陽極立模鉛澆鑄溫度場和熱應(yīng)力場數(shù)值分析研究

張 榮，胡自化，梁 毅，胡 杰

（1.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004；2.湘潭大學(xué)，湖南湘潭 411105）

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陽極立模鉛澆鑄溫度場和熱應(yīng)力場數(shù)值分析研究

張 榮1，胡自化2，梁 毅1，胡 杰1

（1.株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004；2.湘潭大學(xué)，湖南湘潭 411105）

為了研究工藝參數(shù)對陽極立模鉛澆鑄生產(chǎn)的影響規(guī)律，對陽極立模鉛澆鑄的溫度場和熱應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值分析研究。具體基于ANSYSWorkbench有限元軟件，綜合運(yùn)用熱力學(xué)、有限元、數(shù)值仿真等基本理論和方法，通過比較不同澆鑄溫度和冷卻水溫度的陽極立模溫度場和熱應(yīng)力場，探尋獲得了澆鑄溫度和冷卻水溫度對鉛澆鑄生產(chǎn)的影響規(guī)律。為實(shí)際生產(chǎn)中澆鑄溫度和冷卻水溫度兩種工藝參數(shù)的選取提供了合適參考，同時對提高陽極立模使用壽命提供了理論依據(jù)。

陽極立模；數(shù)值分析；溫度場；熱應(yīng)力場

鉛電解精煉工藝中，鉛陽極板的澆鑄成型是鉛電解前的重要步驟之一［1］。目前，我國雖然在鉛陽極板的澆鑄成型領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，但其整體水平與國外相比仍有較大差距［2］。究其原因主要是國內(nèi)大多數(shù)冶煉生產(chǎn)企業(yè)仍采用小極板生產(chǎn)，工藝技術(shù)落后，裝備水平低，且許多設(shè)備都依賴國外進(jìn)口。而進(jìn)口的陽極立模模板使用壽命一般為6～11個月左右，且價(jià)格昂貴，采購困難，這嚴(yán)重制約了我國鉛冶煉行業(yè)的發(fā)展［3～5］。

針對其它模具鑄造過程溫度場和熱應(yīng)力場的數(shù)值模擬，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究［6～8］。然而對具有水冷系統(tǒng)的模具分析較少，具體到陽極立模，相關(guān)資料尤為匱乏。因此，進(jìn)行陽極立模鉛液澆鑄溫度場和熱應(yīng)力場數(shù)值模擬，探究不同工藝參數(shù)對陽極立模鉛澆鑄生產(chǎn)的影響規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)鉛陽極板高質(zhì)、高效生產(chǎn)，提高陽極立模使用壽命，最終實(shí)現(xiàn)陽極立模模板國產(chǎn)化的一項(xiàng)重要課題。

為此，株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司聯(lián)合相關(guān)院校，綜合運(yùn)用熱力學(xué)、數(shù)值模擬技術(shù)、有限元技術(shù)等理論方法和技術(shù)手段，對不同工況下陽極立模鉛液澆鑄的溫度場和熱應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值仿真，以獲得澆鑄溫度和冷卻水溫度對鉛澆鑄生產(chǎn)的影響規(guī)律，為鉛陽極立模優(yōu)化生產(chǎn)和陽極立模模板國產(chǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力支撐。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 模型的簡化

為仿真分析的準(zhǔn)確和高效等需要，對實(shí)際的模型進(jìn)行了一定的合理簡化和處理：去除了陽極立模外部的吊耳、加長筋等對仿真分析影響細(xì)微的零件；簡化了一些倒角圓角；為減少接觸面，把一些零件做一個零件進(jìn)行建模處理等。簡化處理后的分析模型如圖1所示。

圖1 簡化的分析模型

1.2 分析參數(shù)

陽極立模數(shù)值仿真所需參數(shù)（部分）列于表1。

為得出不同澆注溫度和冷卻水溫度對生產(chǎn)的影響，分別進(jìn)行兩組工況的仿真分析。

第一組工況包含冷卻水溫度保持不變，澆注溫度不同的三種工況：（1）工況1：鉛液澆注溫度為380℃，冷卻水溫度50℃；（2）工況2：鉛液澆注溫度為400℃，冷卻水溫度50℃；（3）工況3：鉛液澆注溫度為420℃，冷卻水溫度50℃。

表1 陽極立模數(shù)值仿真所需參數(shù)（部分）

第二組工況包含澆注溫度保持不變，冷卻水溫度不同的三種工況：（1）工況4：鉛液澆注溫度為400℃，冷卻水溫度45℃；（2）工況5：鉛液澆注溫度為400℃，冷卻水溫度55℃；（3）工況6：鉛液澆注溫度為400℃，冷卻水溫度65℃。

2 數(shù)值模擬過程實(shí)現(xiàn)

2.1 穩(wěn)態(tài)溫度場數(shù)值模擬

較一般鑄造過程而言，陽極立模鉛澆鑄生產(chǎn)周期很短（約90 s），且生產(chǎn)時一般長時間連續(xù)作業(yè)。這意味著陽極立模在前一次澆鑄完成后，并沒有完全冷卻就進(jìn)行下一次作業(yè)。因此，如果按第一次澆鑄生產(chǎn)對其進(jìn)行冷卻凝固分析，是極其不合理的。在短周期、長時間、連續(xù)作業(yè)的澆鑄生產(chǎn)中，在澆鑄鉛液和冷卻水的相互作用下，可先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析得出陽極立模的溫度分布，作為瞬態(tài)溫度分析中陽極立模的初始溫度。陽極立模穩(wěn)態(tài)溫度場如圖2所示。

圖2 陽極立模穩(wěn)態(tài)溫度場分布

2.2 瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬

陽極立模鉛澆鑄生產(chǎn)周期很短（約90 s），根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其冷卻時間約45 s。將進(jìn)行前面穩(wěn)態(tài)溫度場分析得出陽極立模的溫度分布，作為瞬態(tài)溫度分析中陽極立模的初始溫度，并輸入其它邊界條件，進(jìn)行瞬態(tài)分析，得出澆鑄45 s內(nèi)鉛板的溫度分布。如圖3（包括最高溫度及最低溫度變化曲線）及圖4所示。

圖3 澆鑄45 s內(nèi)鉛板溫度變化曲線

圖4 澆鑄45 s后鉛板溫度分布

由第一組工況可知冷卻水溫度保持不變，澆注溫度不同的情況下，澆鑄完45 s后鉛板溫度場分布分別如表2所示。

表2 第一組工況下鉛板溫度分布 ℃

由第二組工況可知澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，澆鑄完45 s后鉛板溫度場分布分別如表3所示。

從圖3和圖4中的前三種工況及表2可知：（1）在此三種工況下，澆鑄45 s后，鉛液都已經(jīng)全部凝固（鉛熔點(diǎn)327.5℃）；（2）冷卻水溫度保持不變，澆注溫度不同的情況下，鉛液的冷卻凝固時間隨著澆鑄溫度的升高而增加。因此，為提高生產(chǎn)效率，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)降低澆鑄溫度。

表3 第二組工況下鉛板溫度分布 ℃

從圖3和圖4中的后三種工況及表3可知：（1）在此三種工況下，澆鑄45 s后，鉛液都已經(jīng)全部凝固；（2）澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，鉛液的冷卻凝固時間隨著冷卻水溫度的升高而增加。因此，為提高生產(chǎn)效率，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)降低冷卻水溫度。

2.3 熱應(yīng)力場數(shù)值模擬

陽極立模熱應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 陽極立模熱應(yīng)力場分布

由第一組工況可知冷卻水溫度保持不變，澆鑄溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力分布如表4所示。

表4 第一組工況下陽極立模熱應(yīng)力分布

由第二組工況可知澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力分布如表5所示。

表5 第二組工況下陽極立模熱應(yīng)力分布

從圖5中的前三種工況及表4可知：冷卻水溫度保持不變，澆鑄溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力隨著澆鑄溫度的升高而增加。因此，為降低熱應(yīng)力，提高陽極立模使用壽命，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)降低澆鑄溫度。

從圖5中的后三種工況及表5可知：澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力隨著冷卻水溫度的升高而降低。因此，為降低熱應(yīng)力，提高陽極立模使用壽命，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)升高冷卻水溫度。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上仿真分析數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

1.澆鑄溫度在380～420℃范圍內(nèi)，冷卻水溫度在45～65℃范圍內(nèi)時，澆鑄45 s后，鉛液都已經(jīng)全部凝固。

2.冷卻水溫度保持不變，澆注溫度不同的情況下，鉛液的冷卻凝固時間隨著澆鑄溫度的升高而增加。澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，鉛液的冷卻凝固時間隨著冷卻水溫度的升高而增加。因此，為提高生產(chǎn)效率，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)降低澆鑄溫度和冷卻水溫度。

3.冷卻水溫度保持不變，澆鑄溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力隨著澆鑄溫度的升高而增加。澆鑄溫度保持不變，冷卻水溫度不同的情況下，陽極立模等效熱應(yīng)力隨著冷卻水溫度的升高而降低。因此，為降低熱應(yīng)力，提高陽極立模使用壽命，可在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)降低澆鑄溫度或升高冷卻水溫度。

4.冷卻系統(tǒng)的流體分析表明，目前的冷卻系統(tǒng)流場并不均勻，會造成鉛液凝固過程中的微觀組織不均衡，影響鉛板的質(zhì)量，可適當(dāng)增大陽極立模模板冷卻水噴口的直徑等設(shè)計(jì)使鉛液降溫均勻。

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Numerical Analysis of Tem perature Field and Thermal Stress Field for Anode Vertical M old

ZHANG Rong，HU Zi-hua，LIANG Yi，HU Jie
（1.Zhuzhou Smelter Group Co.，Ltd.，Zhuzhou 412004，China；2.Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

In order to study the influence rule of process parameters on anode verticalmold lead casting production，in the paper，the temperature field and thermal stress field of anode verticalmold lead casting are studied by numerical analysis.Specifically based on the finite element software ANSYSWorkbench，comprehensive use of the basic theories and methods such as thermodynamics，numerical simulation，the finite element，comparing the anode vertical mold temperature field and thermal stress field under different pouring temperature and coolingwater temperature，the influence law of pouring temperature and cooling water temperature on anode verticalmold lead casting production is explored and

.The research result provides a suitable reference of the selection of process parameters of the casting temperature and the coolingwater temperature for the actual production，also supports the improvement of the life of anode verticalmold with theoretical basis.

anode verticalmold；numerical analysis；temperature field；thermal stress field

TF812

：A

：1003－5540（2014）04－0022－05

2014－06－12

張 榮（1971－），碩士，高級工程師，主要從事設(shè)備改造、管理等工作。