基于Anycasting仿真的制漿磨片鑄造工藝的優化研究

作者簡介：李曉含，在讀碩士研究生；研究方向：金屬材料。

關鍵詞：磨片；鑄造；數值模擬；工藝優化

中圖分類號：TS733+.3文獻標識碼：A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2025.08.019

Optimization Research on Casting Process of Refiner Filling for Pulping Based on Anycasting Simulation

LI Xiaohan'NIU Jiangting2WANG Huiqiu2SUN Zhenzhao1GUO Xiaoxuan'ZONG Hui2ZHAO Pingt* （1.ColegeoftealsenEingdUesityfedecooigddogo6; 2.Shandong Chenzhong Machinery Co.，Ltd.， Zibo，Shandong Province，） （*E-mail： zhaoping@qust.edu.cn）

Abstract：Inordertoimprovetheproductioneficiencyandeduceproductioncostsofefierflngforpulpinginenterprises，thisstudy proposedastackedcastigprocssbasedonthsglecastiproc.Teforingndsolidificationprocessofglecastigandstacked castingrefinerfilingseresiulatedusingSolidworkmodelingsoftwareandAnycastingsiulationsoftare.Temodeistruntanaly sistechnologieseresedtoompaeandotietheastingrefirfilinginothsiulationandxperentalaspctshultsidicatedthattherefnerfilingscouldbesmoohlfiledadsolidifedunderbothstackedcastingdsinglecastingprocssduringteasting simulationproce.Teplicatiooftackedastigprocsoulduceteotofatedndndolstlndimpeoduc tioneficienyWilemintaingufomatrirucestackedeerfillngproduedoest-liori-sadMCbdes andamallamoutofcyclicoxide，alumina，andsulfideinclusions，hichadcertainipactonthepeformane.Asarsult，theaver agehardnessfrothetiptoterootoftetothofstackedcastingrefnerfillngwas32.8HRC，whiletheaveragehardnessoftesingle casting refiner filling was 45. 0 HRC.

Keywords：refinerfilling；casting；numerical simulation；processoptimizatior

隨著社會經濟的持續發展，國內對各類紙和紙板的需求量不斷增加，反映了制漿造紙領域強大的的市場潛力和發展前景。盤磨機是目前廣泛使用的磨漿設備，同樣也是現代制漿造紙生產過程中的關鍵設備之一，其不僅可以實現制漿的連續化和自動化生產，還能使所得漿料纖維切斷少、分絲帚化效果顯著，同時保持良好的壓潰與彎曲性能。磨片被稱為盤磨機的“心臟”[3]，在磨漿過程起著決定性的作用，其力學性能、表觀形貌和處理工藝等因素，均會不同程度地影響磨漿的效果。因此，研究分析磨片的制備工藝條件及性能，對進一步提升國產磨片的質量非常重要。

磨片作為關鍵易損件，其材質的選擇與制造技術的差異，均會對自身的使用壽命產生極大的影響，從而影響制漿的生產效率、質量及能耗4。磨漿機專用磨片的制造原料主要分為高鉻鑄鐵和馬氏體不銹鋼2類。其中，高鉻鑄鐵硬度高，但抗沖擊性能差，屬于一種脆性材料，多用于中低端制漿設備；相對于高鉻鑄鐵，馬氏體不銹鋼不僅沖擊強度較高，還具有優良的耐磨性和耐蝕性，為高濃磨槳機提供了更高的穩定性和更長的使用壽命，整體綜合性價比較高[]。

由于磨片齒形復雜、使用工況惡劣，對材料的強度、硬度和耐腐蝕性等要求較高，在制造過程中通常使用鑄造成型工藝。然而，既往在生產磨片鑄件時大多采用的單片磨片平澆（以下簡稱單澆）工藝，存在鑄造所用場地大、澆注操作持續時間長、生產效率低下等不足。此外，現階段主要通過技術人員的實踐經驗進行鑄造工藝設計，導致鑄件質量難以保證]，鑄件缺陷較難有效控制，廢品率較高。

本研究基于單澆與疊澆的磨片鑄造工藝，采用Solidworks建模軟件對鑄件進行建模，使用Anycasting鑄造仿真軟件對鑄件成型過程進行模擬仿真，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等現代儀器對實際生產得到的2種馬氏體不銹鋼磨片進行檢測與分析，并對2種磨片進行力學性能對比，以期為實際生產提供參考與理論支持。

1實驗

1.1 實驗原料及儀器

本研究所用材料為某制漿造紙機械制造廠生產的磨片，原料為馬氏體不銹鋼。

直讀光譜儀（GS100O），德國OBLF公司；電火花線切割機（CTP800），四川深揚數控機械有限公司；金相顯微鏡（OM，AXIO），德國蔡司公司；掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6700F），日本電子公司；觸摸屏數顯洛氏硬度計（MHRS-150），萊州萊洛特試驗儀器有限公司。

1. 2 磨片齒形及成分

磨片鑄件的實物如圖1（a）所示，主要壁厚 35mm 鑄造時所用澆口尺寸為上底直徑 100mm× 下底直徑50mm× 高度 100mm 。其中，磨齒是磨片實現磨漿功能關鍵，其具體參數為內徑 145mm ，外徑 330mm ，齒寬 2.8mm ，齒高 8mm ，槽寬 3.2mm ，通過Solidworks建模軟件對磨片進行三維建模，如圖1（b）所示。

本研究所使用的馬氏體不銹鋼磨片化學成分如表1所示。

1.3數造模擬方法及參數設置

使用Solidworks建模軟件對磨片建模后，以STL格式導入Anycasting鑄造仿真軟件，在AnyPRE環境下進行前處理。具體相關參數設置如下：均勻劃分網格，共得到994422個網格，由于鋼水充型時間較短，可認為是理想模型，即鋼水的澆注溫度保持1680^°C 不變，重力加速度設置為 9.8m/s² ，并根據鋼液和鑄型的密度、導熱系數、熱膨脹系數等條件，選擇AnyDBASE數據庫中已得到工業試驗驗證的數據。當鑄件凝固率為 100% 時，停止計算，模擬終止。

1.4磨片鑄造流程

本研究使用覆膜砂造型工藝澆鑄成型。首先將粒徑 0.106～0.212mm 的覆膜砂放置在預熱的模具中，溫度控制在 200°C 左右，加熱 3min 。鋼水澆入時對砂型有較大的沖擊力，因此用鋼球定位的同時，需用封箱膏將上下2個殼體粘連起來，密封鑄型裝配接合面，防止澆注時發生跑火和飛邊等不良現象，如圖2（a）所示。

圖1制漿磨片鑄件

Fig.1Casting of pulp refiner filling

表1磨片化學成分含量

Table1 Chemical composition of grinding disc

注Bal.為其余成分含量。

根據設計的材料成分進行配料。依次將廢鋼片、鉻鐵、鉬鐵和鎳板等原料加入中頻感應電爐（KGPS-DX，1t）進行熔煉，如圖2（b）所示。原料完全熔化成鋼水后，用取樣器從爐中盛出少量鋼水，使用火花直讀光譜儀進行爐前化學成分檢測。當爐內鋼水成分符合設計要求后，進行脫氧及撇除浮渣處理。將鋼水倒入經過預熱的澆包中，并用少量除渣劑覆蓋在鋼液表面，保持一段時間后，用扒渣工具輕輕刮除鋼液面上的渣滓，并將其從熔池中移除。

正式澆注前需再次加入除渣劑并除去液面上的熔渣，以免澆人鑄型時造成夾渣。此時，水平擺放砂型，保證鋼水充型平穩和充分。同時，確保殼體上有足夠的壓鐵量，如圖2（c所示，防止鋼水頂開砂型溢出和鑄件變形。澆注時，應將包嘴靠近澆口杯，澆注初始緩慢傾倒，如圖2（d）所示，防止飛濺、氧化；隨后全速澆注，保持澆口杯充滿，不得中斷，以免偶爾流入澆口杯中的熔渣進入砂型；當砂型將要澆滿時，適當降低澆速。

2 結果與討論

2.1 模擬結果及分析

2.1. 1 初始鑄造工藝

圖3為單澆磨片充型過程的模擬結果。由圖3可知，當充型時間為0.7s時，鋼水開始接觸最下層砂型，填充率達 20% ；當充型時間為1.8s時，鑄件填充率達 50% ；當充型時間為3.3s時，鋼水將磨片鑄件型腔充滿；當充型時間為3.6s時，充型過程結束。在填充過程中，鋼水在重力的作用下由澆口進入型腔，隨著充型的進行，鋼水沿著壁面平穩上升，雖然液面有較小的波動，但并未出現紊流、卷氣和明顯的液面飛濺現象。

在充型過程完成后，磨片開始凝固，過程如圖4所示。從圖4可以看出，當凝固時間為27s時，磨片出現由外向內凝固的趨勢；當凝固時間為135s時，磨片基本凝固，冒口處開始凝固；當凝固時間為725s時，磨片凝固過程結束。在此過程中，磨片上遠離冒口的部位先凝固，然后靠近冒口的部位凝固，基本滿足順序凝固的原則。

圖2鑄造工藝流程

Fig.2Diagram of casting process

圖3單澆磨片不同時刻充型情況

2.1.2工藝方案優化

為提高工廠生產效率和降低成本，現提出將單澆改為4片磨片疊澆的生產方式，并保持其余參數不變，對該工藝進行鑄造模擬，疊澆磨片三維建模如圖5所示。

圖6為磨片疊澆充型過程的模擬結果，展現了鋼液在4層磨片中由下到上逐漸充型的過程。由圖6可知，在充型初始階段，鋼液經澆注系統流入鑄型型腔，當充型時間為0.7s時，鋼液充滿澆注系統，將從鑄型側面的內澆口向最下方鑄型型腔內流動；當充型時間為7.8s時，鋼液充滿下方2個鑄型型腔，且已經開始充型第3個磨片；當充型時間為13s時，鋼液充滿整個型腔；當充型時間為14s時，金屬液充滿冒口。在整個充型過程中，金屬液由內澆口平穩流入型腔并從型腔底部平穩上升，無明顯飛濺，且對型腔壁無沖刷，充型過程未發生澆不足等現象。

改進工藝后的疊澆磨片凝固過程如圖7所示。由圖7可知，磨片鑄型型腔邊緣壁處降溫最快，此處最先開始凝固；隨著凝固時間推移，鋼液由四周向中心凝固，當凝固時間為294s時，鑄件凝固率為 35% ：當凝固時間為413s時，磨片凝固率達 50% ；當凝固時間為740s時，澆注系統內鋼液凝固過程結束。從磨片凝固順序可知，最后凝固部位在澆口下端頸部位置，可能會出現縮孔等缺陷。但因后續加工處理過程中會用電弧切割的方法截去此段，故不需要考慮此處的缺陷對磨片性能的影響。

與單澆工藝相比，疊澆工藝的金屬液能平穩地流入并均勻、穩定地充滿型腔模具腔體內，有效地避免了沖擊和飛濺現象，以減少氣體和氧化物夾雜進入磨片的風險。同時，通過設計合理的澆注系統，2種工藝生產的磨片均由外向內依次凝固，這樣的凝固順序有利于鋼液補償磨片凝固時的體積收縮，減少縮孔和疏松現象，能有效地提高磨片的質量，降低廢品率。

圖4單澆磨片不同時刻凝固情況

圖5疊澆磨片模型

Fig.5Model of stacked casting refiner filling

經計算，單澆時上下2個覆膜砂型腔每次只能構成1個磨片，而疊澆只需5個型腔便可直接獲得4個磨片，所使用的覆膜砂成本降低約 37.5% ，且生產效率增加。在同樣的條件下，若得到4個磨片，疊澆所需使用的澆口數量也由4個變為1個，在澆口數量減少帶來成本下降的同時，澆注時的鋼水也可得到更充分的利用。在實際生產中應用疊澆工藝，將會為工廠解決磨片生產的成本及效率問題。

2.2 生產驗證

2. 2.1 整體型廓

按照上述2種工藝進行生產，控制相關工藝參數，得到的磨片如圖8所示。由圖8可知，2種工藝所得磨片均充型完整且尺寸合格，整體質量較好，輪廓清晰，化學成分檢測結果符合技術條件要求。其中，單澆磨片內外表面平整，在表面上未發現明顯的鑄造缺陷，這是因為單澆時磨片的熱量傳遞路徑相對直接且均勻，各部分的凝固速率較為一致，減少了因溫度梯度造成的磨片內部應力和缺陷。疊澆磨片側面出現少許粘砂現象，通過后續拋丸可有效去除。最終，2種磨片的使用性能均已通過客戶驗收，證明疊澆工藝具有可行性。

圖6疊澆磨片不同時刻充型情況

2.2.2 微觀性能

為進一步表征及揭示磨片的性能，對其進行微觀組織研究。用電火花線切割機分別將單澆磨片和疊澆磨片切割成長度 10mm× 寬度 10mm× 高度 5mm 的長方體試樣，對切割后的試樣依次使用500、800及1200目砂紙進行逐級打磨與拋光處理，并在無水乙醇中超聲清洗，制得金相試樣；后續用王水酒精溶液腐蝕，腐蝕時間 3～5min ，獲得可用于顯微觀察的腐蝕試樣。隨后對試樣進行金相顯微組織分析，SEM觀察，能譜成分分析及硬度測試。

2.2.2.1 金相組織

采用立式金相顯微鏡（OM），在不同放大倍數下觀察磨片金相組織，其結果如圖9所示。鑄態組織主要由馬氏體、殘余奧氏體、鐵素體及碳化物組成。由圖9（a）和圖9（b）可以看出，在單澆工藝下，馬氏體穩定均勻存在于基體中，鐵素體和殘余奧氏體沿晶界析出，分布較為廣泛。從鑄造模擬過程可知，單澆磨片的熱場分布較簡單，熱量主要通過磨片表面和模具向外擴散，磨片整體的溫度分布相對均勻。相比疊澆磨片，單澆磨片由于其均勻的冷卻條件，在整個磨片的冷卻過程中，最終形成較均勻的微觀組織結構，有助于提高磨片的整體性能。由圖9（c）和圖9（d）可知，當磨片疊澆時，內部的熱量傳遞和散發過程會受到影響。由于上方磨片的存在，位于堆疊下方的磨片散熱速度較慢，而較慢的冷卻速率可能影響相變程度，抑制奧氏體向馬氏體的轉變。而在疊澆工藝中，由于多個磨片同時存在于1個模具內，各層之間的熱量傳遞會更加復雜。通常，上層磨片更易將熱量擴散到環境中，而下層磨片更多依賴于側壁和底部的散熱，導致了不同位置磨片之間存在較大的溫度梯度，從而造成微觀組織結構的變化。此外，磨片間不同的凝固和冷卻速度，會使疊澆磨片在保持與單澆磨片組織基本相同的情況下，材料表面產生少許環狀氧化物類夾雜物，且經疊澆工藝處理所得磨片發生了明顯的晶間腐蝕。這是因為鐵素體沿晶界分布，其溶碳能力較弱，周圍析出條帶狀碳化物。沿晶界析出的碳化物消耗周圍的鉻元素形成碳鉻化合物析出，導致晶界出現微觀缺陷且形成貧鉻區]，成為被腐蝕的薄弱區域，最終可能會削弱材料的耐腐蝕性能及力學性能。此外，碳化物本身在王水溶液的存在下，也會加快腐蝕的過程。

圖7疊澆磨片不同時刻凝固情況

Fig.7Refiner filling solidification situation of stacked castings atdifferenttimes

2.2.2.2 微觀形貌及能譜分析

為進一步探究疊澆工藝對磨片微觀組織的影響，利用SEM對疊澆磨片微觀形貌進行觀察，結果如圖10所示。由圖10（a）可明顯看出，疊澆磨片的基體上分布著數量較多、尺寸較大的條狀和片狀碳化物，進一步放大后（圖10（b）），發現磨片中存在的鑄造缺陷使缺陷周圍的碳化物呈淡白色，破壞了碳化物分布的連續性，也會對磨片的性能產生影響。

圖8不同鑄造工藝的磨片

圖9不同鑄造工藝磨片的OM圖

圖10疊澆磨片的SEM圖

Fig.10SEM images of stacked casting refiner filling

圖11疊澆磨片的EDS檢測點和譜圖

Fig.11EDS detection point and spectra of stacked casting refiner filling

表2疊澆磨片EDS數據

%

對疊澆磨片進行EDS檢測，圖11為檢測取樣點和EDS譜圖，具體數據如表2所示。由圖11和表2可知，取樣點1為基體上任意一個散布的夾雜物，A1含量31.59% ，0含量 42.01% ，表明此非金屬夾雜物為氧化鋁類。此外，S含量 0.16% ，結合OM圖，表明磨片材料基體內部夾雜物種類主要為環狀氧化物類、氧化鋁類和少量的硫化物類。在制漿磨片復雜的工況條件下，非金屬夾雜物在漿液的沖擊、酸堿性和高溫等多重因素的影響下，會加劇磨片的磨損進度，所以控制夾雜物至關重要。取樣點2為鏈狀碳化物上某一點，根據原子比例計算，該處碳化物的類型是 M₇C₃ 型碳化物。其中，該區域Cr含量較高，碳化物主要為 M₇C₃ ，同時M₇C₃ 中的Cr元素容易被Fe、 Mn 等元素替代，易生成（Cr，Fe）C或 （Mn，Cr）₇C₃ 等類型的碳化物。

2.2.2.3 硬度對比

硬度檢測使用觸摸屏數顯洛氏硬度計，主要對磨齒進行硬度檢測，即依次從齒頂、齒中、齒根區段各取4個檢測點檢測硬度，結果取平均值。硬度檢測結果如表3所示。由表3可知，單澆磨片從齒頂到齒根的硬度幾乎保持一致，而疊澆磨片的硬度從齒頂到齒根不斷增大，且最大硬度小于同位置單澆磨片的硬度。疊澆磨片平均硬度為32.8HRC單澆磨片平均硬度為 45.0HRC 。這是因為疊澆過程的澆注時間及凝固時間均較長，后倒入的熔融鋼液會對下層的金屬液進行再加熱，導致整個磨片內部溫度場復雜且不均勻。這種不均勻的冷卻過程會使不同區域的金屬以不同的速率冷卻和結晶，形成粗大的晶粒結構，從而降低磨片的整體硬度。相比于齒頂，齒根部分可通過澆道更快地與環境交換熱量，冷卻速度較快，會形成較細小的晶粒結構和較高的硬度。此外，作為澆注磨片的重要組成部分，碳化物的尺寸、分布及形貌等均會對材料的性能造成影響，在SEM圖觀察到的條狀、片狀碳化物，對基體的割裂作用較大，且尖角處容易形成應力集中，導致磨片內部產生不同的應力分布，若冷卻過程中形成了較大的殘余應力，也會對磨片的硬度產生影響。經驗證，疊澆磨片的硬度可通過后續的熱處理等手段達到使用要求。

表3不同工藝鑄件的硬度值

Table3Hardness of castings producedbydifferent processes HRC

3結論

本研究以單澆工藝為基礎，提出疊澆工藝，借助Solidworks建模軟件與Anycasting鑄造仿真軟件對2種工藝磨片的成型和凝固過程進行仿真模擬，并利用現代儀器分析技術，在模擬和實驗2方面對比與優化鑄造磨片。3.1在模擬研究中，單澆和疊澆工藝中的金屬液均可以平穩均勻地充滿模具型腔，凝固時的順序有利于鋼液補償磨片體積收縮，表明疊澆方法具有可行性。3.2在實際生產中，單澆與疊澆磨片的型廓均符合設計要求，且組織保持基本一致。但由于疊澆工藝的操作復雜度更高，疊澆磨片在鑄造過程中各位置溫度場分布不均勻，使其微觀組織中含有較多碳化物，且存在少量的夾雜物及鑄造缺陷，導致疊澆磨片從齒頂到齒根的整體平均硬度（32.8HRC）比單澆磨片平均硬度（45.0HRC）小。但經拋丸與熱處理后，疊澆磨片可滿足使用要求。3.3疊澆工藝成功制得了尺寸及性能符合標準的磨片，與單澆磨片相比，不僅減少了整體澆鑄時間，還降低了覆膜砂、澆口與鋼水的使用成本，具有推廣價值。

參考文獻

[1］中國造紙協會．中國造紙工業2024年度報告[J]．造紙信息，2025（5）： 7-18.ChinaPaperAssociation.2O24 AnnualReportofChina’sPaperIn-dustry[J].ChinaPaperNewsletter，2025（5）：7-18.

[2]劉建勇，朱曉波，羅才生，等．高濃盤磨機機械密封國產化研制[J].液壓氣動與密封，2023，43（12）：110-113.LIUJY，ZHUXB，LUOCS，etal.DomesticDevelopment ofMe-chanical Seal forHigh ConcentrationDiscMill[J].HydraulicsPneu-maticsamp;Seals，2023，43（12）：110-113.

[3]楊瑞帆，董繼先，劉歡，等．盤磨機磨盤生命周期內磨片失效的研究進展[J].中國造紙，2019，38（11）：59-64.YANGRF，DONGJX，LIUH，etal.Research Progress ofBarFailureintheLifeCycleofDiscRefiner’sPlate[J].ChinaPulpamp;Paper，2019，38（11）：59-64.

[4]李克雷．基于顯微組織的制漿磨片失效機理研究[J].中國造紙，2023，42（6）：147-152.LI KL. Study on Failure Mechanism of Pulping Refiner Plate BasedonMicrostructure[J].ChinaPulpamp;Paper，2023，42（6）：147-152.

[5]牟相忠，荊靜，李克雷，等．磨漿機磨片的制備及其顯微組織分析[J].中國造紙，2022，41（S1）：119-123.MU XZ，JING J，LI KL，et al. Preparation and MicrostructureAnalysis of GrindingPlate ofRefiner[J].China Pulp amp; Paper，2022，41（S1）：119-123.

[6］楊惠楨，王效崗，邢煜林，等．高鉻鑄鐵/低碳鋼熱變形行為和微觀組織演變[J].熱加工工藝，2024，53（22）：83-87.YANG HZ，WANG XG，XING YL，etal.Thermal DeformationBehavior and Microstructure Evolution of High-Cr Cast Iron （HCCI）/Low Carbon Steel（LCS）[J].Hot Working Technology，2024，53（22）： 83-87.

[7］梁國軍，陳家欣，張帆，等．馬氏體不銹鋼中夾雜物與耐腐蝕性關系的定量評價探討[J].廣州化工，2023，51（7）：123-125.LIANG GJ，CHENJX，ZHANGF，etal.Quantitative EvaluationofRelationship Between Inclusionsand CorrosionResistance inMar-tensitic Stainless Steel[J].Guangzhou Chemical Industry，2023，51（7）：123-125.

[8]郭娟，王平．磨片材料與制造技術綜述[J].紙和造紙，2015，34（11）：19-24.GUO J，WANG P.Overview of Grinding Disc Materials and Manu-facturing Technology[J].Paper and Paper Making，2O15，34（11）：19-24.

[9]祁曄思，左玲立，田立忠，等．熱處理對440A鋼組織與耐磨性能的影響[J].金屬熱處理，2016，41（11）：109-114.QIYS，ZUOLL，TIANLZ，etal.Effect ofHeat Treatmenton Mi-crostructure and Wear Resistance of 44OA Steel[J].Heat TreatmentofMetals，2016，41（11）：109-114.

[10］趙明，盛文斌，陳宗民，等．Makino磨盤座鑄造過程模擬仿真及工藝優化[J]．熱加工工藝，2017，46（19）：99-101.ZHAO M，SHENG WB，CHEN Z M，et al. Numerical Simulationand Optimization ofCastingProcess of Makino GrindingDiscBase[J].Hot Working Technology，2017，46（19）： 99-101.

[11］陳俊，張覃軼，鄧錦強，等．馬氏體不銹鋼回火過程中碳化物的演變規律及其對耐蝕性的影響[J].金屬熱處理，2023，48（7）：38-43.CHEN J， ZHANG Q Y，DENG J Q，et al. Carbide Evolution andits Effect on Corrosion Resistance of Martensitic Stainless Steel dur-ing Tempering[J]. Heat Treatment of Metals，2023，48（7）：38-43.CPP

（責任編輯：魏琳珊）