基于ProCAST的鑄鋼軋輥鑄造工藝模擬

田春霞，孫熙釗，孫格平

（1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

軋材是主要的鋼鐵產(chǎn)品，軋輥是軋鋼的主要大型工具，也是軋機(jī)上的主要消耗部件。在熱軋過程中工作輥與高溫金屬接觸部位溫度升高，冷卻部位溫度下降，軋輥存在熱震蕩[1-2]，這使得軋輥在使用過程的工況條件非常惡劣，工作條件極其苛刻，應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，這種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)造成軋輥表面磨損、裂紋、剝落[3]，整體變形和斷裂等失效。因此軋輥的性能要求一般是表面具有較高的耐磨性和紅硬性，整體又具有足夠的韌性，并且隨著冶金工業(yè)向著大型化、高速化、復(fù)雜化和自動(dòng)化方向發(fā)展，對軋輥的性能和質(zhì)量要求也越來越高[4]。采用有限元軟件ProCAST模擬鑄鋼軋輥的凝固過程，對優(yōu)化其鑄造工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立

1.1 網(wǎng)格剖分

鑄鋼軋輥采用砂型重力鑄造法生產(chǎn)，模型劃分精度采用鑄件及其直接接觸部件與其余部件網(wǎng)格最小尺寸比為4∶7，體網(wǎng)格劃分后共有4種材料，經(jīng)過Smooth優(yōu)化處理后保存輸出，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 039個(gè)、總單元數(shù)為145 651個(gè)，此精度可以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，其網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型

1.2 參數(shù)的設(shè)置

熱物性參數(shù)的選擇是否合理，對溫度場模擬計(jì)算準(zhǔn)確性有著決定性影響。鑄件熱物性參數(shù)的值是隨溫度的變化而變化的，反映到數(shù)值模擬方程中，表現(xiàn)為每一時(shí)間步長都可能包含多個(gè)不同的物性值，如果沒有一個(gè)準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)隨溫度變化的函數(shù)，很難保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。ProCAST軟件中自帶的材料數(shù)據(jù)庫中包括了很多已被工業(yè)驗(yàn)證的材料參數(shù)，其中包括金屬材料、各種型砂和精鑄的殼型材料等。本文模型均根據(jù)實(shí)際情況選擇材料庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，鑄件材料選用Steel-H13-Stress（見表1），底箱、冒箱及冷型材料選用Fe-GG-25，砂型材料選用SAND-Silica，底箱、冒箱、冷型在鋼水澆注前預(yù)熱溫度分別為80℃、230℃、120℃。

表1 定義材料

由于鑄造是在工廠車間內(nèi)進(jìn)行，溫度相對外界環(huán)境較高，取鑄造車間環(huán)境溫度為40℃，輻射黑度ε取0.85；考慮金屬與金屬之間傳熱較快，非金屬耐材與非金屬保溫材料的傳熱較慢，取模具與外界環(huán)境之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20 W/（m2·K）；取鑄件和模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1 000 W/（m2·K）；模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2 000 W/（m2·K）；采用保溫（絕熱）冒口，取型砂與鑄件和模具界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為500 W/（m2·K）（見表2）。

表2 定義界面

2 模擬結(jié)果及分析

鑄件熱量的散失主要是在冷卻階段中通過模具向外擴(kuò)散，而模具的熱阻又與其厚度成正比。因此通過調(diào)整鑄件模具的厚度可調(diào)整相應(yīng)模具部位的熱阻，從而達(dá)到調(diào)整相應(yīng)鑄件的冷卻速度。實(shí)際生產(chǎn)中，為了降低上部冒口的冷卻速度一般在冒口上部覆蓋保溫劑，形成保溫冒口。在模擬中通過在鑄件的上端面設(shè)定一個(gè)具有一定厚度一定溫度的非金屬材料的方法模擬保溫冒口。圖2可以看出，基于上述設(shè)置，在澆注后11 789 s時(shí)，輥身表面是溫度最低的，為整個(gè)鑄件的最先凝固的部分，這里會(huì)形成一定厚度的激冷層組織。在澆注后26 189 s時(shí)，溫度最低的部分是底頸，也是鑄件首先完全凝固的部分，輥身中部鋼水熱量逐漸向外擴(kuò)散，中心溫度最高，保持著順暢的補(bǔ)縮通道。在澆注后35 088 s時(shí)，只有冒口部位仍保持著較高的溫度，為冒口補(bǔ)縮提供熱量支持，有利于冒口的凝固質(zhì)量。

鑄件由下而上順序凝固，圖3為鑄件不同時(shí)刻的固相率分布圖，首先凝固的是鑄件下部，4.44 h時(shí)已完成凝固，其次凝固的是鑄件中間部位，凝固過程無孤立液相區(qū)，可有效保證補(bǔ)縮通道暢通，最后凝固的是冒口部位，由于凝固收縮和保溫冒口的作用，在上軸頸頂端形成凹陷式開放縮孔，與實(shí)際產(chǎn)品情況相符。

圖2 不同時(shí)刻的溫度場分布

圖3 不同時(shí)刻的固相率分布

從鑄件中間切開（見下頁圖4），分別選取底頸、輥身、冒口中心軸部位各2點(diǎn)，對比分析鑄件內(nèi)部的溫度變化情況。在整個(gè)降溫過程中，6個(gè)點(diǎn)冷卻速度均由慢至快再慢。在凝固初期，6個(gè)點(diǎn)在1 445℃以上冷速較慢，且因結(jié)晶潛熱的釋放影響均有一段平臺(tái)，隨著鑄件的熱量逐漸傳遞給直接接觸的鑄型工具，冷速也變的相對較快，直到相應(yīng)的工裝工具被鑄件熱量傳遞透，冷速逐漸慢下來，整個(gè)鑄件和工裝工具處于空冷狀態(tài)，冷速趨于一致。由于采用了保溫冒口，導(dǎo)熱能力較差，故冒口位置的冷速整個(gè)過程均相對較慢。整體看，6條曲線在下頁圖5中分布位置明顯，自下而上分別對應(yīng)鑄件的底頸、輥身和冒口，冷速最快溫度最低為底頸部位，其次是輥身，冒口部位冷速最慢溫度最高，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固。底頸兩點(diǎn)從澆注完畢11 400 s至17 101 s降溫最快，距離鑄件底部的3 493點(diǎn)冷速快于8 345點(diǎn)，歷時(shí)5 701 s后兩條曲線冷速趨于一致。輥身兩點(diǎn)從澆注完畢22 801 s至28 501 s降溫最快，輥身中部的7 900點(diǎn)冷速快于2 774點(diǎn)，歷時(shí)5 700 s后兩條曲線冷速趨于一致。

從鑄件的凝固時(shí)間云圖（見圖6）看，輥身外表面凝固時(shí)間最短，中部約100 s，這是因?yàn)檫@部分鋼水在凝固初期，與之接觸的鑄型內(nèi)壁溫度較低，冷卻速度較快，很快就達(dá)到了鋼水的固相線溫度而首先凝固，形成一層較薄的細(xì)晶外殼。由于鑄型內(nèi)壁溫度被鋼水加熱而迅速升高，且凝固外殼層與模壁脫離，形成薄薄的空氣層，使得鋼水散熱逐漸變慢，越向內(nèi)凝固時(shí)間越長，鑄件厚度為65 mm處，凝固時(shí)間約2 150 s，鑄件厚度為120 mm處，凝固時(shí)間約4 210 s，中心部位凝固時(shí)間約10 610 s。底頸下部凝固時(shí)間為7 000 s，底頸上部凝固13 060 s，冒頸凝固時(shí)間最長達(dá)48 000 s，相比輥身中部凝固時(shí)間短了37 390 s。

圖4 鑄件橫切面取點(diǎn)示意圖

圖5 鑄件橫切面取點(diǎn)溫度變化情況

3 結(jié)論

1）本文運(yùn)用ProCAST對鑄鋼軋輥鑄造凝固過程進(jìn)行了模擬分析，有效地解讀了凝固過程溫度場的分布情況。

圖6 鑄件凝固時(shí)間

2）保溫冒口的設(shè)計(jì)，使得鑄件底頸降溫最快，輥身次之，冒口降溫最慢，自下而上地完成順序凝固，反映了鑄造仿真過程的可視性和真實(shí)性，可為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。