發熱保溫冒口在鑄鋼件生產過程中的應用

胡志強，杜延強

天津重型裝備工程研究有限公司 天津 300457

1 序言

隨著經濟的發展，鑄鋼件在冶金、鐵路、造船等機械行業中的需求量越來越大，鑄件生產過程中，冒口重約占鋼液總重的1/3～1/2。冒口的切割與回收產生了大量的人力和資源消耗，從而加大了工作量與成本，而提高冒口補縮效率的方法有兩種：一是增加冒口補縮壓力；二是延長冒口凝固時間。其中，發熱保溫冒口效果最為顯著。結合我公司生產實際情況，選擇發熱保溫冒口來提高冒口的補縮效率，達到降低成本、改善鑄件質量的目的。

發熱保溫冒口是保溫材料與發熱材料的雙效結合，當金屬液上升到冒口處，發熱材料與金屬液接觸，發生劇烈反應，產生大量的熱量。待反應結束后，保溫材料又發揮保溫效果，延長冒口處金屬液的凝固時間，厚大熱節處可以得到發熱保溫冒口內鋼液及時的補充，可有效避免縮松、縮孔缺陷的產生，從而保證了鑄件的致密性，其補縮效果比型砂普通冒口高，其補縮效率可達30%～60%[1]。

ProCAST軟件在鑄造行業中應用廣泛，具有強大的實體網格劃分和修復能力、豐富的材料庫，以及先進的流體和熱力學判據等優勢[2]，可精確地顯示澆不足、冷隔、卷氣等缺陷，分析殘余應力與變形，模擬晶粒生長，準確預測出縮孔、縮松位置[3-6]。本文借助ProCAST軟件，結合發熱保溫冒口材料熱物性參數，對鑄件充型和凝固過程進行模擬，并預測鑄件的質量，以此分析鑄造工藝的可行性與發熱保溫冒口對鑄件質量、冒口補縮安全距離的影響，并通過實際生產進行驗證，最終提高了冒口補縮效率與安全距離，降低成本，可對實際生產進行指導和參考。

2 產品及鑄造工藝方案

2.1 橫梁鑄件的結構

橫梁是開式軋鋼機的重要組成部件，三維模型如圖1所示，輪廓尺寸為5582mm×447mm×356mm，其材料牌號為ZG230-450，毛重為6300kg，模數9.1cm。所有表面均為加工面，鑄件不允許有裂紋、夾渣、縮松及氣孔等影響力學性能的外觀缺陷。

圖1 鑄鋼件橫梁三維模型

2.2 鑄造工藝方案的設計

橫梁為桿狀件，為保障有效補縮距離，采用2個冒口進行補縮，3個冷鐵分別放置在末端冷卻區與鑄件中間的人為末端區進行激冷，以達到順序凝固的目的。由于鑄件生產數量多，鑄件長度較長，因此采用地坑組芯造型；根據鑄件材質與結構，確定其澆注溫度為1550～1560℃；為保證金屬液在整個澆注充型中鋼液平穩流動，良好地充滿型腔，采用側注式澆注系統，設定澆注流量為150kg/s。澆注過程保持平穩不斷流，澆注完成撒入覆蓋劑。

3 數值模擬與結果分析

3.1 幾何模型的建立

在鑄造工藝設計過程中，普通冒口模數應為鑄件或最大熱節處模數的1.3倍以上，如果采用發熱保溫冒口，其模數可縮減到鑄件或最大熱節處模數的0.8～0.92倍[7]。由于首次試驗，為確保產品質量，采用系數為1.1倍，即發熱保溫冒口模數為9.1×1.1cm=10cm，進行冒口尺寸設計。圖2為兩種鑄造工藝方案模型。普通砂型冒口采用普通覆蓋劑，而發熱保溫冒口采用濟南圣泉公司生產的具有發熱保溫效果的配套保溫板與覆蓋劑。

圖2 兩種鑄造工藝方案對比

3.2 發熱保溫材料參數

本次研究采用FT400發熱保溫板及發熱保溫覆蓋劑，如圖3所示。該保溫板由輕質發熱保溫材料制作而成，其最大特點是能彎曲一定弧度，可根據冒口形狀尺寸自由拼接組合，相比于冒口套適應能力強。根據濟南圣泉公司提供的發熱保溫板熱物性參數及發熱參數，輸入到ProCAST中建立相關材料庫。

圖3 發熱保溫板與發熱保溫覆蓋劑

3.3 網格劃分及參數設置

在ProCAST的mesh模塊中（見圖4），對上述兩種鑄造工藝方案的模型進行網格劃分。網格尺寸越小，精度越高，但計算量也越大[8]。為兼顧網格數量與網格疏密程度對于劃分精度與計算效率的影響，通過局部細化（見圖4c）的方法達到既確保模擬準確性又減少工作量的目的[9-11]。普通砂型冒口模型的面網格節點數為110 700個，體網格數為2 316 884個；采用發熱保溫冒口模型面的網格節點數為122 942個，體網格數為2 667 381個。

圖4 體網格劃分結果

材料的熱物性參數在鑄造模擬過程中極其重要，其準確性直接影響到鑄件數值模擬結果的可靠性[12]。在ProCAST的cast模塊中，對鑄造材料及工藝參數進行設置，鑄件材料為ZG230-450，由于軟件自帶材料庫中沒有該種材料，需要自定義添加。如圖5所示，ProCAST的材料庫可根據合金成分計算相應金屬材料的熱物性參數[13]。

圖5 ZG230-450的熱導率與密度

澆注溫度、初始溫度、邊界條件等按照鑄造工藝方案輸入軟件中，各界面之間的傳熱系數設置見表1。

表1 主要參數設置情況

4 結果分析與討論

4.1 金屬液充型與凝固過程分析

圖6所示為充型過程中不同時刻下的金屬液流動狀態與溫度分布。在整個充型過程中，金屬液在重力作用下，依次通過直澆道、橫澆道和內澆道進入型腔。側注式澆注系統保證了金屬液在由內澆道注入型腔過程中會沿著型腔壁流入，流動平穩緩慢，不會產生強烈沖擊，沒有飛濺與卷氣現象產生。從圖6d可以看出，金屬液鋪滿底部后液面平穩上升，層速均勻，充滿整個型腔需要55s，未產生澆不足與冷隔缺陷，所設計的澆注系統可以實現金屬液的順利充型。

圖6 鑄件的充型過程

金屬液充滿型腔后，進入凝固期，圖7所示為不同時間階段下普通砂型冒口的鑄件凝固溫度場分布，可看出內澆道降溫較快，這是由于其本身較薄。隨著時間推移，冒口由于進行補縮出現液面降低的現象。整個凝固過程冷鐵始終發揮激冷作用，呈現明顯的由冷鐵端向冒口端的順序凝固，中間冷鐵作為人為末端區把鑄件溫度場分割成完全相同的兩部分，達到一個冒口補縮一半鑄件的目的。圖8所示為不同時間階段下發熱保溫冒口的鑄件凝固溫度場分布，由最終溫度分布情況可以看出，砂型冒口的鑄件完全凝固需要10.2h，而采用發熱保溫冒口的鑄件完全凝固需要14.3h，說明發熱保溫材料的使用，延長了冒口凝固時間。圖7c與圖8c所示在相同凝固時間點下的溫度分布也直觀地說明了這個現象。

圖7 普通砂型冒口的鑄件凝固溫度場

圖8 發熱保溫冒口的鑄件凝固溫度場

圖9 所示為鑄件最終溫度場模擬結果的中間剖面，采用發熱保溫冒口的橫梁，相比普通砂型冒口的橫梁，明冒口的最高溫度區域有一定距離的上移，這說明發熱保溫材料的加入有益于冒口的最后凝固，從而達到良好的補縮效果。

圖9 最終溫度場對比

4.2 一次縮孔形態變化過程分析

圖10 所示為橫梁的縮孔與縮松對比，清晰直觀地顯示了兩種情況下的一次縮孔與二次縮孔以及縮松的形態、大小和位置的不同。在軟件中對縮孔距離本體的高度，即冒口補縮安全距離進行測量，由73.13mm增加到240.19mm，說明發熱保溫冒口的使用，使鑄件產生的縮孔、縮松全部上移，缺陷遠離本體，鑄件質量更加有保證。

圖10 縮孔與縮松對比

常見的普通砂型冒口的縮孔形態為深V形，圖10a所示也是V形，而使用發熱保溫冒口后，圖10b所示變成了矮U形，冒口內壁上等高位置附著的金屬液減少。形成此現象的根本原因是，由于冒口的發熱保溫材料與金屬液接觸后發生反應放出大量熱量，使其自身被加熱而急劇升溫，在保持良好的流動性的同時，又減小了冒口處金屬液徑向溫差與能量損失，使凝固時間延長，對鑄件本體有更高效的補縮，因而呈現整體向下移動的趨勢，這就造成了矮U形縮孔的現象[14]。

4.3 二次縮孔形態變化過程分析

從圖10所示縮孔與縮松對比可看出，在使用發熱保溫冒口后，冒口二次縮孔位置上移。造成這種現象是因為整個型腔內金屬液凝固按照由冷鐵端向冒口端的順序凝固，當金屬液在冒口二次縮孔處開始凝固時，其上方的金屬液因為發熱材料的放熱延長了凝固時間，良好的流動性使金屬液連續不斷地對本將產生二次縮孔的位置進行補縮，直到完全凝固。由此可知，隨著冒口發熱保溫效果的增強，冒口補縮時間延續的越長，那么二次縮孔的位置向上移動的越高，甚至可能與一次縮孔位置重合。

5 工程驗證

5.1 冒口縮孔分析

依據模擬結果進行實際生產，驗證該鑄造工藝與模擬仿真結果的可靠性。按照上述鑄造工藝，采用地坑組芯造型方式獲得橫梁鑄件。由于整體為對稱結構，因此以火焰切割的方式將其中一個冒口從鑄件上切割下來進行分析，顯示冒口一次縮孔集中在上部，其表面收縮形態為矮U形，澆注結果與模擬結果相吻合，如圖11所示。

圖11 橫梁澆注結果

5.2 冒口無損檢測

測得冒口相關數據見表2。圖12為機加工解剖后的冒口，對解剖面進行了打磨，按GB/T 9443—2007《鑄鋼件滲透檢測》規定對解剖面進行PT、UT檢測（檢測標準：SN200-2，3級，φ3mm靈敏度），未發現超標缺陷，冒口安全高度約250mm。

圖12 冒口解剖

表2 冒口測量數據

5.3 冒口尺寸分析

表3為普通砂型冒口與發熱保溫冒口的尺寸對比，使用發熱保溫冒口后，冒口重量縮減25.6%，單個冒口實際節省鋼液量為456kg，總計節省912kg。根據鋼液價格與發熱保溫冒口材料的成本核算，本次節省成本3000元。若鋼液材質為合金鋼，成本節省會更多。按照以往經驗，冒口安全距離為100mm左右為宜，太高也會造成鋼液的浪費，導致成本增加。從無損檢測結果來看，冒口高度可以適當降低，即冒口高度可再降低100～150mm，則冒口重量可縮減37.8%～43.9%，收得率可提高至66.9%～67.6%。另外，生產中在高壓外缸上半的暗冒口中也應用了發熱保溫冒口材料，補縮效果良好，暗冒口下未發現縮孔、縮松缺陷。

表3 冒口尺寸對比

6 結束語

1）使用ProCAST軟件對橫梁鑄件的澆注過程進行數值模擬，確定了工藝方案：單面側注式澆注系統，澆注溫度為1550～1560℃，澆注流量采用150kg/s，充型完整。對鑄件的凝固冷卻過程進行比較準確的模擬，為優化鑄造工藝參數、提高產品的質量和研制進度提供了有力的保障。

2）對橫梁凝固過程的模擬結果分析，發現發熱保溫冒口的使用能顯著降低縮孔進入鑄件本體的風險，可提高冒口安全距離，減輕冒口重量，從而降低成本。

3）針對模數≤10cm的鑄件可以按照冒口模數為鑄件模數的1.1倍進行冒口設計。而對于其他復雜鑄件的發熱保溫冒口設計規范，還需要通過其廣泛的應用來總結與確定。