铸造凝固过程数值模拟

铸造凝固过程数值模拟

时间:2007-4-11 9:03:44

1.1 概述

在生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的：

1）预知凝固时间以便预测生产率。

2）预知开箱时间。

3）预测缩孔和缩松。

4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。

5）控制凝固条件。

6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。

铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND 把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。之后美国HENZEL 和KEUERIAN 应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大

的潜力和广阔的前景。于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。

1.2 数学模型的建立和程序设计

液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。从传热方式看，这一散热过程是按导热、对流及辐射三种方式综合进行的。显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。

基于分析和计算模型相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。

1.3 温度场的数值模拟

在热模拟中, 温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段, 日本许多铸造厂采用此项技术。英国的Solstar 系统由三维造型, 网格自动剖分, 有限差分传热计算, 缩孔缩松预测, 热物性数据库及图形处理等模块组成。

1.4 铸件充型过程的数值模拟

铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括:流量的分布、流速的分布以及由此导致的铸件温度场分布。

充型过程数值模拟一方面分析金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态, 优化浇冒口设计并仿真浇道中的吸气, 以消除流股分离和避免氧化, 减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击; 另一方面, 分析充型过程中金属液及铸型温度变化, 预测冷隔和浇不足等铸造缺陷。

充型过程数值模拟技术由于所涉及的控制方程多而复杂, 计算量大而且迭代结果易发散，加上自由表面边界问题的特殊处理要求使其难度更大，国内外学者经过多年研究已开发出了MAGMA 软件,Pro CAST 等。MAGMA 软件可对中等复杂铸件进行三维流场分析，获得比较符合实际情况的初始温度场分布。

铸造充型过程数值模拟技术主要有三种方法:

1 SIMPLE法, 即压力连接方程半隐式方法(Semi- Implicit Method for Pressure Linked Equation);

2 SMAC法, 即简化标示粒子法(Simplifed Marker and Cell); 3 SOL A- VOF法, 即解法 (Solu-tion Algorithm)及体积函数法 (Volume of Fluid)。

1.5 应力场的数值模拟

铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。应力场分析可预测铸件热裂及变形等缺陷。

由于三维应力场模拟涉及弹性-塑性-蠕变理论及高温下的力学性能和热物性参数等, 研究的难度大。现在研究多着重于建立专门用于铸造过程的三维应力场分析软件包, 有些研究是利用国外的通用有限元软件对部分铸件的应力场进行模拟分析, 这对优化铸造工艺和提高铸模寿命发挥了重要作用。应力场模拟分析正向实用化发展，但迄今为止还没有一种科学方法准确测量金属铸件各个部位的热应力或残余应力。

1.6 铸件微观组织模拟

铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等, 以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。铸件微观组织模拟经过了定性模拟、半定量模拟和定量模拟阶段，由定点形核到随机形核。这一研究存在的问题是很难建立一个相当完善的数学模型来精确计算形核数, 枝晶生长速度及组织转变等。瑞士 M Rappaz教授与美国 Stefanescu 教授在 1985年前后同时进行该项目的研究。他们从宏观温度场入手, 分别对铝合金及镍基合金和铁的晶粒数, 晶粒尺寸分布及二次臂距进行估算。铸件微观组织模拟研究今后将向定向凝固及单晶方面发展, 同时在计算精度、计算速度等方面有很多工作要做。

大中型消失模铸钢件内孔烧结成因及预防

李伟

铜陵有色金属(集团) 公司机械总厂 安徽铜陵244022

1 前言

我厂采用真空消失模铸造工艺，大中型铸件在安装孔、格子孔以及内角处经常出现粘砂及烧结现象，特别是在厚度>70mm以上的铸钢件较严重，但铸件表面很少有粘结、烧结现象。认为孔眼处型砂紧实度不够，抽负压时：孔眼处有局部形成空洞，涂料层在高温金属液热作用以及浇注静、动压力头作用下，涂料层破裂造成金属液进入孔眼内而形成粘砂烧结。根据经验介绍，采用高铝砂、镁橄榄石砂等混制的树脂砂预埋孔眼，有时粘砂、烧结现象反而更为严重。烧结的孔眼为砂与金属的混合物，常规清理非常困难，需要用电焊、碳弧气刨、气割等手段慢慢修出，对产品的质量、生产效率影响较大，特别对高锰钢铸件质量影响大，因为高锰钢受热碳化物容易析出，材料冲击韧性下降，使用造成铸件产生裂纹、断裂等早期失效。

2粘砂及烧结原因分析

铸件形成过程实质上是金属液与铸型型腔表面壳层相互作用的过程，它们之间是彼此联系并互为条件的。

相互作用十分复杂，主要有热作用、机械作用、物理——化学作用，其中热作用是其它两作用的基础，影响着机械作用和物理——化学作用的程序。

2.1 型芯与铸件金属的热作用

型芯与金属液相互作用最重要特征是铸件与型芯之间的热交换。 T=T初f(X口R 口α材口α金口τ)

式中：T ——型壁内某层的温度：

T 初——液体金属初温，可取凝固终温；

X ——该砂层离型腔表面的距离；

R ——铸件厚度；

α材——型砂的物理性质，如导温系数等；

α金——铸件金属的物理性质：

τ——加热时间，取决于金属冷却的时间。

液态金属初温高，热容量大，铸件壁厚大，离型腔表面距离近，加热时间长，型砂导温系数高，则该砂层被加热的温度就高。 型芯中的温度场按第四类边界条件计算。

分析表明，仅当Foi ≥1时，即当壁厚较小而加热时间很长时，数列之第二项对计算结果才产生一定影响，所以在许多实际情况中只限于使用第一项。从上式中可知，当铸件与铸型接触的持续时间短时(

假定衬板在铸件厚度R=120mm，安装孔尺寸54×54mm 2方形，预埋树脂砂。砂型导温系数α2=1.0×10-6m 2／s ，计算浇注温度1560℃，时间20min 时，砂芯中部温度场。

资料介绍，树脂砂受热时在500℃左右树脂热分解，树脂膜被烧蚀，树脂砂粘结力降低，强度开始逐渐下降，砂粒间空隙增大。失掉强度后砂粒有可能在压力下自由移动，如同无粘结性原砂，对重金属过滤的毛细管抗力变弱，金属的渗透作用加剧。另一方面，铸件是通过与砂接触的面以及边角效应向外散热冷却，加上消失模负压工艺作用，铸件表层很快凝固成壳。但实验证明，被金属包围的型芯，当其直径或厚度较小时，由于砂芯很快被加热到铸件温度，不能再起冷却作用，对于铸钢件，与型芯接触的这部分铸件表面不能纳入铸件的散热表面。

2.2型芯与铸件金属的机械作用

2.2.1型芯受金属液的浮力作用

P 浮=V2·γ2一V l ·γl

式中P 浮——砂芯受到的浮力，N ：

V2——砂芯的体积，cm3；

γ2——砂芯重度，kg ／cm3；

V1——砂芯被金属液包围部分体积，cm3；

γ1——金属重度，kg ／cm3。

当型芯整体或局部刚度不足时，在金属液浮力和抬力作用下会引起显著变形。严重时涂料层破裂，型芯渗入金属液，造成型芯烧结现象。

2.2.2型芯受金属收缩作用

型芯完全被铸件包围，受热后体积膨胀受到限制，另一方面树脂砂型芯，由于加热时形成坚硬的焦炭骨架，溃散性差。在外加载荷(铸件收缩应力) 条件下，型芯内孔边角处，由于边角效应，型芯热量较高，加之涂料层厚度有可能较厚，因应力集中易形成裂纹，使金属液渗入型芯内，造成型芯烧结现象。

2.3型芯与铸件金属的物理——化学作用

金属液与铸型在高温下相互间产生多种复杂的物理——化学作用，如金属液渗入型壁砂粒的孔隙内，金属氧化与铸型材料形成新的化合物等。

2.3.1润湿角

型芯与铸件金属要产生作用，首先看金属能不能对其产生润湿为前提的。

润湿角的大小主要决定于金属液和造型材料的性质，但接触气氛的性能也有很大的影响。如工业纯铁在不同接触气氛中的润湿角见表1，从表l 中可看出，在氧化气氛中石英砂比镁砂容易发生机械粘砂。 金属成分对润湿性也有影响，如工业纯铁中氧和锰的含量增加，能使润湿性大为提高。故钢水脱氧不完全或含锰13％的高锰钢容易发生机械粘砂。由于铁水含碳量较高，含氧量较低，又不易被氧关，故铸铁件机械粘砂的倾向比钢小。

2.3.2型芯与铸件金属的物理作

型砂蓄热系数、导热率等对金属处于液态时金属的渗入也有影响。蓄热系数高，金属凝固快，渗入深度小；导热率高，金属凝固快，渗入深度小。某些非金属材料导温系数、吸热系数见表2。

砂型的导热率还受砂型空隙率的影响，空隙 率高时型砂导热率低，提高砂型的紧实率可提高砂型的紧实率可提高导热率。可减少减轻粘砂烧结。

因为热量在树脂砂中的传递速度比金属渗透速度低2-3个数量级，而砂壳的形成只需要几分钟的时问。因此在大型铸件时，型砂的松孔特性对粘砂的形成起决定性作用，热活性起从属作用。采用细粒填充砂是预防粘砂的有效方法。

2.3.3型芯与铸件金属的化学作用

化学粘砂是由于金属液和型砂在高温作用下发生化学反应而产生的。产生化学粘砂的先决条件是金属氧化。影响化学粘砂的因素主要是金属氧化物的数量以及与型砂之间的作用程度。但在非石英砂的条件，不形成低熔点化合物，对砂粒滴湿作用小。氧化物层的厚度影响铸件与粘砂层的连接，氧化层的厚度达到或超过某个临界厚度(约100μ m) 时，粘砂层就容易消除，反之不易。

2.4小结

砂型铸造的涂料向铸型内渗入一定的深度，与型砂颗料紧密接触。真空消失模铸造涂层与型砂之间是点接触，涂层外部是无粘结剂的干砂。由于真空消失模铸造工艺形成原理的特殊性如真空、干砂造型等，

相比消失模的涂层更容易被液态金属的压力所挤压而破裂，一旦破裂，液态金属比普通砂型更容易渗入型砂中，即使孔眼采用树脂砂预埋，砂料与涂层松散接触，涂料层一旦开裂，金属渗透缺陷比普通砂型铸造更为严重。

铸件上由型芯形成的内腔表面，由于金属凝固收缩时产生的压力，比外表面更容易形成粘砂。

浇注温度越高，铸件壁厚越大，则金属液在铸型表面保持的时间，金属液的流动性越好，因而渗入孔隙的金属越多。与此同时，金属液温度较高时，铸型被剧烈加热，渗入孔隙内的金属也不易冷凝，因而渗入的深度也大。反之，如果浇注温度低，铸件壁薄，则机械粘砂的程度小，或者不发生机械粘砂。因此，铸件的厚壁部分或转角等热节部分比较容易产生粘砂。

3预防

烧结是粘砂的特例，是更加严重的粘砂现象。预防烧结可注意以下几方面。

1) 加强脱氧，降低浇注温度，以减少金属氧化物形成，或加剧金属氧化达到增加氧化铁层厚度的以减小化学粘砂。

2) 保持足够负压时间，并减少搬运砂箱，防止产生过早搬动震动使型芯表层破裂，在铸件没有完全凝固时，金属液渗入型芯内，形成型芯烧结现象。

3) 加强型砂冷却速度，使铸件表面形成较厚的凝固层，以抵抗外力作用。

4) 提高涂料强度、抗激热开裂的性能。

5) 更换润湿角更大的原砂，并提高砂粒细度，减少孔隙，配合型砂振实工艺，提高砂型强度。

4结语

粘砂烧结主要为高温金属液与型芯热作用伴随机械作用的结果，物理化学作用次之。松孔特性对粘砂的形成起决定性作用，热活性起从属作用。金属材料的成分、脱氧程度，型砂的润湿性、导热系数等因素对粘砂及烧结都有影响。可通过提高涂料抗激热开裂性能，型砂的导热系数，增加铸型强度等措施解决。

通过对10t/h冲天炉的改造, 将3排小风口冲天炉改为两排大间距结构, 用正交设计法试验确定10t 冲天炉最佳结构及工艺参数. 实验结果表明,10t/h冲天炉采用两排大间距炉型, 倒置风口(67/33)、小风口比(2.0)、焦铁比1:10、风量110m3/min的工况下可获得最佳熔化效果. 改造后的10t 冲天炉比原3排小风口冲天炉的铁水温度提高30～50℃, 显著减少了炉前出铁口冻结事故, 降低铸件废品率1.92％.