大型鑄鋼件冒口補澆的數(shù)值模擬

■ 楊敬偉

大型鑄鋼件的材料利用率一直是鑄造工藝人員關注的重點之一，例如大型軋機機架鑄鋼件，凈重動輒上百噸甚至幾百噸，澆注總鋼液重往往比凈重多出接近一倍，因此開展降低冒口體積、提高材料利用率研究非常有意義。保溫冒口套或保溫磚的使用可以在一定程度上增加冒口模數(shù)即減小冒口體積，但普遍認為對于直徑大于1000mm的冒口使用時經(jīng)濟性并不好，因此其在大型鑄鋼件上使用得并不多。傳統(tǒng)上典型的軋機機架冒口設計都是采用直冒口，而直冒口與板形鑄件形成了“丁字筋”結(jié)構，即形成了一個大型的接觸熱節(jié)，其最終凝固部位往往在冒口下端與鑄件上表面的位置，如果工藝參數(shù)設計不當或澆注溫度過高，則很容易導致此位置超聲波無損檢測不合格（晶粒粗大），甚至裂紋的產(chǎn)生。

在增加冒口模數(shù)的新技術尚未出現(xiàn)之前，補澆是解決大型鑄鋼件上述問題的一個重要方法，可以在增大冒口模數(shù)的同時讓成分偏析遠離鑄件本體。以往，對冒口補澆的效果人們只能通過想象、以及從生產(chǎn)實踐的結(jié)果反推，本文使用ProCAST軟件對補澆過程進行了模擬仿真，便于鑄造工作者參考借鑒。

1.試驗產(chǎn)品介紹

（1）結(jié)構尺寸與生產(chǎn)工藝試驗產(chǎn)品為某種規(guī)格機架的橫梁部位，毛坯尺寸如圖1所示，圖中剖面線截面為后序建模與網(wǎng)格劃分時所使用的對稱面。在實際生產(chǎn)時，該機架橫梁部位的冒口根部直徑為1300mm，冒口重量為14.5t，鋼液總重為34.4t，此部位對應的鑄件工藝出品率為55%，澆注時一次澆滿，未進行補澆。用外冷鐵隔出末端區(qū)。

（2）鑄件驗收標準 鑄件材質(zhì)為G20Mn5+N，是目前軋機機架廣泛使用的材質(zhì)之一，其化學成分要求如附表所示。

圖1 機架橫梁部位毛坯尺寸

力學性能要求：Rp0.2≥300MPa，Rm≥480MPa，A≥20%，AKV≥50J（20℃時）。超聲波無損檢測的檢驗等級按EN12680一級，質(zhì)量等級按SN320第10部分進行驗收。

2.試驗方案

補澆的工藝參數(shù)主要涉及補澆的材質(zhì)、重量、溫度、澆速與補澆時機。補澆時機會對補澆效果產(chǎn)生較大影響，如果補澆距首次（前次）澆注的時間較短，型腔內(nèi)鋼液的液態(tài)收縮與凝固收縮量很小，后注入的鋼液與型腔內(nèi)已有鋼液瞬間完成均勻混合，實際補澆效果微乎其微；相反，如果補澆距首次（前次）澆注的時間過長，后注入的高溫鋼液只能進入冒口上部的收縮凹陷區(qū)，則補澆操作依然起不到作用。

軋機機架要求化學成分 （質(zhì)量分數(shù)） （%）

實際補澆用材質(zhì)均為低C、S、P的材質(zhì)，目的是希望能夠減弱冒口下成分偏析，模擬澆注時始終使用的都是同種材質(zhì)。先按照以往鑄造廠補澆的習慣操作，次數(shù)設定為一次，補澆鋼液溫度1590℃，重量為冒口高度的2/5的重量。設定補澆距離首次澆注的時間間隔為2h，觀察補澆鋼液對型腔內(nèi)原有鋼液的溫度場影響，以及對冒口內(nèi)縮孔高度的影響。根據(jù)觀察結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整冒口尺寸及補澆方案。

3.數(shù)值模擬與分析

（1）建模與網(wǎng)格劃分 由于3D模型尺寸非常大，為使模擬盡可能接近真實情況以及有效利用計算機資源，筆者將模型網(wǎng)格細劃，并且在機架立柱底部的外冷鐵位置（人為末端區(qū)）和機架對稱面將模型做成了1/4對稱處理。為避免鋼液在澆注系統(tǒng)內(nèi)冷卻過快，將澆注系統(tǒng)單獨建模，并且前處理時將其與型砂的界面換熱系數(shù)設為較低值。首次澆注時讓鋼液從澆注系統(tǒng)注入，補澆時讓鋼液從冒口上方注入。

（2）模擬結(jié)果與分析 首次澆高設定為冒口的3/5高度，冷卻2h后進行補澆操作，讓溫度1590℃的同種鋼液從冒口頂部注入冒口內(nèi)，澆滿后再次進入冷卻凝固階段。補澆時型腔內(nèi)溫度場如圖2所示，從圖中可以看到，補澆初始時鑄件的凝固率并不高，約為18%，補澆的高溫鋼液與型腔內(nèi)原有鋼液立即均勻混合，隨著補澆的進行，凝固率逐漸降低。最終縮孔判據(jù)（Shrinkage Porosity）預測的縮孔位置與未進行補澆的情況是一致的，即沒有實現(xiàn)通過補澆增加冒口模數(shù)和減弱冒口下偏析的目的。

圖2 間隔2h補澆時型腔內(nèi)的溫度場

（3）優(yōu)化工藝方案 根據(jù)模擬結(jié)果分析，筆者將一次補澆改為兩次補澆并且延長補澆時間間隔。為了提高材料利用率，將冒口根部直徑減小至1100mm，相應地降低冒口高度，同時增加1:10錐度。二次補澆時型腔內(nèi)溫度場如圖3所示，凝固結(jié)束時跟據(jù)縮孔判據(jù)預測的縮孔情況如圖4所示，可以看出縮孔位置是遠離鑄件本體的。調(diào)整后的冒口所需總鋼液重為11t，對應鑄件工藝出品率提高至62%，達到了預期目的。

圖3 二次補澆時型腔內(nèi)的溫度場

圖4 凝固結(jié)束時的縮孔位置預測

4、結(jié)語

（1）在增加冒口模數(shù)的新技術尚未出現(xiàn)之前，可以通過優(yōu)化補澆工藝并結(jié)合冒口結(jié)構來提高鑄件成品率。

（2）根據(jù)模擬仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)以往習慣操作下的補澆冒口僅能起到補充首次澆注時鋼液量的不足，如果想通過補澆實現(xiàn)增加冒口模數(shù)和減弱冒口下偏析的目的，則需要使用多次補澆方案并適當延長時間間隔，以及采取措施避免冒口頂層鋼液過早凝結(jié)成殼。