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1、精品论文大型铸钢件冒口设计及其凝固过程模拟史艳国1,2，刘振华1,2，张庆玲1,2，李敏1,2（1. 燕山大学先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004；52. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室，河北 秦皇岛 066004） 摘要：以金属挤压机前梁铸造为例，根据挤压机前梁的尺寸状，设计出合理的冒口，利用 ProCAST 软件对挤压机前梁的凝固过程进行模拟来检验冒口设计的合理性，并对设计的冒 口进行优化设计。首先根据铸件裸件的凝固模拟出热节数量、位置，计算出冒口尺寸和数量， 并对铸件初始工艺方案进行凝固过程模拟分析，通过模拟结果对铸件工艺方案进行优化改10进，并对
2、优化工艺方案进行凝固过程模拟。模拟结果表明工艺方案设计合理，冒口能够充分 补缩铸件，铸件表面和内部无缺陷，组织致密。关键词：铸造工艺与设备；大型铸钢件；模拟；冒口中图分类号：TG244+.415Large steel casting riser design and simulation of solidification processSHI Yanguo1,2, LIU Zhenhua1,2, ZHANG Qingling1,2, LI Min1,2(1. Yanshan University Advanced Forging Forming Technology and Science
3、Key Laboratory of the Ministry of Education Mechanical and Electronic Engineering, HeBei QinHuangDao 066004;202. Hebei Province Yanshan University Parallel Robot and Electromechanical System Laboratory, HeBei QinHuangDao 066004)Abstract: Taking a metal extrusion machine former beam riser design as a
4、 example, according to the extrusion press former beam size shape, designedreasonable risers, then PROCASTsoftware was introducedto simulate the process of solidification to test the rationality of the25riser, and optimized the design of risers. After the dimensions and numbers of risers were determ
5、ined base on the solidification results and the number of hot spots, the optimal sand mold riser was obtained. Then for ordinary sand mold runner set insulating riser case, thus reduce risersize. The calculation results show that riser design is reasonable, it could fully improve the feeding casting
6、, casting surface and internal had no defect and the structure is compact.30Keywords: casting process and equipment; large steel casting; simulation; riser0引言文章以 2 万吨挤压机前梁冒口设计为例，介绍如何设计大型铸钢件的冒口，并对铸造工 艺方案进行优化设计。挤压机前梁是承受挤压力的最基本的构件1,2，铸件尺寸大，铸件和35冒口的凝固时间会长，极易产生缩松与缩孔缺陷。挤压机前梁大都为小批量生产，铸件质量 大(单件质量为 360t)，耗用钢
7、水材料多。显然，进行反复试浇不合理。传统的铸造工艺往往 只是凭借铸造工艺人员的实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波探伤和磁粉探伤等 鉴定和分析后，才能得到一个合理的铸造工艺方案,而利用计算机有限元软件，可对凝固过 程的温度场进行模拟计算处理，预测铸件中可能出现的缩孔、缩松位置，对初始工艺方案进40行改进，制定出合理的工艺方案，缩短试制周期，降低成本，从而取得明显的经济效益3,4。ProCAST 软件是法国 ESI 集团开发出的一款评价和优化铸造产品与铸造工艺的专业 CAE 系统。该软件采用有限元方法进行模拟计算，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前能 够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力
8、场进行仿真分析并预测铸件的质量，优化铸造基金项目：国家重大科技专项（2009ZX04005-031）作者简介：史艳国，（1969-），男，教授，主要研究方向：虚拟制造技术、异地敏捷制造、网络化制造。E-mail: shi_yanguo- 7 -设备和工艺参数。其主要包括网格生成模块、传热分析模块、流动分析模块、应力分析模块455。1挤压机前梁初始工艺参数的确定（1）铸件外形尺寸大小为 6000mm5000mm2800mm，最小壁厚 150mm。铸件重量 为 365t，铸件三维图如下：50图 1 铸件三位立体模型Fig.1 Casting 3d modle（2）材质选为 ZG230-450，其化
9、学成分和力学性能要求如表 1 所示：55表 1 ZG230-450 的化学成分（%）和力学性能要求Tab.1 Chemical composition of ZG230-450(wt%) and Mechanical property requirements元素CSiMnPSCrMoNi成分0.20.51.20.040.04s（N/mm）b（N/mm）（）（）k（J）HB230450223525（3）铸件的线收缩率为 5.4%6。（4）铸件长度方向尺寸大，若采用立浇易出危险，所以采用平浇，浇注系统选择阶梯60式浇注系统。（5）选择地坑造型法，造型面砂为水玻璃铬铁矿砂，厚度为 4060mm；衬
10、砂为水玻璃 石英砂，厚度为 150200mm，其余为回用砂5。（6）初始温度 T=1580。2挤压机前梁初始工艺设计652.1 挤压机前梁冒口设计首先利用 ProCAST 软件对铸件本体进行凝固过程模拟，模拟出热节的分布和数量。图 2 14500 步铸件固液相分布图 图 3 23000 步固液相分布图Fig.2 14500 step casting solid liquid percent Fig.3 23000 step casting solid liquid percent70由图 2 和图 3 我们可以看出铸件中间厚大部位和铸件边侧的竖板处，铸件凝固过程出现孤立的液相区，这些孤立的液相
11、区随着钢水的凝固，而得不到补缩，就会出现缩松、缩孔等 缺陷。根据铸件的形状以及铸件缺陷容易出现的分布情况，把铸件按图 4 所示分为四部分，对75每部分进行模数计算，并针对每部分的铸件模数设置合理的冒口，使缩松缩孔等缺陷出现在 冒口，从而实现铸件顺序凝固的原则1。图 4 铸件均衡段的划分Fig.4 Casting equilibrium section division80用 UG 软件计算出各结构分体的散热表面积、体积、质量、铸件模数等，如表 2 所示。表 2 铸件各结构分体散热表面积、体积、质量、模数Tab.3 The radiating surface area, volume, qual
12、ity, modulus of each part of casting编号表面积（mm2）体积（mm3）质量（kg）模数（cm）整体1997181364662054677136506823.31179139306055234704014027734.22179139306055234704014027734.235396326445500920284225710.845396326445500920284225710.8852.2 挤压机前梁冒口计算（1）第一部分冒口计算经计算，铸件模数 M C = 34.2 cm，属于厚大部件。冒口模数M P = 1.2M C = 41.04 cm90确定
13、冒口尺寸、形状。选择圆柱形明冒口，经查表得,M P = 41 cm, 冒口尺寸为D = 2400 mm,H = 2400 mm,冒口斜度为 1：20，冒口重量为 91096kg。95100验算冒口补缩能力。该冒口能补缩铸件的最大重量Wmax 依公式Wmax = WP ( ) / 式中 冒口的补缩效率，依工厂经验数据 = 14% ; 钢的凝固收缩值，对于 ZG35SiMn，浇注温度为 1580时，=5.4%。Wmax = 91096(14 5.6) / 5.6 = 144842.6 kgWmax 大于第一部分铸件的重量，所以该冒口能够充分的补缩第一部分铸件。 第二部分和第一部分为对称结构，所以冒
14、口设计和第一部分尺寸相同。(2) 第三、四部分的铸件的冒口计算 M C = 10.8 ，所以冒口模数：M P = 1.2M C = 12.96 cm确定冒口尺寸。选择腰形暗冒口，经查表得,M P = 13.3 cm,冒口尺寸为 B = 600 mm,105110115L = H = 900 mm,冒口斜度为 1：20，冒口重量为 2877kg。 该冒口能补缩铸件的最大重量Wmax 依公式：Wmax = WP ( - ) / Wmax = 2877(14 5.6) / 5.6 = 4574.4 kg所以第三部分需要冒口数量为：n = W3 / Wmax = 42257 / 4574.4 = 9.
15、2即需要 10 个冒口才能充分补缩第三部分，显然不合理，需要改变冒口尺寸。经综合考 虑，选用三个腰形冒口，冒口尺寸为 B = 900 ， L = H = 1350 ，冒口重量为 9953kg。Wmax = 9953 3 (14 5.6) / 5.6 = 47475 kgWmax 大于第三部分铸件的重量，所以能够充分补缩第三部分铸件。 第四部分和第三部分为对称结构，所以设计的冒口和第三部分相同，冒口设计三维立体图如 下。图 5 铸造工艺简图Fig.5 Sketch of casting process1201251301351402.3 初始工艺方案模拟分析由于铸件尺寸大，铸件单元数量多，所以选
16、择铸件四分之一模型进行模拟。将铸件的三 维图导出 parasolid 格式，然后导入到 ProCAST 软件里，对铸件进行划分网格，设置边界条 件以及换热系数等等，然后进行运算，模拟运算结果如图 6图 7。图 6 铸件固液液分布图 图 7 铸件固液相分布图Fig.6 casting solid liquid percent Fig.7 Distribution of shrinkage of casting由图 6 我们可以发现，在竖板处凝固过程中，补缩通道不通畅，出现了孤立的液相区， 由此可见竖板上方部分的冒口对于薄壁处不能起到良好的补缩作用。由图 7 我们可以看出， 在铸件厚大部分，冒口迟
17、于铸件凝固，实现了铸件的顺序凝固，并且在铸件的凝固过程中， 补缩通道比较通畅，使得铸件厚大部分的缩松和缩孔都能集中在冒口内。3铸造工艺方案的优化（1）腰形暗冒口设置保温冒口套，冒口套厚度均为 70mm。冒口尺寸通过计算，相应 减小为冒口宽度 B=700mm，冒口长度和宽度 L=H=1050mm6,7。（2）将圆柱形明冒口改为发热保温冒口，冒口套厚度为 110mm，冒口尺寸通过计算， 相应减小为冒口直径 D=1835mm，冒口高度 H=1.2D=2202mm6,7。在明冒口的钢水面上覆盖 一层覆盖发热剂，其厚度大于 100mm。覆盖剂发热除低导热材料外，加入一定比例的发热 材料，在金属液的热作用
18、下，氧化剂提供氧使还原剂氧化发热，延长冒口内金属液的凝固时 间8,9。（3）在铸件竖板外侧部位设置楔形补贴，上部补贴长度为 300mm10。（4）在铸件竖板下方每侧设置 8 块间接外冷铁，冷铁厚 300mm。冷铁挂砂厚度为10-15mm，此厚度的间接外冷铁激冷作用最为显著。由于铸件中间部位属于超厚大部件，所 以冷铁激冷效果不佳，只能通过冒口的补缩作用来消除缺陷。145150155图 8 铸造工艺方案优化Fig.8 Casting process optimization4优化工艺方案后铸件凝固过程模拟将铸件的三维图导出 parasolid 格式，然后导入到 ProCAST 软件里，凝固模拟分析
19、结果 如图 9 和图 10。图 9 1000 步固液相分布图 图 10 8000 步铸件缩孔分布图Fig.8 casting solid liquid percent Fig.9 Distribution of shrinkage of casting由图 9图 10，铸件竖板处底部设置的间接外冷铁，在此处形成了激冷端，在凝固过程 中补缩通道通畅，没有形成孤立的液相区。另外在铸件最后的孤立液相区形成在腰形冒口和 圆柱形冒口内部，说明缩松和缩孔缺陷最终形成在保温冒口内，铸件实现了顺序凝固的原则， 冒口设计合理。160165170175图 10 铸件大冒口截面选取点 图 11 铸件选取点冷却曲线F
20、ig.10 Casting big riser section selection point Fig.11 Temperature-time curve of selection point图 10 为大冒口中心截面图，在铸件截面取有代表性的10 个点并作出各个点的冷却曲线。 由图 11 中可以看出 1、2、3、4 点冷却速度依次变大，点 4 下方因为设置冷铁，所以冷却速 度最大，由此可见冷铁铁激冷效果比较明显。2、3、号点因离冒口较近，所以冷却速度慢， 而 2 号点壁厚比 3 号点处壁厚大且正位于保温冒口下方，所以冷却速度比 3 号点小。而位于 冒口内部的点 1 冷却速度明显小于 2 好点
21、，说明竖板上方的保温冒口保温效果好，钢水在凝 固过程中，补缩通道顺畅，实现了顺序凝固的原则，孤立的液相区形成在冒口内部。5 号点 壁厚较小，所以开始冷却速度快，但是由于位于铸件厚大部位下方，5 号点周围砂型的温度 会随时间变化温度升高，所以 5 号点与砂型的换热速度降低，所以冷却速度也随之降低。6、7、8、9、10 号点的冷却速度依次变小，由此我们可以大冒口的补缩效果比较理想。分析结 果与铸件固相率分布图结果一致。从总体来看，铸件补缩通道顺畅，孤立的液相区最终形成 在冒口内部，满足了铸件顺序凝固的原则，冒口设计合理。5结论通过对优化铸造工艺方案，减小了冒口尺寸，大大降低了生产成本，又能保证铸件
22、质量 要求。与此同时又运用了 ProCAST 软件保证了冒口设计的合理性，大大缩短了生产周期。参考文献 (References)1801851 李逵盛，马顺龙，王怀林.典型铸件工艺设计实例M. 北京：机械工业出版社，2008 2 魏军. 金属挤压机M. 北京：化学工业出版社，2005.3 张可峰，杨涤心，谢敬佩等. 大型挂舵臂铸钢件铸造工艺优化J. 热加工工艺，2007，36（21):52-55. 4 刘小刚,沈厚发,康进武等. 数值模拟技术在大型铸钢件生产中的应用J. 热加工工艺，2005，5：65-685 李日. 铸造工艺仿真 ProCASTM. 北京：中国水利水电出版社，2010.6 李传栻，杨国杰，张振斌. 铸造工程师手册M. 北京：机械工业出版社，2002. 7 丁宝根. 铸造工艺学M. 北京：机械工业出版社，1985.8 王朝辉. 新型铸钢冒口覆盖剂的研究D. 武汉：华中科技大学，2006.9 张慧敏. 远洋货轮挂舵铸造工艺优化及冒口覆盖剂研究D. 洛阳：河南科技大学，2007. 10 陈国桢，肖柯则，姜不居. 铸件缺陷和对策手册M. 北京：机械工业出版社，1996.
