板状铸钢件有效补缩距离的数值模拟

板状铸钢件有效补缩距离的数值模拟

在硬化过程中，由于液体和硬化的收缩，铸造最终的硬化部分无法弥补钢液的收缩，因此存在收缩缺陷。收缩缺陷按大小和在铸件中分布的特点,可分为宏观缩孔和微观缩松。宏观缩孔在铸件外表面上或铸件剖面上用肉眼可以直接观察到,缩孔的容积较大,多集中在铸件的上部或最后凝固的部位;缩松的容积很小,对于铸钢件来说,它主要分布在铸件壁的轴线区域,通常称为轴线缩松。板状件无缩松的致密区,即为板状件的有效补缩距离。其影响因素有很多,如:合金的凝固特性,铸件本体所需补缩量大小,铸型热分布及型腔过热程度,产生冷端效应的激冷措施以及浇注工艺等。本文以一平板铸钢件为研究对象,通过改变冒口直径,冒口高度以及板厚,研究它们其对有效补缩距离的影响。1补缩通道扩张角铸钢件的轴线缩松通常都产生在壁厚均匀的铸壁内。从纵剖面上看,产生在轴线处;从横断面上看,产生在中心部位,所以又称为轴线缩松或中心缩松。厚度均匀的平板类浇铸件分为三个区域(见图1):冒口区———由于冒口中钢液的热作用,使这一段在纵向存在温度差。等液相线和等固相线越靠近冒口,向铸件推进越慢。因此,在冒口中形成楔形补缩通道,扩张角为φ2,向冒口扩张(见图1(a)),有利于冒口补缩,在该区域铸件为顺序凝固,铸件凝固状态致密。末端区———因末端区比中间区多一个散热断面,所以冷却速度较快,在纵向上存在较大的温差。越靠近端面,温度越低,因此等液相线和等固相线越靠近端面,向铸件中心推进越快,构成的补缩通道扩张角φ1向冒口方向扩张。因在中间段的中心尚未构成补缩边界之前,末端区已凝固完毕,所以末端区里的钢液所产生的凝固收缩,完全能由冒口中的钢液补缩。这一段为顺序凝固,铸件是致密的。轴线缩松区———在冒口区和末端区作用都达不到的中间段称为轴线缩松区。在这个区域,铸件冷却速度近似,沿纵向的温差较小,等液相线和等固相线几乎平行于铸件上下表面向中心推进,侧面的凝固情况也相同,扩张角φ接近为零,凝固方式为同时凝固。在末端区凝固完毕以后,中间区的等液相线在铸件中心汇合,构成很宽的凝固区,凝固前沿平行,当等固相线推进到铸件中心附近时,冒口虽然仍存在补缩通道扩张角φ3(见图1(b)),由于靠近等固相线的初生晶体之间的钢液发生凝固收缩,导致压力梯度大大降低,金属液很难通过初生晶间的微小间隙。因此,在中心线上产生断断续续的晶间小孔(见图1(d)),即轴线缩松。2板的开口设计2.1冒口尺寸和补缩液量确定铸件的模数计算一般比较复杂,通常将其简化为简单的几何体进行计算。平板铸件需补缩部位的模数,T为板厚。通常将铸件需补缩部位的模数放大10%~30%就是所需冒口的模数,即Mf=1.1~1.3Mc。以此计算所需的冒口模数,通过查找相应资料(如铸造手册、材料供应商的产品资料等)就可以初步确定冒口尺寸。(2)有效补缩距离为了达到铸件致密,冒口的补缩通道必须通畅,为此可能需要一个或多个冒口。对于平板铸件,当其长度小于或等于冒口区加末端区时,就不会产生轴线缩松。BishopH.F.等人对碳钢[w(C)=0.20%~0.30%]的冒口补缩距离进行试验研究,根据实验结果得到平板件有效补缩距离的结论(见图2),即板件无冷铁的有效补缩距离=冒口区+末端区,其中冒口区=2T,末端区=2.5T。(3)补缩液量要确保冒口的凝固滞后于铸件本体,除必须保证有通畅的补缩通道外,同时还要保证冒口有足够补缩的金属液。补缩液量与冒口的大小和冒口的补缩效率有关。常用冒口的补缩效率大致为:砂型铸件冒口:8%~12%;普通保温冒口:15%~18%;发热保温冒口:28%~35%。2.2冒口直径计算本文基于2.1的设计原则设计一板状件(见图3),初始尺寸为4000mm×1506mm×205mm,冒口初始尺寸为覫800mm×800mm。板件离冒口的近端距离为923mm,远端距离为2265mm。在此基础上改变冒口直径,冒口高度及板厚(见表1),采用铸造模拟软件ProCAST进行凝固过程模拟。不同组别实验中冒口和板的模数随各自的尺寸变化而变化(见表2)。本文后续图中用A表示末端区,B表示冒口区。实验用铸件材料为25钢,初始温度1560℃,砂型材料为呋喃树脂砂,初始温度为50℃。3模拟研究结果3.1浇注口位置的影响从冒口高度对补缩距离影响的模拟实验结果(见图4(a))可以看出,冒口高度自上而下逐渐降低并按照表1的顺序排列,图中显示了轴线缩松在板状件正视图和俯视图中的位置及补缩距离的相关数据。将此数据转化为补缩距离与冒口高度的关计算机应用系图(见图4(b))后可见:末端区为2.31T而非设计规范中的2.5T,且不随冒口高度的变化而变化;当冒口模数大于铸件模数时,冒口区不随冒口高度变化而变化,其值约与板厚相当;而当冒口模数小于铸件模数时,冒口区明显减小,当冒口高度减小到200mm时冒口区减小为零。3.2补缩距离与冒口直径关系在冒口直径对补缩距离影响的模拟实验结果(见图5(a))中,冒口直径自上而下逐渐增大并按照表1的顺序排列,图中显示了轴线缩松在板状件正视图和俯视图中的位置及补缩距离的相关数据。将此数据转化为补缩距离与冒口直径的关系图(见图5(b))可见:末端区为2.31T而非设计规范中的2.5T,且不随冒口直径的变化而变化;然而随着冒口直径增大,冒口区逐渐增大,增大趋势取决于冒口模数与铸件模数的关系:当冒口模数小于铸件模数时,冒口区随直径的增大明显增大,当冒口模数大于铸件模数时,冒口区增大趋势趋于平缓。3.3冒口模数与板厚的关系在板厚对补缩距离影响的模拟实验结果(见图6(a))中,板厚自上而下逐渐增大并按照表1的顺序排列,图中显示了轴线缩松在板状件正视图和俯视图中的位置及补缩距离的相关数据。将此数据转化为补缩距离与板厚的关系图(见图6(b))后可见:随着板厚增大,末端区增大趋势变大,末端区与板厚为非线性关系,末端区从1.85T逐渐增大到2.45T;随着板厚增大,冒口区的增大趋势趋于平缓。综上所述,可得冒口模数与T=205mm的板状铸钢件冒口区的关系(见图7)。由图可见,随着冒口模数的增大,冒口区逐渐增大,增大趋势逐渐变缓。当冒口模数低于铸件模数时,冒口区为零。4冒口模数对中小企业顶板模数的影响(1)板状铸钢件末端区与板厚有关,随板厚增大而增大,且增大趋势逐渐变大,但与冒口直径和冒口高度无关。(2)板状铸钢件冒口区随板厚,冒口直径以及