125t精煉爐及其設(shè)備設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案分析

許亞剛

（中冶陜壓重工設(shè)備有限莊里分公司，陜西 渭南 711711）

在一些大型的金屬煉制生產(chǎn)加工中需要使用大型模具作為坯料，大型金屬煉制的設(shè)計(jì)生產(chǎn)加工的質(zhì)量將直接影響到大型鍛件的質(zhì)量，影響到一些重大裝備的整體性能。因此在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中需要加強(qiáng)對(duì)模具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決當(dāng)前大型金屬模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)中存在的缺陷，從而提升我國(guó)整體工業(yè)生產(chǎn)水平。

1 125t精煉爐的設(shè)計(jì)分析

在對(duì)125t精煉爐進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要把握其中的一些關(guān)鍵性參數(shù)和信息，然后對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，才能夠有效保證其最終的設(shè)計(jì)加工質(zhì)量，保證最終得到的金屬煉制滿足實(shí)際使用需求。

（1）對(duì)精煉爐的形狀進(jìn)行確定。精煉爐的外觀形狀是設(shè)計(jì)工作中首先需要進(jìn)行確認(rèn)的一點(diǎn)。如果只從鍛制的角度來(lái)進(jìn)行分析，在精煉爐設(shè)計(jì)中是一個(gè)圓筒形的爐體，但是在此種結(jié)構(gòu)形體之下，在爐體上配置有2～4個(gè)風(fēng)管、一個(gè)爐口和一個(gè)出銅口，可作360°回轉(zhuǎn)[1]。如果生產(chǎn)制作一些金屬煉制，傳熱慢帶來(lái)的影響可能較小，不會(huì)影響到最終精煉爐的加工質(zhì)量，但是在面對(duì)大型的金屬煉制生產(chǎn)加工時(shí)，其帶來(lái)的影響將會(huì)較大，因此，在確定其形狀時(shí)選擇多角的棱柱體形式，其棱角個(gè)數(shù)最好設(shè)置在16個(gè)以上。

（2）確定精煉爐的高寬比。在精煉爐設(shè)計(jì)中爐身的高寬比也是必須進(jìn)行設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。爐身的高寬比主要指的是爐身高度與爐身中部位置之間的比值，在對(duì)125t精煉爐進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果將精煉爐的高寬比設(shè)置越大，則意味著爐身的外觀更加的細(xì)長(zhǎng)。此時(shí)125t級(jí)精煉爐的表面會(huì)有更大的散熱面積，在進(jìn)行金屬煉制的過(guò)程，其表面的結(jié)晶速度相對(duì)而言會(huì)更快，因此在此過(guò)程中產(chǎn)生的偏析會(huì)顯得更少[2]。但是其存在的缺陷也較為明顯，高寬比數(shù)值越大表示爐身的高度越高，此時(shí)煉制過(guò)程中產(chǎn)生的氣體和雜物較難上浮，無(wú)法順利的將其排出，而且金屬還有較大的可能出現(xiàn)縱向熱裂紋，對(duì)最終成型質(zhì)量造成十分嚴(yán)重的影響。但是在設(shè)計(jì)時(shí)將高寬比數(shù)值設(shè)定過(guò)小，也會(huì)引起成分偏析情況加重，也同樣會(huì)影響到最終的質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)125t精煉爐時(shí)，通常將爐身高寬比數(shù)值設(shè)定在1.7～2.1之間，平均取值維持在1.9左右。

（3）確定爐身的錐度。為了讓設(shè)計(jì)生產(chǎn)完成的125t精煉爐順利脫模，在設(shè)計(jì)中需要讓爐身保持一定的錐度，考慮到爐身的致密度問(wèn)題，在進(jìn)行錐度設(shè)計(jì)時(shí)通常采用倒錐度設(shè)計(jì)方式，選用上大下小的形狀。如果只從脫模的角度來(lái)考慮爐身的錐度，只需要將其錐度設(shè)置為1%～1.5%就能夠?qū)崿F(xiàn)。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮到減慢爐身的上部區(qū)域的凝固速度，往往會(huì)適當(dāng)增加爐身的錐度，尤其是面對(duì)125t級(jí)大型爐身設(shè)計(jì)加工時(shí)，綜合各方面因素考慮，常將其錐度設(shè)置到5%左右。

（4）確定爐身的頭部、尾部設(shè)計(jì)。對(duì)于爐身的頭部設(shè)計(jì)主要需要對(duì)爐身的帽容比計(jì)算來(lái)進(jìn)行確定，為了能夠平衡各方面因素帶來(lái)的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中通常將爐身的帽容比設(shè)定在15%～18%范圍之內(nèi)，并對(duì)絕熱板的厚度做出有效選擇，根據(jù)爐身級(jí)別不同，取值范圍為50mm～80mm。對(duì)于精煉爐尾部的設(shè)計(jì)主要制作成為錐臺(tái)形，使金屬在煉制的過(guò)程中能夠平穩(wěn)的上升，有助于提升爐身尾部表面的質(zhì)量。除此之外，考慮到爐身的脫模問(wèn)題，精煉爐的頭部直徑應(yīng)當(dāng)與尾部直徑相差60mm以上。

（5）確定爐身的轉(zhuǎn)角半徑。所謂轉(zhuǎn)角半徑主要指的是爐身兩相鄰邊形成的弧形半徑，通過(guò)將相交邊設(shè)置成為弧形，能夠有效避免其出現(xiàn)角部裂紋，通常在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)角半徑數(shù)值為30mm～50mm之間。

2 125t級(jí)爐身模具的設(shè)計(jì)分析

通常對(duì)精煉爐的設(shè)計(jì)主要可以分為兩個(gè)部分來(lái)完成，分別對(duì)爐身結(jié)構(gòu)和爐身厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面對(duì)其具體設(shè)計(jì)展開(kāi)探討。

（1）精煉爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。精煉爐結(jié)構(gòu)通常可以分為兩種：整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)。其中整體式結(jié)構(gòu)常常被用在一些較小的金屬加工生產(chǎn)之中，而對(duì)于125t精煉爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都采用分體式結(jié)構(gòu)，將爐身和底盤(pán)制作成為兩個(gè)單獨(dú)的部分，這樣的設(shè)計(jì)方式相較于整體式結(jié)構(gòu)有著較多的優(yōu)點(diǎn)：①降低爐身生產(chǎn)制作的難度和成本，提升爐身生產(chǎn)制作的效率；②在爐身生產(chǎn)加工過(guò)程中，尾部區(qū)域的工作環(huán)境最為惡劣，也是實(shí)際澆鑄過(guò)程中最為容易出現(xiàn)損壞的區(qū)域，將此部分單獨(dú)進(jìn)行制作，出現(xiàn)損壞后能夠更加容易替換，進(jìn)而降低精煉爐生產(chǎn)成本；③在該種結(jié)構(gòu)下能夠更為容易清除精煉爐內(nèi)部的殘?jiān)?，提升金屬煉制生產(chǎn)加工的質(zhì)量。

（2）精煉爐壁厚度設(shè)計(jì)。在對(duì)精煉爐壁厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要需要考慮爐身的穩(wěn)定性和強(qiáng)度兩個(gè)方面的條件，保證爐身在完成使用之后不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的變形。然后以此作為基準(zhǔn)條件，降低爐身的厚度。較小的爐身厚度不僅能夠節(jié)省模具制造所需材料，而且更有助于金屬煉制的散熱，縮短其冷卻的時(shí)間。從目前的實(shí)際設(shè)計(jì)情況來(lái)看，對(duì)于模具厚度的確定還沒(méi)有明確的公式和理論，我們?cè)趯?duì)爐身厚度進(jìn)行確定時(shí)主要依據(jù)爐身和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)完成。首先對(duì)于精煉爐的重量通常設(shè)置為鋼錠重量的1.1～1.2倍之間，在明確需要煉制金屬的重量之后，再以此計(jì)算出爐身的平均厚度。

3 125t精煉爐及其設(shè)計(jì)優(yōu)化方案探討

大型的精煉爐生產(chǎn)加工有著更多的影響因素，這些影響因素將可能造成最終生產(chǎn)出來(lái)的爐身重量與設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大的差異，影響到后期對(duì)爐身的有效使用，而且大型精煉爐生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制也更難。如果設(shè)計(jì)中某個(gè)小的環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能會(huì)對(duì)最終的加工質(zhì)量和加工精度造成較大的影響。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，在完成各部分設(shè)計(jì)工作之后，需要應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的電腦軟件進(jìn)行仿真加工制作，如：ProCAST、AFS Solidification system、Flow-3D、FIDAP等軟件，通過(guò)這些軟件能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)制作過(guò)程展開(kāi)模擬，然后找出其中存在著的缺陷問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)方案做進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，125t精煉爐設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，其中涉及到的影響因素較多，需要設(shè)計(jì)人員具備較為充分的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其中一些關(guān)鍵性參數(shù)加以妥善的處理，這樣才能夠有效提升最終設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)工作中還需要善于對(duì)各類型設(shè)計(jì)仿真軟件的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，找出設(shè)計(jì)方案中存在著的缺陷，然后對(duì)自身的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，才能夠更好的提升其科學(xué)性和合理性。