浪费，增加劳动强度，促使生产成本提高。铸件的缺陷种类很多，比如气孔、夹杂、粘砂、浇不到、
8、冷裂、冷隔、变形等，而在这些缺陷中，夹杂类缺陷占较高比例。据报道，在铸造生产中,由于夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品一般占废品总数的 50% 60%【1】，因此减少铸件夹杂可以大大降低废品率，降低生产成本。目前普遍认为横浇道具有一定的捕获夹杂物功能即集渣作用，因此提高横浇道集渣作用可以减少铸件的夹杂类缺陷，这将会大大降低废品率，从而降低生产成本，这也正是本课题研究的初衷和意义所在。1.2计算机在铸造上的应用和发展我国是一个铸造大国却不是铸造强国，要想成为一个铸造强国，就必须向铸造强国看齐，适应当代世界经济全球化、快节奏的趋势，做到市场反应快速、低成本、高质量、高效率，这就必须对传统铸造业进行提升
9、和改革。在传统的铸造生产中，一般情况设计的产品要成功运用于生产或者设计出一个合理的工艺方案，往往都需要经验丰富的工艺设计人员经过多个“设计试浇优化”循环，这样势必花费大量的人力、物力和财力，同时在新产品的开发过程会增加产品的研发成本和研发周期，总之，传统铸造生产其成本较高，这已经无法满足铸造行业发展需求。从目前来看，铸造行业的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析，利用计算机来进行工艺设计、确定工艺参数，通过仿真预测过程中可能出现的缺陷，从而采取的防止措施，优化工艺方案，实现优质、高产、低耗、清洁的生产过程。计算机应用逐步使铸造工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”2
10、-4。1.2.1模拟软件应用的意义数值模拟是计算机在铸造上的重要应用之一。数据显示，采用计算机模拟仿真技术可以缩短产品试制周期的40%，降低生产成本30%，生产效率提高25%【5】，因此越来越多的公司加大了对计算机模拟软件的研究，并取得了不错的成果。目前国外普遍采用的铸造模拟软件有美国的PROCAST和FLOW-3D，德国的MAGMAsoft，芬兰的CASTCAE，西班牙的FORCAST，日本的CASTTEM，法国的SIMULOR，瑞典的NOVASOLID。我国在这方面起步较晚，但进展迅速，目前开发的模拟软件有清华FT-STAR和华中科技大学的华铸CAE【6】。利用模拟软件对设计的工艺进行模拟
11、仿真，可以观察到产品的缺陷，以便去改进工艺，最终得到较理想的生产工艺。传统铸造中多次试生产的过程将由模拟仿真代替，这大大减少了试生产所需要的财力和劳力，极大提高了生产效率，从而大大降低生产成本。目前我国模拟软件在铸造上的应用仍然非常少，绝大多数工厂仍然以传统的生产方式为主，即由设计人员的经验进行工艺设计，然后进行试生产。其主要原因：一方面是由于工厂的模式太过传统，对于新的信息了解少，新的形势认识不足，无法对传统的铸造进行提升；另一方面，由于我国这方面起步晚，加之缺少对这方面的人才培养，导致计算机在铸造上的应用型人才基本处于空缺状态。1.2.2 FLOW-3D简介由于本课题是以FLOW-3D仿真
12、软件作为研究基础，下面对FLOW-3D软件进行简要介绍。FLOW-3D由国际知名流体力学大师Dr.C.W.Hirt创作，1985年发布使用。FLOW-3D是一款三维工程流体力学分析软件，主要用于模拟具有自由表面的流体的流动问题，是高效能的计算机仿真工具，广泛的应用于各个领域，例如：航空航天、水利、海运、环境工程、金属铸造、微机电系统、喷涂等领域。虽然FLOW-3D的功能强大，优势也很明显，但仍存在一些不足之处9,14。FLOW-3D的主要优势：单一软件界面整合了所有问题的网格划分、参数设置、模拟计算和后处理，通过选择模型、选择求解方程和求解方式(隐式、显式)，实现全参数化控制；流场仿真效果出众
13、，尤其是高速流动；基于有限差分法的网格划分，可自动划分网格并提供多组块网格划分，操作简单、不易出错，并且使用了自由网格技术，网格不易失真【7】。FLOW-3D的不足：应用于铸造领域时，仿真铸造应力场稳定性差，并且材料数据库中的热物性参数，如密度、热导率、比热、潜热、热膨胀系数等是某一温度下的常数，而不是温度的函数，与实际情况偏差较大。另一方面，参数设置时，无关参数干扰严重，影响了仿真的稳定性和结果的准确性【7,21】。FLOW-3D在铸造方面主要用于金属液态流动充型、凝固收缩、应力场、二元偏析、表面缺陷追踪等分析等，并且可以模拟不同金属材料的各种铸造过程，如：压铸、低压铸造、重力、倾斜重力铸造
14、、消失模铸造、砂模铸造、离心铸造、半固态铸造等【3-6】。针对本课题研究，主要采用重力砂型铸造。1.3横浇道集渣原理1.3.1夹杂缺陷对铸件的影响铸件中夹杂物对铸件质量产生重要的影响，夹杂物主要是一些非金属氧化物、金属氧化物、硫化物、硅酸盐或氮化物等，其来源甚为复杂。一般来说，受耐火材料、炉体、空气氧化等外因的影响愈大，夹杂物的颗粒就愈大。目前普遍认为铸造生产中的夹杂主要是冶炼过程和浇注过程中产生的。冶炼过程中产生的渣团主要有钢渣、高炉渣。钢渣根据炉型可分为电炉渣、转炉渣、平炉渣，是在冶炼金属的过程中排出的固体废物，主要成分是钙、铁、铜、硅、镁、铝、锰、磷等氧化物。高炉渣中主要成分为CaO、S
15、iO2、Al2O3，是冶炼生铁时从高炉中排出的废物。当炉温达到14001600时，炉料熔融、矿石中的脉石、焦炭中的灰分、助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面的熔渣，这些熔渣在出铁水时被拔除，但是无法完全拔除干净。浇注过程产生的夹杂物主要有：钢流的二次氧化；塞头、水口、中注管、场道砖受钢流浸蚀或冲刷的产物；浇包中的熔渣和锭模的保护渣所带入的夹杂物。 铸件中的夹杂物破坏了金属基体的连续性，造成金属组织的不均匀性，使金局的力学性能，特别是金属的塑性、韧性和疲劳强度受到影响，对金属的物理化学性能也产生不良影响，如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，因此必须尽量降低铸造夹杂【8
16、-10,20】。1.3.2横浇道集渣原理目前，预防铸件夹杂缺陷一般采用过滤、撇渣、浮渣等方法。在浇注系统中安置过滤网能有效地预防夹杂。但是，在浇注系统安置过滤网也有很大局限性，首先，过滤网的加入不能充分发挥直浇道的液态补缩能力，铸件工艺出品率显著降低。其次是过滤网不能太小，因此对于较小的夹杂是无法去除的。另一方面，最重要的是过滤网价格不菲，这会大大提高生产成本【11】。目前，在浇注系统设计中，一般都考虑“浮渣法”，即利用渣团自身上浮到横浇道顶部被截获。横浇道是位于内浇口和直浇道之间的中间通道，它有效的将内浇道与直浇道连接起来，是浇注系统最重要的组元。横浇道的主要作用是向内浇道平稳的输送金属液，
17、除此之外它还有一个重要作用就是储存最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓，因此横浇道又叫捕渣道。目前对于中小铸件多采用横浇道进行挡渣。横浇道的集渣原理如图1.1（a）所示，由于渣团密度比金属小，渣团在浮力作用下上浮，同时随金属液作水平运动，如果渣团能上浮到横浇道的顶部或超过内浇道的吸动区，渣团就不会进入型腔，实现集渣。若横浇道与内浇口高度设计不当，渣团就容易进入型腔，如图1.1（b）为设计不良的横浇道。图1.1 横浇道阻渣原理 a正确 b 错误根据横浇道集渣原理，如果渣团在进入内浇口前能上浮到横浇道的顶部或超过内浇道的吸动区，渣团就不至于进入型腔，实现集渣作用。所以有人认为只要将横浇道设计
18、的足够长，内浇口足够远，渣团就有充足的时间上浮，从而被截获。但是其中一个很重要问题是若横浇道太长、太高会造成浪费金属液量的浪费，这势必增加生产成本，不符合生产要求。另一方面影响横浇道集渣的因素很多，不仅仅只与横浇道自身有关，还与直、横、内浇道的配合，金属液粘度、流速等有关。根据流体力学知识，可以推出渣团匀速上浮速度： 式（1.1）式中 R 渣团半径 ； 金属液密度； 渣团密度； g 重力加速度，等于9.8m/s2； C 渣团上浮的阻力系数,与流体的雷诺数有关，详见表1.1。表1.1 不同雷诺数Re下的阻力系数CRe1102103104105106C2810-31.110-30.4610 - 3
19、0.4210 - 30.3910 - 30.1410 - 3根据以上公式可以看出横浇道捕渣作用与渣团密度、渣团半径、阻力系数等有关，当然直浇道与内浇口存在一定距离使得渣团有时间上浮是集渣的前提条件。部分专业人士对横浇道集渣效果进行了研究，并得出一些结论，例如杨屹教授进行了实验研究【12】，根据他的实验结果，认为横浇道需充满才能保证集渣效果，同时平直的横浇道有利集渣。除此之外，文献13和14中明确指出要使横浇道具有集渣作用，其中一个必要条件是横浇道高度必须大于内浇口的吸动区。因此怎样才能使集渣效果好但又能尽量减少浪费金属液呢？这是本课题将研究的重点，本文将进一步对横浇道的集渣作用进行探索。由于F
20、LOW-3D软件仿真结果与实际结果接近度高达95%6，数据可信度非常高，这对于研究具有非常重要的意义，基于FLOW-3D众多优势，本文采用FLOW-3D对集渣效果进行研究。2 实验设计2.1实验方法本文以长方体作为铸件，铸件长为200mm，宽为100mm，高为100，如图2.1所示。铸件材料为0.50%碳钢（液态密度=6.98g/cm2），铸件的质量为13.96kg。设计出研究需要的各种实验方案，利用FLOW-3D进行模拟仿真，并以粒子作为渣团，最后将进入型腔的粒子数作为实验结果。图2.1 铸件2.2 实验参数本课题需要的主要参数包括流体种类、浇注温度、粒子（渣团）类型、粒子密度、粒子数量、渣
21、团密度、内浇口面积、内浇口于直浇道距离、流动类型（紊流和层流)、压头高度、内浇口的截面积以及产生的总的粒子数量等，部分参数选择如表2.1。 表2.1 参数选取流 体渣团密度/g .cm-3粒子数量/个压头高度/mm流动类型内浇口截面积/cm2浇注温度 /K当量直径/mm0.50%的碳钢2.5250200紊流4.4180017本文以0.50%碳钢进行研究；钢渣的密度一般在2.03.0g.cm2，本文选取平均值2.5g.cm-2作为钢渣密度；铸造中流体流动均为紊流；查阅文献15计算得内浇口截面积为4.4cm2，压头高度200mm；根据本文研究情况粒子当量直径取1-7mm；粒子总数设置为250，且在
22、整个过程保持不变。根据横浇道的集渣原理，可知在内浇口与直浇道之间需存在一定的距离，才能使渣团有时间上浮，这是集渣的前提条件，因此在设计时必须保证这个最小距离。浇注过程中流动通常为紊流Re2300，根据上述表1.1在紊流范围内选取最大的阻力系数C=0.4610 3；设最小可被截获粒子当量直径为1mm，则最小的半径R=0.5mm，将上述数据带入公式1.1，可计算得最小上浮速度Vmin=0.427m/s。本文中横浇道最大高度为30mm，则粒子上浮到横浇道顶部最大上浮时间Tmax=0.7；流体在横浇道长度方向速度V，可根据本文设计的压头高度计算得V=1.97m/s，故直浇道与内浇口的最小距离距离Lmi
23、n=VT=1.970.7=137.9mm，因此在进行实验设计时，直浇道与内浇口的距离需要大于137.9mm.。.2.3实验设计内容据以上所述横浇道集渣作用影响因素很多，本文就针对其中一些主要的影响因素来探讨横浇道集渣作用。其中探讨的主要内容包括浇注系统类型、横浇道的结构形式、集渣包的使用几方面。在实验设计时，设计主要包括以下一些内容：浇注系统类型为封闭、半封闭、开放式三类； 横浇道的形式主要是变截面、弯曲及雨淋式；集渣包主要有锯齿型、梯形和离心式。 2.3.1不同浇注系统类型设计 浇注系统类型主要有封闭、开放式，但通常认为在两者之间还存在一种半封闭式3-5,20。封闭式浇注系统又称充满式浇注系
24、统即所有组元都能被金属液充满，主要优点是可防止金属液卷入气体，消耗金属液少，清理方便，缺点是进入型腔的金属液流速高，易产生喷溅和冲砂，使金属液发生扰动、涡流、氧化。适用于铸铁的湿型小件及干型中、大件。开放式又称非充满式，金属液不能充满所有的组元。主要优点是进入型腔的速度小，充形平稳，冲刷力小，氧化轻，但是当直浇道为非充满式，也容易产生高度紊流，造成严重氧化，在设计时要慎重考虑。一般来说，开放式金属液消耗多，不利于清理，常用于非铁合金、球铁、铸钢等易氧化铸件。半封闭是介于封闭式浇注系统于开放式浇注系统之间的另一种浇注系统类型，它以横浇道截面积最大，充型时仍充满状态，但较封闭式晚，充型较封闭平稳，
25、卷气较少，比较适用易氧化的金属8,11。在设计上述三种浇注系统时，其中内浇道截面形式为长方形，截面面积S内=4.4cm2，查阅文献5取横浇道截面为梯形，直浇道截面为圆形。封闭式：取浇口比S内：S横：S直=1：1.5：2=4.4：6.8：8.8，根据横浇道截面积查阅文献15选择尺寸详见表2.2；经计算直浇道截面直径d=32mm，其他尺寸详见表2.2。半封闭式：取浇口比S内：S横：S直=1：1.4：1.2=4.4：6.2：5.3，经计算直浇道截面直径d=26mm，横浇道尺寸选取及其他尺寸详见表2.2。开放式：浇口比S内：S阻：S横：S直=2：0.8：2：1=4.4：1.56：4.4：2.2,经计算
26、直浇道截面直径d=16mm,整个浇注系统的具体结构及相关尺寸详见表2.2。 表2.2 浇注系统结构及尺寸名称结构示意图三维几何图全封闭式S内：S横：S直=1：1.5：2半封闭S内：S横：S直=1：1.4：1.2开放式S内：S横：S直=2：2：1注：三种浇注系统S内均为4.4cm22.3.2横浇道结构形式设计根据杨屹教授实验12，横浇道形式变化不利于提高横浇道集渣效果。本文将对横浇道形式进一步研究，在本文里，横浇道的形式主要是指截面积变化及长度方向上弯曲变化。横浇道截面积的变化仅指面积变化，而截面形状保持不变的，在整过研究过程中，横浇道截面始终保持为梯形。本文将以几种典型常见的横浇道变化形式【2
27、0】做研究，主要包括截面积变化、横浇道有台阶、顶注雨淋式。最后将上述三种横浇道仿真结果与平直横浇道模拟结果进行对比分析。 几种横浇道结构形式及尺寸详见表2.3，浇口比：S内：S横：S直=1：1.4：1.2=4.4：6.2：5.3，经计算直浇道截面半径d=26mm。 表2.3 不同横浇道结构形式及尺寸名称 结 构 示 意 图 三 维 几 何 图特 点变截面以横浇道为阻流，充型平稳，适用于中大铸件生产。表2.3 不同横浇道结构形式及尺寸 续台阶式横浇道长度上发生转折，充型过程，易发生扰动。顶注雨淋式内浇道多，液流分布均匀，对型腔冲击小。能实现顺序凝固，有良好的补缩能力，有利于获得组织致密的铸件。平
28、直截面紊流弱，流动平稳，充型稳定。2.3.3集渣包设计集渣包是横浇道上被局部加高、加大的部分，顾名思义集渣包即用于收集渣团粒子，它的主要作用就是收集横浇道内上浮的夹杂物。集渣包的形式很多，对于不同形式的集渣包，集渣效果也不尽相同。最常见的集渣包类型有齿形、梯形和离心式。齿形集渣包通常又分为顺齿形和逆齿形。根据理论知识，顺齿形集渣包，流体经过集渣包时，渣团因上浮被集渣包所捕获停留在其中，能起到一定的集渣效果。对于逆齿形集渣包，金属液流经集渣包时，截面积变大，齿形方向与流动方向相反，因此极易产生涡流，渣团随涡流卷入其中，最终停滞在集渣包内。逆齿形比顺齿集渣效果好，在实际生产中用的较广泛，但是在星形
29、浇注系统和活塞环浇注系统设计顺齿形用得较多【16】。离心式集渣包是指金属液以切线方向进入圆形集渣包。根据理论情况，金属流入集渣包时，断面会突然增大，导致流速大大降低并在集渣包内产生旋转，渣团就会向旋转中心集中、浮起留在集渣包顶部。离心式集渣包结构特点：出口截面积需小于入口，方向和液流旋转方向相反【17-19】。国内多数工厂在设置集渣包,多采用梯形截面集渣包。由于梯形截面比齿形截面大得多，特别是高度易于“调节”，夹杂与浮砂易上浮集中在顶部，不容易进入内浇口吸动作用区域，集渣效果较好，并且梯形集渣包比齿形和离心式更容易造型，因此用得更广泛。本文对上述四种常见集渣包（顺齿、逆齿、离心式、梯形）和无集
30、渣包进行模拟仿真，然后将设置集渣包的模拟结果与无集渣包进行对比分析。集渣包的结构及尺寸详见表2.4集渣包结构及尺寸。 表2.4 集渣包结构及尺寸名称结构示意图三维几何图顺齿集渣包逆齿集渣包梯形集渣包离心式 集渣包无集渣包3 集渣效果数值模拟3.1 FLOW-3D的设置FLOW-3D的使用时，主要流程包括CAD建模模型导入网格划分参数设置仿真计算结果分析，其中最关键的是网格划分和参数设置。FLOW-3D三维几何体是利用网格进行填充的，设置网格时，网格的大小要适当，如网格尺寸太小整过模拟过程计算会变得很复杂，导致整过仿真时间太长。若网格尺寸太大会使三维几何图产生缺失，从而无法得到准确结果。参数基本
31、设置包括Global、Physies（物理参数）、Fluids（流体设置）、Meshing&Geometry、Boundaries（边界条件）、Intial（初始条件）、Output(结果输出)、Numeries，如图3.1FLOW-3D的基本参数设置。图3.1 基本参数设置 由于本实验涉及到渣团，并且渣团在整个仿真过程中是一个关键性因素，因此渣团设置是否合理将影响到整个仿真结果的准确性。FLOW-3D软件利用有质量粒子作为渣团，粒子设置如图3.2所示，主要包括粒子类型（particle type）、粒子大小及密度（size and density）、初始条件（initialization）、
32、物理性质(properties)、自由表面的相互作用(free surface interaction)、粒子列表（particle list）。粒子设置时需注意粒子直径不能大于网格的直径，这是该软件的一个不足之处。本文网格为正方体，网格边长为7mm，因此在设置粒子时，当量直径不能大于7mm。图3.2 粒子设置3.2集渣效果仿真过程为了使结果更加准确可信，在实验设计和模拟过程时，除了需要研究的内容，每一组其他参数均保持一致。3.2.1不同浇注系统类型的仿真过程 在仿真封闭式、半封闭、开放式三种浇注系统集渣过程中，可以观察：横浇道充满情况；充填型腔的稳定性或者充填速度；粒子在型腔和横浇道的分布情
33、况。如图3.3为不同浇注系统充填过程，其中绿色粒子为渣团，粒子当量直径为5mm。 a)半封闭式b)封闭式 c)开放式图3.3 不同浇注系统仿真过程3.2.2不同横浇道形式仿真过程 不同的横浇道形式集渣效果也不同，如图3.4为不同横浇道充填过程，从整个充填过程，可以观察流体流动情况、速度、粒子流动及分布，其中绿色粒子为渣团，粒子当量直径为5mm。a)变截面b)台阶式c)顶雨淋式d)平直横浇道 图3.4 不同横浇道仿真过程3.3.3 不同集渣包的仿真过程 如图3.5不同集渣包充型仿真过程，其中绿色粒子为渣团，粒子当量直径为2mm。充填过程中，可观察粒子的在横浇道和集渣包运动情况及最终粒子在型腔和集
34、渣包分布情况。 a)顺齿b)逆齿c)梯形d)离心式图3.5 不同集渣包仿真过程 4 结果与分析4.1模拟仿真结果模拟结果主要包括：进入型腔的粒子数N0、进入集渣包的粒子数N1、进渣率K、阻渣率K0以及集渣包的集渣率K1，其中：K、K0、K1计算如式4.1、4.2、4.3，其中N为粒子总数。 式（4.1） 式（4.2） 式（4.3） 模拟结果统计如表4.1、4.2所示。表4.1 模拟结果统计组 数名 称当量直径d/mm粒子总数N/个流入型腔粒子数N1/个进渣率K/%阻渣率K0/%第一组封闭式52501305248半封闭52911.688.4开放式52108416第二组变截面 5 3915.684
35、.4台阶式55421.678.4雨淋式5218.491.6平直52610.490.6第三组顺齿25722.877.2逆齿23915.684.4梯形25622.477.6离心式2166.493.6无集渣包29638.461.6表4.2 集渣包的集渣率名称集渣包内粒子数N1/个集渣包集渣率K1/%顺齿形集渣包15160.4逆齿集形渣包13955.6梯形集渣包9638.4离心式集渣包17871.24.2结果分析4.2.1浇注系统类型对集渣效果的影响从第一组数据中，各种浇注系统的类型阻渣率：半封闭封闭开放式。在整个仿真过程中可以观察到粒子主要是在充型初期进入型腔的，也就是说在浇注初期，横浇道呈未充满状
36、态，粒子无法上浮到横浇道顶部，进而进入型腔。开放式浇注系统金属液无法充满横浇道，渣团无法上浮到横浇道顶部，几乎不能起到阻渣作用，而封闭式浇注系统横浇道可以快速充满，集渣效果好，因此可以说横浇道充满对提高集渣效果具有重要作用。相对于封闭式而言，半封闭不仅可以充满横浇道，并且冲击小，紊流弱，充型平稳，有利于渣团上浮，集渣效果好于封闭式。4.2.2横浇道形式对集渣效果影响从第二组数据可以看出，集渣效果：雨淋式平直横浇道变截面台阶式。根据公式1.1可知，阻力系数越小，渣团上浮速度越快，越易截获，由于阻力系数与雷诺数有关，紊流越强，雷诺数越大，而浇注中流体基本是以紊流为主，液体流动雷诺数在104105级
37、，不难发现在雷诺数与阻力系数关系表1.1中，阻力系数变化很小，阻力系数相差C=0.0410-3，因此在本文中，阻力系数对渣团上浮速度影响可忽略。从结果看，平直横浇道集渣效果比变截面和台阶式好，这说明截面变化及弯曲都会对横浇道集渣效果产生不利影响。从充型过程中，也可以看到平直横浇道流速低、金属液在横浇道内流动平稳，渣团易于上浮。因此可以认为忽略了阻力系数的影响，影响集渣效果的主要因素是充型的平稳性。因此流速低、流动稳定更有助于渣团上浮，渣团更容易被截获，而截面变化及弯曲增加充型的不稳定性，增强紊流，不利于渣团上浮。而雨淋式结构尽管横浇道发生了弯曲，但集渣效果很好，主要是雨淋式浇注系统内浇口多冲击
38、力小，流速小，充型平稳，有利于集渣，集渣效果好。在设计浇注系统时，雨淋式对于非圆类铸件不适用，多用于圆柱类铸件。对于非圆类铸件设计时横浇道应尽量避免截面变化和弯曲，降低流动的不稳定性，提高集渣效果，减少铸件夹杂。4.2.3设置集渣包对集渣效果影响根据第三组数据，集渣效率：离心式梯形逆齿顺齿无集渣包。从结果可以看出集渣包对集渣效果具有明显的作用，特别是离心式的集渣包使用大大减少了夹杂。金属液进入离心式集渣包，产生强力涡流，渣团向集渣包中心集中，由于金属液从集渣包流出时，出口较进口小，渣团不易流出，最后在集渣包内上浮留在其中，集渣效果好。梯形集渣包的高度以及截面积都较齿形集渣包大，集渣效果较齿形好
39、。在逆齿集渣包内，流体会产生旋转涡流，渣团易进入集渣包，集渣效果较顺齿好。总之，集渣包有利于提高集渣率，减少铸件夹杂。一般情况下集渣包用得不多，除非是一些要求较高的铸件，一方面集渣包在造型时很麻烦，会增加劳动强度；另一方面，最重要的是集渣包特别是离心式和逆齿形充型时，对外来大颗粒渣团有较好的集渣作用，但是产生强力的紊流，紊流会破坏流动情况，从而破坏已形成的氧化膜，增加二次氧化，导致形成新的夹杂物，这些夹杂物可能进入型腔无法去除，这将对铸件性能产生影响，在设计或使用时应谨慎考虑。4.2.4粒子大小对集渣效果影响 根据前面的设计情况，第二组平直横浇道和第三组无集渣包是完全相同浇注系统，而模拟过程粒
40、子当量直径不同，从结果可以看到粒子当量直径大的浇注系统集渣效果好，即第二组平直横浇道集渣效果好。图4.1粒子运动情况，其中白色粒子为渣团，图中可以看到当量直径越大上浮速度越快。根据公式1.1可以知道渣团半径越大上浮速度越快。从上述实际模拟结果和理论情况均可以看出当量直径越大，上浮速度越快，集渣效果越好。a）当量直径d=5mmb) 当量直径d=2mm 图4.1 粒子在横浇道运动情况 5 结论1）横浇道充满可以明显提高集渣效率，半封闭式冲击小，紊流弱，金属液在横浇道内流动平稳，渣团易于上浮，集渣效果优于开放式和封闭式。2）忽略阻流系数影响，横浇道截面的变化或弯曲会增加流动的不稳定性，不利于渣团上浮
41、，渣团不易被截获。设计横浇道时应避免采用弯曲和变截面的横浇道，尽量采用平直横浇道，对于圆柱类铸件可考虑雨淋式浇注系统。 3）横浇道上设置集渣包有利于提高集渣率，离心式比梯形式和齿形集渣包集渣效果好，但是在造型时，离心式及锯齿形不易造型，并且在浇注过程中容易破坏横浇道内已形成的氧化保护膜，可能会使金属液产生二次氧化，形成二次氧化夹杂物进入型腔，不利于减少夹杂物，使用要慎重考虑，梯形集渣包方便简单，效果较好，对于多数铸件目前仍然采用梯形集渣包。 4）渣团粒子直径越大，集渣效果越好。参考文献1 张毅，邬君飞. 钢中非金属夹杂物的分析研究进展J. 宝钢技术，2008，25(2)：37-40.2 张红松
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