灰鐵冷型壁厚對離心鑄造軋輥外層凝固影響的數(shù)值模擬

李寶石 武瑞石 吳 昊 胡 兵

(中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北054025)

離心復(fù)合軋輥的生產(chǎn)流程是首先將高合金鋼水澆進(jìn)在離心機(jī)(主要是臥式離心機(jī)和立式離心機(jī))上高速旋轉(zhuǎn)的金屬型內(nèi)腔，離心形成高耐磨性外層，待其完全凝固后停轉(zhuǎn)，合箱頂注高性能的球鐵水與外層進(jìn)行冶金結(jié)合，形成完整的離心軋輥毛坯。外層離心質(zhì)量直接影響著軋輥工作層的使用性能，除離心重力倍數(shù)外，冷型壁厚也是一個關(guān)鍵因素。在澆注過程中離心外層凝固速度變快可以細(xì)化晶粒，改善外層組織，提高軋輥性能。本文通過Procast軟件對不同灰鐵冷型壁厚進(jìn)行模擬，研究外層鐵水凝固速度與冷型壁厚的關(guān)系，以確定最佳冷型壁厚。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

在離心澆注外層時，首先向旋轉(zhuǎn)著的金屬型內(nèi)注入高溫外層鋼水，鋼水在強(qiáng)大離心力作用下凝固，當(dāng)鋼水凝固并冷卻到一定溫度時，金屬型停止轉(zhuǎn)動，整個外層凝固過程結(jié)束。

根據(jù)外層的生產(chǎn)工藝特點，對離心鑄造條件下外層傳熱作如下假設(shè)：

(1)由于軋輥輥身的長度比其直徑要大得多，其比值一般在1/3～1/4之間，可以認(rèn)為外層凝固和冷卻過程中放出的熱量主要是沿金屬型徑向向外散出，以及通過復(fù)合層內(nèi)表面的空氣對流傳熱。而外層兩端通過周圍介質(zhì)的換熱量所占比例非常小，可將其忽略不計，即外層兩端作為絕熱條件處理。

(2)金屬型外表面的換熱是在其高速旋轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行的，可把外表面上各點的換熱條件都看作一樣，金屬型與外層的溫度場均呈軸對稱分布。

(3)由于強(qiáng)大的離心力作用，外層與金屬型始終處于緊密接觸狀態(tài)，外層與金屬型接觸界面僅考慮涂料的熱阻效應(yīng)。

(4)由于鋼水注入金屬型幾乎是瞬時完成，而此時金屬型和外層的內(nèi)部溫度都是均勻分布的，因此設(shè)定金屬型初始溫度為預(yù)熱溫度，外層初始溫度為澆注溫度。

(5)考慮材料熱物性隨溫度變化，外層凝固潛熱用等效比熱法處理，凝固潛熱在固液相線溫度之間呈二次函數(shù)規(guī)律釋放。

根據(jù)以上假設(shè)，可以導(dǎo)出金屬型和外層溫度場的數(shù)學(xué)模型：

(在凝固層中)

式中，ρm、ρc分別為金屬型和外層材料的密度，單位為kg/m3；cm、cc分別為金屬型和外層材料的比熱，單位為kJ/(kg·K)；km、kc分別為金屬型和外層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；L為外層的凝固潛熱，單位為kJ/kg；fc為外層的凝固固相分?jǐn)?shù)。

初始條件：

T(x，y，0)=Tm(金屬型中)

T(x，y，0)=Tc(外層中)

式中，Tm、Tc分別為金屬型預(yù)熱溫度和外層鋼水澆注溫度。

2 實體造型和網(wǎng)格剖分

若要進(jìn)行三維充型凝固過程數(shù)值模擬，首先需要鑄件的幾何信息，具體地說是要根據(jù)二維鑄件圖形成三維鑄件實體，然后再對鑄件實體進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分以得到計算所需的網(wǎng)格單元幾何信息。

利用市場上成熟的造型軟件UG進(jìn)行鑄件鑄型實體造型，然后讀取實體造型后產(chǎn)生的幾何信息文件，利用Procast對實體造型鑄件進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，剖分后的網(wǎng)格信息包括單元尺寸和單元材質(zhì)標(biāo)識。三維充型網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 三維充型網(wǎng)格劃分Figure 1 3D filling mesh division

3 冷型壁厚對軋輥外層凝固速度的影響

離心軋輥工作層材質(zhì)根據(jù)各熱軋線的機(jī)架布置、軋制效率及板材質(zhì)量等不同需求，主要有高鎳鉻、高鉻鐵、高鉻鋼及高速鋼等幾種主要材質(zhì)，其中高速鋼軋輥由于具有更高的耐磨性及板材表面質(zhì)量保持能力，正在逐步替代高鉻鐵軋輥，本次數(shù)值模擬實驗主要針對高鎳鉻、高鉻鐵和高鉻鋼等三種主要軋輥進(jìn)行研究。

3.1 灰鐵冷型對高鎳鉻外層凝固速度的影響

利用Procast軟件，外層澆注高鎳鉻鐵水，冷型內(nèi)腔尺寸730 mm×3050 mm，設(shè)計厚度90 mm，石英粉涂料厚度1.5 mm。

邊界條件設(shè)定為：澆注溫度1360℃，冷型模溫150℃。

3.1.1 采取不同冷型外壁厚度進(jìn)行模擬分析

冷型外壁厚度分別為50 mm、100 mm、150 mm、250 mm、300 mm時，模擬鐵水澆注厚度50 mm處的外層凝固速度。通過模擬分析得出的結(jié)果見圖2。

1—50 mm 2—100 mm 3—150 mm 4—250 mm 5—300 mm圖2 不同冷型外壁厚度下的高鎳鉻凝固速度Figure 2 Solidification rate of high Ni-Cr under different wall thickness of cold mold

由圖可知，冷型厚度為150 mm時，鐵水澆注厚度50 mm處的前期凝固速度最快，不同冷型厚度其鐵水凝固速度趨勢為150 mm>300 mm>250 mm>100 mm>50 mm。

3.1.2 采取冷型壁厚遞增20 mm的樣本進(jìn)行模擬分析

對100～230 mm冷型壁厚區(qū)域進(jìn)行模擬，以冷型壁厚遞增20 mm為樣本，模擬冷型壁厚為100 mm、130 mm、150 mm、170 mm、190 mm、210 mm、230 mm時，采用和上一個模擬同樣工藝、澆注參數(shù)的外層凝固速度，模擬結(jié)果見圖3。

通過模擬分析可知在凝固前期，鐵水澆注厚度50 mm處，不同冷型壁厚的鐵水凝固速度趨勢為150 mm>170 mm>130 mm>190 mm>210 mm>230 mm>100 mm，鐵水凝固速度在冷型厚度150 mm時最快。

3.1.3 采取冷型壁厚遞增10 mm的樣本進(jìn)行模擬分析

(1)為了進(jìn)一步確定冷型壁厚，可選擇模擬110～200 mm冷型壁厚區(qū)域?qū)ν鈱幽趟俣鹊挠绊懀岳湫捅诤襁f增10 mm為樣本，即冷型壁厚為110 mm、120 mm、130 mm、140 mm、150 mm、160 mm，170 mm、180 mm、190 mm、200 mm，模擬結(jié)果見圖4。

1—100 mm 2—130 mm 3—150 mm 4—170 mm5—190 mm 6—210 mm 7—230 mm圖3 冷型壁厚遞增20 mm的高鎳鉻凝固速度Figure 3 The solidification rate of high Ni-Cr with increasing wall thickness by 20 mm in cold mold

圖4 冷型壁厚遞增10 mm的高鎳鉻凝固速度Figure 4 The solidification rate of high Ni-Crwith increasing wall thickness by 10 mm in cold mold

通過模擬分析可知在凝固前期，在鐵水澆注厚度50 mm處，不同冷型壁厚的鐵水凝固速度趨勢為160 mm>150 mm>140 mm>170 mm>130 mm>180 mm>120 mm>190 mm>200 mm>110 mm>100 mm，鐵水凝固速度在冷型厚度160 mm時最快。

(2)通過對模擬數(shù)據(jù)的分析，為了更好地反映冷型壁厚對凝固速度的影響，提取外層凝固時間為100 s、200 s、300 s、400 s、500 s、600 s時的不同冷型壁厚條件下的鐵水溫降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，在鐵水凝固過程中，冷型壁厚為160 mm處鐵水凝固速度最快，其鐵水溫降速度逐步上升，160 mm冷型壁厚為凝固速度峰值，隨厚度遞增和遞減其溫降都變慢，厚度遞減其溫降速度相對遞增快些。

冷型設(shè)計時不僅有主要輥身區(qū)，還有鍵槽、凹槽以及加強(qiáng)箍等，其設(shè)計厚度大小不均，因此設(shè)計冷型壁厚時可參考模擬結(jié)果，壁厚在140～160 mm時的凝固速度都較快，可確定冷型壁厚為140～160 mm區(qū)間不僅可保持較快的凝固速度，而且便于實際現(xiàn)場操作。

3.2 灰鐵冷型對髙鉻鐵外層凝固速度的影響

利用Procast軟件，外層澆注髙鉻鐵材質(zhì)鐵水，冷型內(nèi)腔尺寸890 mm×3150 mm，設(shè)計厚度95 mm+38 mm，鋯英粉涂料厚度1.5 mm。

初始條件設(shè)定為：澆注溫度1450℃，冷型模溫150℃。

通過前期模擬結(jié)果確定模擬不同冷型壁厚100～200 mm(遞增10 mm)對外層凝固速度的影響，即100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm、150 mm、160 mm、170 mm、180 mm、190 mm、200 mm。通過軟件模擬得出結(jié)果見圖5。

圖5 不同冷型壁厚對髙鉻鐵外層凝固速度的影響Figure 5 The effect of different cold mold wall thicknesseson the solidification rate of the outer layerof high chromium iron

通過數(shù)據(jù)對比，通過模擬分析可知在凝固前期，鐵水厚度在50 mm處，不同冷型壁厚的鐵水凝固速度趨勢為：160 mm>150 mm>140 mm>170 mm>130 mm>180 mm>120 mm>190 mm>200 mm>110 mm>100 mm，鐵水凝固速度在冷型厚度160 mm時最快。

3.3 灰鐵冷型對髙鉻鋼外層凝固速度的影響

利用Procast軟件，外層澆注髙鉻鋼鐵水，冷型內(nèi)腔尺寸1250 mm×2260 mm，設(shè)計厚度105 mm，鋯英粉涂料厚度1.5 mm。

初始條件設(shè)定為：外層澆注溫度1450℃，冷型模溫150℃。

通過前期模擬結(jié)果確定模擬不同冷型壁厚100～200 mm(遞增10 mm)對外層凝固速度的影響，即100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm、150 mm、160 mm、170 mm、180 mm、190 mm、200 mm。通過軟件模擬得出結(jié)果見圖6。

圖6 不同冷型壁厚對高鉻鋼外層凝固速度的影響Figure 6 The effect of different cold mold wall thicknesseson the solidification rate of the outer layerof high chromium steel

通過數(shù)據(jù)對比分析可知在凝固前期，鐵水厚度50 mm處，不同冷型壁厚的鐵水凝固速度趨勢為160 mm>150 mm>140 mm>170 mm>130 mm>180 mm>120 mm>190 mm>200 mm>110 mm>100 mm，鐵水凝固速度在冷型厚度160 mm時最快。

4 冷型壁厚對芯部凝固速度的影響

離心復(fù)合軋輥最終是通過高合金外層與球鐵芯部靜態(tài)冶金復(fù)合而成，其芯部澆注界面為芯部—外層—涂料—冷型，通常認(rèn)為冷型壁厚對芯部凝固速度影響較小。本次數(shù)值模擬也對冷型壁厚對芯部凝固速度的影響進(jìn)行了測算，具體數(shù)據(jù)如下：選用內(nèi)腔直徑為890 mm×3150 mm冷型，外層厚度130 mm，芯部澆溫1390℃，模擬冷型壁厚為100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm時的芯部凝固速度，模擬結(jié)果見表1。

表1 冷型壁厚對芯部凝固速度的影響Table 1 Influence of wall thickness of cold mold on solidification rate of core

冷型壁厚變化對芯部凝固速度影響很小，隨著冷型厚度變大，凝固速度也逐步變大，但影響值很小。

5 結(jié)論

通過對三種材質(zhì)的冷型壁厚對外層凝固速度影響的模擬，外層冷型壁厚160 mm時外層凝固速度最快，冷型壁厚為140～160 mm時外層凝固速度較快，可作為冷型設(shè)計參考。冷型壁厚對芯部凝固速度影響較小，具有凝固速度隨冷型厚度變化而不斷變化的趨勢，但影響很小。