基于數(shù)值模擬的大型球鐵機(jī)體夾渣缺陷的探討

李永剛，劉繼波，耿建華，于建忠，陳 鵬

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊261108）

基于數(shù)值模擬的大型球鐵機(jī)體夾渣缺陷的探討

李永剛，劉繼波，耿建華，于建忠，陳 鵬

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊261108）

借助MAGMA模擬軟件，分析了大型球鐵機(jī)體產(chǎn)生夾渣缺陷的根本原因。提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，夾渣缺陷改善效果顯著，實(shí)現(xiàn)了機(jī)體批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

夾渣；球墨鑄鐵；機(jī)體；數(shù)值模擬

大機(jī)系列機(jī)型是我公司從德國引進(jìn)的大功率船用柴油機(jī)。機(jī)體是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，缸孔、軸承孔、凸輪軸孔、觀察窗孔等關(guān)鍵部位必須進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

該系列柴油機(jī)最大機(jī)體毛坯重達(dá)20 t，材質(zhì)為QT400-15.該鑄件屬于厚大斷面球鐵類，生產(chǎn)驗(yàn)證過程中機(jī)體的多部位出現(xiàn)夾渣缺陷，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量，具體缺陷見圖1.

1 原因分析

夾渣又稱黑渣、黑斑，是球墨鑄鐵最常見的缺陷[1]，在鑄件中呈現(xiàn)灰褐色，有的大片分布，有的呈斑點(diǎn)狀分布。鑄件出現(xiàn)夾渣類缺陷時(shí)，嚴(yán)重降低鑄件的力學(xué)性能，尤其是延伸率和沖擊韌性。

球墨鑄鐵夾渣分一次夾渣和二次夾渣。一次夾渣是合金熔煉時(shí)或爐前處理不良產(chǎn)生的氧化物、硫化物等非金屬化合物隨鐵水流進(jìn)入型腔內(nèi)所致。二次夾渣是在澆注充型過程中，由于金屬液二次氧化而形成的渣滓。夾渣多數(shù)出現(xiàn)在鑄件的上表面，砂芯的下表面或鑄件的死角處[2]。

圖1 不同部位夾渣缺陷

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)體產(chǎn)生的夾渣缺陷，借助M AGM A軟件對(duì)原工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而查找產(chǎn)生夾渣的根源所在。

圖2為原工藝中鐵水在充型過程中的流場(chǎng)變化。從圖2a）可以看出，在澆注初期鐵水瞬時(shí)流速快，在澆注系統(tǒng)內(nèi)，尤其是內(nèi)澆道附近產(chǎn)生了嚴(yán)重的飛濺裹氣現(xiàn)象。而且內(nèi)澆道位置正沖砂芯底部芯頭，鐵水容易形成紊流，加劇了鐵水飛濺傾向。而圖2b）中顯示，澆注中期澆口箱內(nèi)鐵水飛濺裹氣傾向嚴(yán)重。從圖3充型過程中溫度場(chǎng)的變化可以看出澆注系統(tǒng)對(duì)側(cè)（沒有內(nèi)澆道一側(cè)）的溫度要低得多。而溫度太低，鐵水內(nèi)夾雜物不易上浮，容易導(dǎo)致夾渣缺陷形成。另外由于內(nèi)澆道位置不在澆注狀態(tài)下鑄件的最底部，澆注系統(tǒng)對(duì)側(cè)比內(nèi)澆道低的部位鐵水形成死區(qū)，早期進(jìn)入型腔內(nèi)的鐵水不能充分上浮，容易集中在此處，進(jìn)而形成夾渣缺陷。

圖2 原工藝模擬充型過程-卷氣飛濺趨勢(shì)

圖3 原工藝模擬充型過程-溫度場(chǎng)變化

根據(jù)上述分析結(jié)果確定了缺陷產(chǎn)生的根本原因：（1）鐵水流速快，澆注系統(tǒng)內(nèi)以及澆口箱內(nèi)鐵水飛濺裹氣嚴(yán)重；（2）內(nèi)澆口位置不合理，造成鐵水紊流，進(jìn)一步加劇鐵水飛濺現(xiàn)象；（3）澆口箱內(nèi)一次渣跟流進(jìn)入型腔內(nèi)；（4）澆注溫度低，夾渣不易上浮，滯留在型腔內(nèi)。

由于數(shù)值模擬是基于外界因素理想狀態(tài)下進(jìn)行的，所以除了上面基于“流場(chǎng)理論”分析得出的原因外，以下幾點(diǎn)也可能導(dǎo)致夾渣產(chǎn)生：（a）澆包、澆口箱沒有徹底烘干，包壁氣體壓力高，可能引起耐火材料脫離，同時(shí)溫度降低，熔渣不易上浮。（b）砂芯和鑄型緊實(shí)度差，鐵水容易侵蝕。（c）實(shí)際生產(chǎn)中受澆包和澆口箱尺寸限制，采用兩包澆注。第二包鐵水進(jìn)入澆口箱時(shí)，容易引起鐵水飛濺，從而使上浮在澆口箱內(nèi)鐵水上層的雜質(zhì)跟流進(jìn)入型腔內(nèi)。

2 改進(jìn)措施

基于上述原因，提出了以下解決措施，同時(shí)對(duì)新工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1）改進(jìn)澆注系統(tǒng)，由單側(cè)改為雙側(cè)引進(jìn)鐵水（見圖5、圖6所示的澆注系統(tǒng)），增大了橫澆道和內(nèi)澆道截面積，從而由封閉式改為半開放式澆注系統(tǒng)，鐵水充型平穩(wěn)。

2）偏移內(nèi)澆道位置，避免正沖芯頭，見圖4 b）.

圖4 內(nèi)澆道位置變化

圖5 改進(jìn)后工藝模擬充型過程-卷氣飛濺趨勢(shì)

3）提高澆注溫度，由原工藝的1330℃~1340℃，調(diào)整到1 360℃~1 370℃，便于夾渣上浮。

4）優(yōu)化拔塞方式，澆注時(shí)采用“先拔+后拔”方式，進(jìn)一步控制澆注速度，降低鐵水流速。

5）管控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，對(duì)澆包、澆口箱、型芯等質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)。

從圖5中改進(jìn)后工藝的鐵水流場(chǎng)變化可以看出：鐵水流速降低，上升平穩(wěn)，飛濺、卷氣傾向減小；而且雙側(cè)引進(jìn)鐵水，消除了內(nèi)澆道底部死區(qū)，使得早期進(jìn)入型腔內(nèi)的鐵水能夠充分上浮。從圖6改進(jìn)后工藝鐵水充型過程中溫度場(chǎng)的變化可以看出機(jī)體兩側(cè)同一水平截面上溫度基本相同，改善了原來不均衡的溫度場(chǎng)。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照新工藝組織生產(chǎn)驗(yàn)證20臺(tái)機(jī)體，夾渣缺陷得到有效控制，鑄件合格率100%，機(jī)體質(zhì)量改善效果顯著，機(jī)體通過了機(jī)加工、裝配和考核試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

（1）數(shù)值模擬的應(yīng)用為鑄件缺陷問題的分析解決提供了很好的理論依據(jù)。

圖6 改進(jìn)后工藝模擬充型過程-溫度場(chǎng)變化

（2）夾渣類缺陷通常與氣孔共生，所以工藝設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮排氣問題。

［1］ 徐建林.球鐵件夾渣缺陷形成的影響因素分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2003，26（2）：19-21.

［2］ 陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

Study on Slag Inclusion Defects for Large Ductile Iron Cylinder Block Based on Numerical Simulation

LI Yong-gang，LIU Ji-bo，GEGN Jian-hua，YU Jian-zhong，CHEN Peng
（Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261108，China）

This paper analyzes the root causes of the slag inclusion for the large ductile iron cylinder block using MAGMA simulation analysis software.The corresponding improvement measures have been adopted to optimize the casting process.Through production verification，the slag inclusion defects were effectively controlled and the casting quality was enhanced significantly.And batch and stable manufacturing of the cylinder block has realized.

slag inclusion，nodular cast iron，cylinder block，numerical simulation

TG242

A

1674-6694（2017）04-0027-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.010

2017-02-10

李永剛（1979-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事鑄鐵件鑄造工藝開發(fā)。