硅錳合金冷卻方案仿真探究

李逸塵，毛寬民

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引言

當(dāng)前，硅錳合金的鑄造主要有兩種方法，一是坑池法，二是錠模法。而二者之中，由于地坑法產(chǎn)量高，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)多采用坑池法。簡(jiǎn)單來說，就是讓金屬液在澆注池中冷卻凝固，再將凝固完畢的金屬破碎成小塊[1-2]。這種方法簡(jiǎn)單易行，且擁有極高的產(chǎn)量，但由于破碎產(chǎn)生大量的金屬粉塵，造成了原材料浪費(fèi)和嚴(yán)重的粉塵污染，不符合我國(guó)發(fā)展綠色工業(yè)的需要。另外，破碎之后產(chǎn)生的金屬塊大小，形狀不一，還有一部分產(chǎn)品并不適合用戶的需要，因此需要回爐重造，這也造成浪費(fèi)，并且也降低了經(jīng)濟(jì)效益。而錠模法相比坑池法其實(shí)更為古老也更為落后，是用錠模使制造大塊金屬錠，然后依然破碎成小塊，因此，錠模法使用的也是越來越少。

為了解決以上問題，使用直接粒化技術(shù)成為了一種選擇[3]。而硅錳合金直接?；夹g(shù)中，有一種連鑄?；尚驮O(shè)備已經(jīng)投入使用，本文即是在此背景下，使用procast鑄造仿真軟件對(duì)這種硅錳合金連鑄?；尚驮O(shè)備的冷卻方式進(jìn)行了仿真分析，以期能找到一種合適的冷卻方案，提升硅錳合金的冷卻效率，達(dá)到增產(chǎn)的目的。

2 生產(chǎn)設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)

硅錳合金連鑄?；尚驮O(shè)備[5-7]主要是將錠模固定在鏈輪的鏈條上，讓模具隨著鏈輪運(yùn)動(dòng)，以經(jīng)過上漿，澆鑄，冷卻，脫模等各個(gè)步驟。本文待研究的連鑄?；尚驮O(shè)備示意圖如圖1。

圖1 連鑄?；O(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中1代表澆包；2代表錠模；3代表鏈輪。如圖所示的設(shè)備，設(shè)計(jì)思路更加接近于重力鑄造，即讓金屬液在錠模中成型，直接鑄造成粒狀，這樣可以省去破碎這項(xiàng)工藝，以減少粉塵與噪聲污染。當(dāng)設(shè)備開機(jī)的時(shí)候，開啟傳動(dòng)系統(tǒng)與噴漿系統(tǒng)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，噴漿機(jī)給模具上漿。上漿完畢以后，澆包將金屬液澆入已經(jīng)上好漿的模具中。接下來，模具隨著鏈輪向上移動(dòng)到合適位置的時(shí)候開啟水冷系統(tǒng)讓金屬快速凝固。當(dāng)模具移動(dòng)到最高點(diǎn)，也就是脫模點(diǎn)之后，模具繼續(xù)隨著鏈輪移動(dòng)直到鑄錠脫落，在脫模點(diǎn)下放置集料框，在重力作用下，由于高度產(chǎn)生的沖量使鑄錠破碎，以得到形狀合適的金屬粒。

根據(jù)從設(shè)備上收集到的參數(shù)，鏈輪速度為12m/min，安裝角度為6°，但實(shí)際上，模具水平面與地面平行，并沒有傾斜。

3 仿真模具及材料

為了研究硅錳合金的冷卻方案，使用procast軟件[8-10]進(jìn)行仿真。除冷卻方式外，仿真條件如下：

鑄件材料：按照廠方提供的牌號(hào)FeMn65Si17設(shè)置為：錳65%，硅17%，碳0.5%，硫0.25%，磷0.1%，鐵17.15%，并以此為成分，通過仿真軟件計(jì)算出的該成分下硅錳合金的各項(xiàng)性質(zhì)參數(shù)，建立仿真模型。

模具材料：采用HT-200鑄鐵金屬型的永久性模具。

模具形狀：采用拼接模型，如圖2。

圖2 仿真用模具模型

真實(shí)模具的外形示意圖如圖3所示：

圖3 真實(shí)模具的外形示意圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將多級(jí)模型簡(jiǎn)化為三級(jí)，第一級(jí)模型是起始端的模具，代表澆鑄剛開始時(shí)，第一個(gè)接受澆鑄的模具狀態(tài)，第二級(jí)模型則是其他澆鑄模具，代表第一級(jí)模具后面所有的模具狀態(tài)，第三級(jí)模具則是回收池，澆鑄多余的金屬液會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔?，流入回收池，之后進(jìn)行回收再利用。

另外，由于考慮到鏈輪的運(yùn)行速度、硅錳合金的冷卻速度以及澆注速度，每一個(gè)模具中多余的金屬并不會(huì)全部流入下一級(jí)模具中，通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最終會(huì)在半球型鑄錠上形成一層10mm左右厚度的金屬殼。

充型速度：12kg/s。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，澆口固定不動(dòng)，而模具隨著鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)以12m/min的速度移動(dòng)。這個(gè)過程中，也可以看作模具固定不動(dòng)，澆口在模具上方以12m/min的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算，模具內(nèi)腔總長(zhǎng)度為1540mm，12m/min=200mm/s，經(jīng)計(jì)算，澆口經(jīng)過這個(gè)模具總共需要7.7s，因此在整個(gè)模具的中線上平均布置10個(gè)澆口(因?yàn)榫W(wǎng)格劃分的緣故，可能有些微小的誤差，姑且可以忽略不計(jì))，從一級(jí)模具上的第一個(gè)澆口開始，從左到右依次開啟，每次開啟0.77s。因?yàn)橛性O(shè)置回收池，在流量方面可以稍微設(shè)置大一點(diǎn)以保證充型效果以及產(chǎn)量。

按照生產(chǎn)要求，設(shè)備產(chǎn)量要達(dá)到30t/h約為8.3kg/s，充型速度為12kg/s。

傾斜角度：0°

雖然澆鑄機(jī)鏈條與水平面的角度為6°，但是模具實(shí)際上是階梯狀搭接在一起，實(shí)際上澆注面與地面水平，所以重力角度還是設(shè)置為0°。

預(yù)熱溫度：500℃

考慮到設(shè)備結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)，已經(jīng)沒有空間與時(shí)間讓模具在電爐上預(yù)熱到標(biāo)準(zhǔn)要求的250-300℃，因此，一些選擇使用這種設(shè)備的廠商將剛出爐的液態(tài)爐渣置入模具中，然后讓設(shè)備運(yùn)行，即可在開始澆鑄前將模具預(yù)熱到500℃。

4 冷卻速度仿真結(jié)果

常用的冷卻手段分為風(fēng)冷與水冷兩種，水冷的冷卻效果要好于風(fēng)冷，水冷的方式也有很多種，例如噴霧，對(duì)模具表面噴水，以及在模具內(nèi)部設(shè)置流道，通冷卻水。

在冷卻時(shí)需要充分考慮設(shè)備的原理以及結(jié)構(gòu)，外部裝接冷卻板，或者在模具上設(shè)置流道，但充水冷卻的方法明顯不可行。另外，由于澆鑄模具為開放模具，水冷時(shí)，冷卻水會(huì)接觸鑄件，易發(fā)生蒸汽爆炸，因此不能直接采用水冷。而為了保證冷卻效率，必須將風(fēng)冷與水冷結(jié)合起來，提出一種高效率的冷卻方案。

首先，蒸汽爆炸的原理是溫度較低的水遇上溫度極高的金屬液迅速氣化，體積劇烈膨脹，發(fā)生爆炸，導(dǎo)致金屬液濺出，從而引發(fā)事故。因此，只要鑄件的水冷面已經(jīng)完全凝固的話就不用擔(dān)心蒸汽爆炸的問題。從這個(gè)角度來看，可以先使用高速風(fēng)冷讓鑄件的表面凝固，然后立馬切換為水冷，加速冷卻。

當(dāng)然，除了考慮冷卻速度之外，還要考慮模具的問題。由于接觸高溫液體，模具內(nèi)部溫度急劇升高或者降低，使得模具內(nèi)部熱應(yīng)力提升，如果超過了模具的承受能力，很可能出現(xiàn)裂紋等故障，因此，下面對(duì)各種冷卻方案進(jìn)行仿真。

4.1 純空冷

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：空冷，即空氣沒有進(jìn)行受迫流動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)流換熱系數(shù)選60W/m2·K

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預(yù)熱到500℃。

仿真結(jié)果如圖4，從結(jié)果中可以看出，在不施加任何冷卻措施的情況下，從開始澆鑄到整個(gè)鑄件完全凝固需要約261s。且此時(shí)，依然有很大一片區(qū)域溫度在900℃以上，處于紅熱狀態(tài)。

圖4 空冷條件下仿真結(jié)果

純空冷條件下，綠色曲線為此型腔處的固相分?jǐn)?shù)，藍(lán)色為鑄件表面溫度，測(cè)溫點(diǎn)選擇半球型腔球心在鑄件上表面的投影點(diǎn)，即43808號(hào)點(diǎn)，紅色為鑄件內(nèi)部溫度，此點(diǎn)位于表面測(cè)溫點(diǎn)下方20mm處，即44130號(hào)點(diǎn)。由于空氣在自然流動(dòng)的情況下，對(duì)流換熱能力并不好，因此，兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間，溫度差別并不是很大，而且通過仿真模擬的結(jié)果可以看出，這意味著必須等鑄錠全部冷卻才能進(jìn)行脫模。對(duì)于連鑄粒化設(shè)備，冷卻時(shí)間意味著生產(chǎn)線的長(zhǎng)度，根據(jù)12m/min的鏈輪轉(zhuǎn)速，261s的時(shí)間實(shí)在是太長(zhǎng)，意味著生產(chǎn)線長(zhǎng)度至少52.2m，并不適合生產(chǎn)，因此，必須添加其他冷卻方式，增加冷卻效率。

4.2 純風(fēng)冷

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：風(fēng)冷(風(fēng)冷屬于空氣強(qiáng)制對(duì)流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，常溫下空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)選最高可以選到400W/m2·K)

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預(yù)熱到500℃。

仿真結(jié)果如圖5，從開始澆鑄到整個(gè)鑄件完全凝固需要114s。

圖5 風(fēng)冷條件下溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

同理，在結(jié)果中調(diào)出43808與44130號(hào)點(diǎn)的溫度曲線，綜上所述，當(dāng)進(jìn)行風(fēng)冷冷卻的時(shí)候，冷卻速度大幅度提升，從純空冷的281s降到了114s，另外，表面溫度與鑄件內(nèi)部溫度曲線開始出現(xiàn)明顯差別，這意味著或許可以通過仿真，找到一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，鑄件處于外部已經(jīng)全部凝固，但是內(nèi)部依然未完全凝固的狀態(tài)。如果在這個(gè)狀態(tài)下脫模，或許可以進(jìn)一步減少冷卻時(shí)間，提高冷卻效率，根據(jù)仿真結(jié)果，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)約在95s左右。

4.3 風(fēng)冷+水冷

硅錳合金是一種比較脆的金屬，因此在高溫情況下不能直接接觸冷水，不然會(huì)很容易因?yàn)槭軣岵痪_裂，導(dǎo)致鑄造出來的鑄錠粒度不達(dá)標(biāo)。也是因此，硅錳合金的粒化不能采用已經(jīng)非常成熟，且大規(guī)模投入使用的Blobulator工藝與GRANSHOT金屬造粒工藝，因此只能采用對(duì)模具底部噴水的方式進(jìn)行水冷。

仿真條件如下：

鑄件材料：硅錳合金。

冷卻方式：對(duì)鑄件上表面風(fēng)冷(對(duì)流換熱系數(shù)選400W/m2·K)，對(duì)模具下表面進(jìn)行噴水水冷(對(duì)流換熱系數(shù)5000W/m2·K)

模具材料：金屬模具，材料HT-200鑄鐵，預(yù)熱到500℃。

以澆鑄開始為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，鑄件完全凝固為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6。

圖6 風(fēng)冷+水冷條件下溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

從結(jié)果可見，加上水冷以后，冷卻速度再一次顯著提高，冷卻時(shí)間只有89.8s，比純風(fēng)冷提升了24s。同理，在結(jié)果中調(diào)出43808與44130號(hào)點(diǎn)的溫度曲線。同樣，加入水冷過程后，表面溫度與鑄件內(nèi)部溫度曲線也有明顯差別，不過，由于水冷面在模具底部的原因，這個(gè)差別明顯沒有風(fēng)冷那么大。不過依然可以通過仿真，找到一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，鑄件處于外部已經(jīng)全部凝固，但是內(nèi)部依然未完全凝固的狀態(tài)進(jìn)行脫模，根據(jù)仿真結(jié)果，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)約在85s左右。

5 應(yīng)力仿真結(jié)果

從之前的仿真結(jié)果來看，水冷+風(fēng)冷的方案冷卻時(shí)間最短，但是制約方案選擇的并不只有冷卻速度這一點(diǎn)，還有就是模具上的應(yīng)力。如果模具上的溫度過高，很可能會(huì)使模具開裂，導(dǎo)致金屬模具報(bào)廢。

而當(dāng)溫度變化時(shí)，金屬模具上會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。尤其是在澆入模具的金屬液高達(dá)1300℃時(shí)，再加上風(fēng)冷與水冷急劇冷卻，這時(shí)模具內(nèi)的應(yīng)力會(huì)相當(dāng)大，甚至有可能造成模具損壞。因此，在討論冷卻方案的時(shí)候，模具內(nèi)的應(yīng)力變化自然也必須考慮在內(nèi)，因此，在下文中，將對(duì)前面提到的幾種冷卻方案逐一進(jìn)行應(yīng)力仿真。

分別在純空冷、純風(fēng)冷以及風(fēng)冷+水冷條件下，利用上文設(shè)置的仿真條件，對(duì)金屬模具進(jìn)行應(yīng)力分析，得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 取樣點(diǎn)位置

由圖7仿真結(jié)果可知，應(yīng)力最大之處在半球形型腔之間的薄壁上，即此處最容易產(chǎn)生裂紋，基于此在純空冷的情況下在應(yīng)力最大處取到點(diǎn)82776，純風(fēng)冷條件下取到點(diǎn)82574，風(fēng)冷+水冷條件下取到點(diǎn)82776，得到應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖8 取樣點(diǎn)應(yīng)力曲線

由圖8可知，純空冷的冷卻條件下此點(diǎn)處于模具的受熱表面，熱應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，HT-200的抗壓強(qiáng)度為600MPa，遠(yuǎn)大于此點(diǎn)的最大熱應(yīng)力330MP，因此純空冷的冷卻條件下，鑄鐵模具上不會(huì)產(chǎn)生裂紋；風(fēng)冷條件下最大應(yīng)力低于325MP，沒有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。而且，風(fēng)冷條件下的模具應(yīng)力狀況甚至比空冷還要稍好一點(diǎn)；風(fēng)冷+水冷條件下最大應(yīng)力不超過480Mpa，更沒超過600MPa，沒有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，三種條件下模具都沒有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，但是，水冷條件下模具的應(yīng)力狀況要比其他兩種要差一些，最大應(yīng)力要高出近150MPa，但是依然沒有超過鑄鐵的受壓極限。

因此綜合熱學(xué)仿真與應(yīng)力仿真的結(jié)果，風(fēng)冷+模具底部噴水水冷的冷卻方案最好，同時(shí)也具有相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

6 結(jié)語

通過上文的仿真分析，最后可以得到，風(fēng)冷+模具底部噴水水冷的冷卻方案最適合于文中這種連鑄粒化設(shè)備，而且，這種冷卻方式已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，屬于成熟方案。

1)設(shè)計(jì)了一個(gè)接近于重力鑄造的硅錳合金連鑄?；尚驮O(shè)備。

2)從開始澆鑄到整個(gè)鑄件完全凝固，純空冷條件下需要261s；純風(fēng)冷條件下需要114s；風(fēng)冷+水冷條件下需要85s。

3)純空冷、風(fēng)冷、風(fēng)冷+水冷條件下，均沒有超過HT-200的抗壓強(qiáng)度為600MPa，沒有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4)考慮到傳熱環(huán)境復(fù)雜，以及部分參數(shù)的測(cè)量難度，很多參數(shù)采用的是經(jīng)驗(yàn)值，因此仿真結(jié)果最終只能提供一些指導(dǎo)性的意見，具體生產(chǎn)時(shí)采用的方案還需再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行規(guī)劃。