模擬軟件在優(yōu)化上注鋼錠模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孫智剛 林 琳 王耀琨

(中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西711711)

1 AnyCasting軟件模擬鋼錠凝固過(guò)程的可行性分析

鑄造過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)(CAE)經(jīng)過(guò)了40年的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從溫度場(chǎng)到流動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，從宏觀模擬到微觀領(lǐng)域，從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用等過(guò)程。近些年來(lái)，在計(jì)算機(jī)硬件、軟件、信息處理技術(shù)以及相關(guān)學(xué)科的有力支持下，數(shù)值模擬技術(shù)在人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的鑄造企業(yè)普遍應(yīng)用了模擬技術(shù)。20世紀(jì)90年代中后期，國(guó)內(nèi)鑄造廠家逐漸認(rèn)識(shí)到其重要性，紛紛引入該技術(shù)，目前已有超過(guò)200家鑄造企業(yè)擁有模擬仿真手段，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[2]。中冶陜壓鑄鋼車(chē)間從2004年開(kāi)始使用北京恒力有限公司鑄造CAE模擬軟件指導(dǎo)鑄造工藝，在使用CAE軟件上取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著公司年產(chǎn)20 000 t軋輥?lái)?xiàng)目的建立，無(wú)論是鋼錠生產(chǎn)能力還是質(zhì)量要求都有很大提升。使用計(jì)算機(jī)模擬軟件，實(shí)現(xiàn)鋼錠模設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化，能大大縮短設(shè)計(jì)和修改周期，促使企業(yè)大型鋼錠生產(chǎn)更上一個(gè)臺(tái)階，因此開(kāi)展大型雙真空上注鋼錠模擬迫在眉睫[3]。在眾多的CAE軟件中，韓國(guó)AnyCasting有限公司研發(fā)的“鑄造CAE軟件AnyCastingTM”以鋼水充型過(guò)程、凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)為核心，擁有獨(dú)立的鋼錠模擬模塊，能有效地預(yù)測(cè)鋼錠的縮孔、縮松、卷氣、偏析等缺陷，在模擬仿真性與實(shí)用性方面都非常高。

2 15 t鋼錠模擬過(guò)程

2.1 實(shí)體建模

采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，并完成組裝，導(dǎo)入AnyPRE前處理程序中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、任務(wù)設(shè)計(jì)、邊界條件設(shè)計(jì)等前處理過(guò)程。圖1為15 t鋼錠模裝配圖，表1為15 t鋼錠參數(shù)表。

圖1 15 t鋼錠模裝配實(shí)體圖Figure 1 The assembly entity graph of 15 t ingot mould

表1 15 t鋼錠參數(shù)表Table 1 The parameters of 15t ingot

2.2 初始條件和邊界條件

鋼錠材質(zhì)為45A，其固相線溫度為1 494℃，液相線溫度為1 455℃；鋼錠模材料為HT200，鋼錠模初始溫度為70℃；假設(shè)鋼液瞬時(shí)充滿(mǎn)鑄型，鋼液初始溫度1 550℃；帽口采用保溫帽口，網(wǎng)格劃分1 000 000單元。

保溫帽口材料為保溫石棉板加優(yōu)質(zhì)高鋁磚，熱導(dǎo)率為0.15 W/(m·K)，與鋼錠之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20 W/(m2·K)。鋼錠模與鋼錠之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1 500 W/(m2·K)。鋼錠模外表面與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為10 W/(m2·K)。發(fā)熱劑加入量為15 kg，其物理特性為：發(fā)熱功率8 000 J/g，發(fā)熱持續(xù)時(shí)間為30 min。

2.3 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及應(yīng)用分析

鋼錠完全凝固的時(shí)間和溫度場(chǎng)對(duì)確定脫模時(shí)間有重要的指導(dǎo)意義，以此為依據(jù)可以確定合理的脫模時(shí)間，加快鋼錠模和真空鑄錠室的周轉(zhuǎn)頻率，提高生產(chǎn)效率。

如圖2所示，圖中左側(cè)為溫度標(biāo)尺。通過(guò)模擬計(jì)算得出鋼錠完全凝固的時(shí)間為3.4 h，此時(shí)，鋼錠表面的溫度已經(jīng)降到固相線以下，而現(xiàn)有工藝規(guī)定15 t鋼錠在模內(nèi)的保溫時(shí)間為6 h，這大大影響了真空鑄錠室的使用效率，因此，對(duì)于低碳鋼或者低合金鋼等裂紋敏感性差的鋼種脫模時(shí)間可以選擇在3.4 h～6 h之間，以提高生產(chǎn)效率。

2.4 凝固順序模擬結(jié)果及應(yīng)用分析

鋼錠的凝固順序如圖3所示。鋼錠的凝固趨勢(shì)是軸向上由鋼錠底部向頂部推進(jìn)，徑向上由鋼錠四周模壁處向鋼錠的中心逐步進(jìn)行，鋼錠由下至上順序凝固可以保證帽口充分補(bǔ)縮，避免錠身出現(xiàn)縮孔及縮松。

圖4為15 t鋼錠中心對(duì)稱(chēng)軸線自底部到頂部(如圖示A→B)距離均勻的多點(diǎn)溫度隨凝固分?jǐn)?shù)變化曲線。如圖所示，隨著凝固的進(jìn)行，中心軸線的溫度逐漸下降。在凝固開(kāi)始階段，由A到B各點(diǎn)溫度變化緩慢，隨著凝固的進(jìn)行，鋼錠底部到頂部溫度梯度逐步增加，到凝固末期，鋼錠底部到頂部溫度梯度劇烈放大，且各點(diǎn)溫度曲線沒(méi)有交叉，這表明鋼錠在凝固過(guò)程中沒(méi)有受阻，順序凝固，從而驗(yàn)證了15 t鋼錠模正錐度參數(shù)、錠模厚度及底盤(pán)高度設(shè)計(jì)的合理性。

2.5 鋼錠缺陷位置模擬結(jié)果及應(yīng)用分析

鋼錠缺陷位置模擬結(jié)果如圖5所示。顏色越淺表示出現(xiàn)縮孔及縮松的幾率越大；頂部灰色面積表示帽口收縮尺寸。由圖5所示，此鋼錠在澆注完成后，加入的覆蓋劑及發(fā)熱劑起到了良好的保溫效果，鋼液面以“碟”形下降，且縮孔、縮松集中在帽口部位，通過(guò)多次實(shí)際澆注，模擬結(jié)果與實(shí)際吻合較好，表明模擬過(guò)程中采用的邊界條件和熱物性參數(shù)合理，可以用于鋼錠凝固過(guò)程進(jìn)一步模擬和工藝優(yōu)化，減小帽口，提高鋼錠利用率。

圖2 15 t鋼錠溫度場(chǎng)模擬結(jié)果Figure 2 Simulation result of temperature field for 15 t ingot

圖3 15 t鋼錠凝固順序模擬結(jié)果Figure 3 Simulation result of solidification for 15 t ingot

圖4 15 t鋼錠凝固分?jǐn)?shù)與溫度關(guān)系曲線Figure 4 Curve of solidification fraction and temperature

圖5 15 t鋼錠缺陷位置模擬結(jié)果Figure 5 Simulation result of defects for 15 t ingot

圖6 15 t鋼錠C元素偏析模擬結(jié)果Figure 6 Simulation result of C segregation for 15t ingot

2.6 C元素偏析模擬結(jié)果及應(yīng)用分析

鋼液在錠模中凝固的過(guò)程中形成的凝固區(qū)包括有樹(shù)枝狀晶和樹(shù)枝狀晶前沿尚未冷凝的鋼液。樹(shù)枝晶在不斷生長(zhǎng)的過(guò)程中，由于固相和液相成分不斷改變，先凝固的部分含高熔點(diǎn)組元較多，后凝固部分含低熔點(diǎn)組元較多。這種現(xiàn)象在鋼錠凝固過(guò)程中表現(xiàn)為與模壁接觸的外層富集了高熔點(diǎn)組元，中心部分則富集低熔點(diǎn)組元，相應(yīng)地中心部分也容易富集凝固過(guò)程中析出的雜質(zhì)和氣體等。AnyCasting軟件在模擬C、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素的成分偏析方面均有良好表現(xiàn)。此鋼錠材質(zhì)為45A，因此本文只模擬了鋼錠C元素偏析結(jié)果。

由圖6左側(cè)標(biāo)尺所示，鋼錠上顏色越淺表示此區(qū)域C含量越高?？梢?jiàn)在錠尾位置、模壁位置C含量最低，由模底向上、模壁向里C含量逐漸升高，帽口位置C含量最高。

3 15 t鋼錠模模擬總結(jié)與分析

通過(guò)對(duì)15 t鋼錠凝固過(guò)程的數(shù)值模擬，可以得到鋼錠凝固的重要信息，如鋼錠的凝固時(shí)間、鋼錠中偏析的位置、縮孔和縮松的位置等，還可以檢驗(yàn)鋼錠模設(shè)計(jì)的合理性，縮短鋼錠模從設(shè)計(jì)到優(yōu)化的周期。

對(duì)鋼錠凝固過(guò)程的模擬不僅對(duì)于鋼錠模的設(shè)計(jì)有重要意義，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)也有重要作用。通過(guò)對(duì)采用同一錠模，不同帽口形式(砌磚式帽口、保溫帽口等)的鋼錠凝固過(guò)程模擬，可以比較出采用何種帽口形式鋼錠利用率最大，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化絕熱板工藝，改善帽口的保溫效果，提高帽口補(bǔ)縮效率，減小縮孔深度，減輕鋼錠軸線疏松，提高鋼錠的材料利用率。通過(guò)對(duì)加入不同數(shù)量和發(fā)熱值的發(fā)熱劑及覆蓋劑的鋼錠凝固過(guò)程模擬，可以選擇合理的發(fā)熱劑及覆蓋劑的加熱量。

[1] 劉莊，趙勇，張沅，等.大鋼錠凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)計(jì)算及縮孔縮松預(yù)測(cè)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1993，5(1)：23-32.

[2] 李金良. 優(yōu)化錠型在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].大型鑄鍛件，2008(6)：22-23，26.

[2] 李文勝，沈丙振，周翔，等.大型鋼錠凝固過(guò)程三維數(shù)值模擬[J].大型鑄鍛件，2010(3)：1-4.