大型鋼錠鑄造充型過程的數(shù)值模擬

房金樂，支旭波

(陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西漢中 724200)

大型鋼錠鑄造充型過程的數(shù)值模擬

房金樂，支旭波

(陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西漢中 724200)

為了減少某大型鋼錠在鑄造充型過程中產(chǎn)生的卷氣、卷渣和澆不足等缺陷，通過對鑄錠充型過程進行數(shù)值模擬，研究不同充型速度、壓力和優(yōu)化方案條件下流場、溫度場的變化情況。模擬結(jié)果為:充型速度為1m/s，初始壓力為300 000 Pa時較符合該鋼錠的充型過程。為大型鋼錠鑄造充型過程工藝參數(shù)的選擇和鑄造模型的設(shè)計提供參考。

鋼錠;卷氣;充型過程;數(shù)值模擬

0 前言

為了減少大型鋼錠在鑄造充型過程中產(chǎn)生的卷氣、卷渣和澆不足等缺陷，以及盡可能的對鋼液凝固階段提供均勻合適的溫度場和流場。需要了解任一時刻金屬液與空氣接觸的自由表面和金屬液與壁面形成的界面的狀況，并根據(jù)充型溫度、壓力以及澆注口參量等的變化，采取措施，調(diào)整鋼錠的金屬液流場和溫度場達到最優(yōu)。但是，在實際的大型鋼錠鑄造過程中，由于無法觀測到在金屬液充型的不同時刻流場和溫度場的變化情況。因此，本文通過對鑄錠充型過程進行數(shù)值模擬了解各時刻的狀況。由于液-氣之間的變化是三維的非穩(wěn)態(tài)湍流流動，且考慮到型腔內(nèi)氣體的背壓力、鋼液通過澆注口進入型腔的慣性、金屬液與型壁間導熱系數(shù)和初始參量的設(shè)置等因素使模擬過程比較復雜，因此需要對初始和邊界條件進行簡化，且忽略計算精度和鋼液凝固的理想條件。

1 數(shù)學模型的建立

1.1 建立液相流動數(shù)學模型的條件

為了提高計算效率，加快計算收斂，減少計算時間。在模擬過程中假設(shè):(1)假設(shè)該模擬金屬液為不可壓縮的黏性牛頓流體;(2)型腔中為氣-液兩相非穩(wěn)態(tài)湍流流動;(3)不考慮澆注過程對型腔充型過程的影響。該模型遵循連續(xù)性方程、動量方程和能量守恒方程［2］。

1.2 氣相計算模型的條件

壓鑄充型過程中，型腔中的空氣除了極少部分與高溫液態(tài)金屬發(fā)生化學反應消耗掉以外，其余均以氣團的形式存在于型腔之中。這些氣團因其所處環(huán)境不同可分為兩種情況:一是位于液態(tài)金屬流動的前沿，通過溢流槽與外界大氣相連通氣團;另一種是被金屬液卷入內(nèi)部而形成的孤立氣團，即由于卷氣現(xiàn)象而形成的金屬液內(nèi)部的氣泡。在模鑄中熔體代替空氣，除了氣體卷入附近的區(qū)域以外在熔體運動中空氣的影響可以忽略的。主要關(guān)注的是空氣卷入?yún)^(qū)域的位置，而不是準確的解決其周圍的熔體的流動。因此對于卷氣缺陷的主要研究是確定卷氣的區(qū)域位置以及影響該區(qū)域位置的參數(shù)［6］。本文基于兩個假設(shè)條件分析: (1)型腔中的氣體是理想的氣體;(2)型腔中的壓力、溫度、密度在每個氣體群里是常數(shù)。

1.3 自由表面處理

分析鋼液自由表面流動通常采用拉格朗日方法和歐拉方法［1］:拉格朗日方法采納了一個移動網(wǎng)格系統(tǒng)，當自由面前進時每一個計算網(wǎng)格被移動和扭曲;歐拉方法使用一個固定的網(wǎng)格系統(tǒng)，整個計算完成才會變化。拉格朗日方法由于流體的改變，過渡扭曲網(wǎng)格有可能導致數(shù)值錯誤;歐拉方法計算網(wǎng)格事先被生成和在整個計算中被固定［3］。由于變形網(wǎng)格可以減少許多麻煩，歐拉方法已經(jīng)可以模擬復雜的多相流動。流體體積法(VOF)［3］是目前計算流體力學領(lǐng)域中應用最廣泛的界面捕捉方法，其優(yōu)點是保證流體自動地遵循質(zhì)量守恒原則，可以方便地模擬自由表面的分離、碰撞等非線性幾何拓撲的問題，不需要再添加任何限制條件。所以本文采用VOF方法在模鑄充型過程中追蹤液-氣兩相之間自由表面的復雜變化［4］。

2 速度場和溫度場的模擬

該鋼錠的材料參數(shù)見表1。采用Gambit軟件對該鋼錠進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)為257 740，總體積在5.049 237 m3，如圖1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1Parameter of the material

圖1 鋼錠網(wǎng)格劃分圖Fig.1Mesh partition of the steel-ingot

在非穩(wěn)態(tài)多相流體下假設(shè)澆注溫度為1 808 K，鑄型初始溫度在一般常溫情況下(大約25℃)。在迭代計算到五十萬步以上時，計算便偏于穩(wěn)定，但是很難趨于收斂。根據(jù)一定時間的迭代計算，在FLUENT軟件里可以得到速度場和溫度場的變化趨勢，如圖2所示。隨著初始速度在外壓力作用下，鋼液在慣性力作用下一直向上噴沖，接近到達冒口區(qū)時由于鋼液重力大于慣性力，金屬液開始沿重力方向移動，但是在兩力共同作用下金屬液沿著兩邊型壁開始流動，如圖3流場云圖可以清晰反映速度在鑄型里的變化，開始初始速度主要在入口處沿Z軸正方向流動，隨著金屬液在鑄型里的逐步上升，導致金屬液重力在不斷增加，促使速度到達冒口區(qū)開始分流，朝Y軸正反方向流動，致使在Z軸中段，對于鑄型里面未完全流出的空氣進行包裹，從而形成小流速區(qū)域。圖4為速度流線圖，在金屬液沿Z軸方向流動時，在Z軸、Y軸速度分流形成沿入口的對稱回流區(qū)。由于金屬液對鑄型里面空氣的包裹使之無法流出，造成鑄造中的卷氣缺陷，尤其在入口附近表現(xiàn)最為明顯。

圖2 YZ面溫度場云圖Fig.2Temperature field cloud chart of the YZ plane

圖3 YZ軸流場云圖Fig.3Flow flied cloud chart of the YZ axis

圖4 YZ軸流場線性圖Fig.4Flow field linear graph of the y and z direction

初始速度分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s時，在鑄型中點和沿Y軸正方向邊界的速度、溫度變化圖如圖5、圖6所示。分析可知，隨著初始速度的增大，出口速度越大，溫度變化越大;導致在充型結(jié)束以后無法給后期凝固過程提供溫度梯度較小的理想條件。因此在保證充型過程順利進行的情況下，盡可能的減小入口速度，這樣可以引起鋼液面波動小，也可以抑制大晶粒產(chǎn)生。通過多組模擬可知，在改變初始壓力時對于迭代計算影響不是很明顯，如果改變初始入口速度則在計算中波動比較大且易于發(fā)散。因此，流體速度是影響鋼錠中出現(xiàn)卷氣缺陷的主要原因。

圖5 Y=0.431 m的速度、溫度變化圖Fig.5The speed-temperature variation diagram of Y=0.431 m

圖6 Y=0.8 m不同初始速度下速度、溫度變化圖Fig.6The speed-temperature variation diagram of Y=0.8m under different initial velocity

3 實驗驗證

模擬結(jié)果可以得出壓力在300 000 Pa，初始速度在1.0 m/s情況下，在速度和溫度上滿足于充型過程和后期凝固過程的要求。分別在X軸28 mm處進行取樣分析，如圖7可知，a樣在Z軸中段處取出，由于初始速度沿Z軸垂直向上流動，很少有空氣卷入，因此空氣都排出錠型，很少有夾氣情況存在。b樣取于靠近型壁方向的試樣，雖然整體夾氣不是很多，但是由于靠近型壁已經(jīng)在充型過程開始凝固，如果沒有充足的時間，氣體往外擴散可使很多氣體存在于鋼錠中。根據(jù)凝固過程是沿型壁往中心擴散，c樣是靠近于入口方向，溫度變化相比于b樣變化慢，這樣可以使靠近入口處有足夠時間脫離鋼液，所以出現(xiàn)的夾氣多而氣孔小。

4 結(jié)論

圖7 金相圖Fig.7Speed-temperature variation diagram of Y=0.8m under different initial pressure

通過對大型鋼錠鑄造充型過程的數(shù)值模擬和根據(jù)在模擬過程對充型過程夾氣位置的判斷，在后期對該位置的試樣進行試驗分析，基本可以驗證模擬結(jié)果。再考慮到充型速度變化，在充型過程中產(chǎn)生卷氣缺陷位置和流場影響為后期凝固過程提供適宜的溫度場;比較得出，在充型速度為1 m/s、初始壓力為300 000 Pa時較適合于該鋼錠的充型過程。

［1］Numerical simulation of liquid/gas phase flow during mold filling Rohallah Tavakoli，Reza Babaei，Naser Varahram，Parviz Davami.Comput.Methods Appl.Mech.Engrg.2006，196:697-713.

［2］李帥君，熊守美.壓鑄充型過程中卷氣現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究［J］.金屬學報，2010，46(5):554 -560.

［3］Sergey V.Shepel，Samuel Paolucci.Numerical simulation of filling and solidification of permanent mold castings［J］.Applied Thermal Engineering.2002 (22):229-248.

［4］Nitin Pathak，Arvind Kumar，Anil Yadav，etal.Effects of mould filling on evolution of the solid-liquid interface during solidification［J］.Applied Themal Engineering.2009(29):3669-3678.

［5］Kiril S.Shterev，Stefan K.Stefanov.Pressure based finite volume method for calculation of compressible viscous gasflows［J］.JournalofComputational Physics.2010，229:461-480.

［6］Numerical simulation of filling and solidification of permanent mold castings.

［7］郝靜.鑄造充型過程氣液兩相流動數(shù)值模擬的研究［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［8］蕭澤強，朱苗勇.冶金過程數(shù)值模擬分析技術(shù)的應用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社.

［9］KIMATSUKA A，OHNAKAI，ZHUJD，OHMICHI T.Mold filling simulation of high pressure die casting for predicting gas porosity［C］//STEFANESCU D，WARREN J，JOLLY M，KRANE M，ed.Moldling of Casting，Welding and Advanced Solidfication Processes.Danvers.USA:TMS.2003:335-342.

［10］馬洪亮，管文浩.計算機模擬技術(shù)在改善大型鑄鋼錠鑄造工藝中的應用［A］.中國鑄造行業(yè)第四屆高層論壇論文集［C］.2009.

［11］江建華，劉莊，王祖唐.三維鋼錠與錠模溫度場耦合有限元分析系統(tǒng)［J］.大型鑄鍛件，1995(4).

［12］董潔.鍛造用鋼錠凝固過程溫度場、應力場的數(shù)值模擬及其應用［D］，西安:西安建筑科技大學，2005.

［13］史小輝.鑄錠凝固過程數(shù)值模擬及可視化［D］.西安建筑科技大學，2006.

［14］李璇.半連續(xù)鑄造過程中溫度場的計算機模擬及其在凝固組織預報中的應用研究［D］.沈陽:東北大學，2009.

Numerical simulation of filling process in large steel-ingot

FANG Jin-le，ZHI Xu-bo
(Hanzhong Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shaangang Group，Hanzhong 724200，China)

In order to reduce such as air entrapment，slag entrapment，misrun casting in filling process of large steel-ingot.This paper discussed change of flow field and temperature field under the different filling speed，pressure and optimization scheme，by numerical simulation to process of steel casting filling.The results show that it is more suitable for the steel ingot，filling speed is 1 m/s，and initial pressure is 300 000 Pa.It provided a reference for the process parameters selection and mold design in large steel-ingot filling process.

steel-ingot;gas entrapment;the filling process;numerical simulation

TG21+1

A

1001-196X(2014)06-0053-04

2014-07-15;

2014-08-29

房金樂(1982-)，男，陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司工程師，科技發(fā)展部副部長，主要從事煉軋鋼工藝研究。