低壓鑄造機(jī)坩堝式保溫爐熱力耦合分析

池浩田，高 波，安建飛

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

引言

近年來，低壓鑄造技術(shù)在鑄鋁行業(yè)被大量應(yīng)用。低壓鑄造生產(chǎn)的鑄件致密性好、力學(xué)性能高、生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，非常適用于鋁合金工件的加工和生產(chǎn)。低壓鑄造技術(shù)的原理是由液面加壓系統(tǒng)通入保溫爐內(nèi)大約0.3~2.1 bar（30~210 kPa）的惰性氣體或者干燥空氣，使鋁合金液通過升液管自下而上到達(dá)型腔內(nèi)部。待型腔內(nèi)部的鋁合金液凝固時停止加壓，模具與保溫爐之間未凝固的合金液在重力作用下回流到坩堝內(nèi)[1]。但是，目前市面上的低壓鑄造機(jī)所使用的保溫爐有坩堝式保溫爐和熔池式保溫爐兩種。其中，坩堝式保溫爐主要用于熔化熔點(diǎn)較低的有色金屬，如鋁、銅合金等，坩堝內(nèi)的合金液上下層溫度均勻，故而，其在市場的占有率很大。坩堝式保溫爐根據(jù)所用材料的不同又分為石墨坩堝和鑄鐵坩堝、鋼制坩堝爐等類型。石墨坩堝主要用于熔化高熔點(diǎn)的合金，例如銅合金；鋼制坩堝主要用于熔化中低熔點(diǎn)的合金，例如鎂、鋁合金[2]。鑒于企業(yè)主要生產(chǎn)鋁合金類工件，故本論文所設(shè)計的保溫爐為鋼制坩堝保溫爐。但是，鋼材料熱變形系數(shù)大，保溫爐內(nèi)的氣體受熱后進(jìn)一步膨脹，使坩堝內(nèi)的壓力進(jìn)一步增大[3]。故而，通過對保溫爐進(jìn)行熱力耦合分析來計算其所受應(yīng)力值，對提高保溫爐安全性能和加工精度有非常高的工程應(yīng)用價值。同時，對于高溫加工工藝而言，密封工作一直存在著很多困難[4]。但是，如果保溫爐的密封有問題，將直接影響到鑄件質(zhì)量甚至出現(xiàn)工程事故。所以，本文設(shè)計了一種專門應(yīng)用于高溫環(huán)境的密封結(jié)構(gòu)。

1 保溫爐結(jié)構(gòu)設(shè)計

保溫爐是整個低壓鑄造機(jī)較為重要的部件，保溫爐主要由爐體、坩堝、升液管和爐蓋組成。坩堝固定于保溫爐爐體內(nèi)部，然后一并固定于支撐底座上。保溫爐坩堝采用鋼材料，坩堝和爐體之間填充以高強(qiáng)度耐火隔熱材料。加熱方式采用浸入式加熱方法，保溫爐內(nèi)部裝有兩只加熱電偶，通過空氣熱輻射來傳遞熱量以達(dá)到對鋁液加熱保溫的目的。保溫爐整體結(jié)構(gòu)圖如圖1，保溫爐剖視圖如圖2所示，保溫爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 保溫爐整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 保溫爐剖視圖

表1 保溫爐主要參數(shù)

2 保溫爐密封方式

如上所述，低壓鑄造的工作原理是向保溫爐內(nèi)通入惰性氣體或干燥空氣，使坩堝內(nèi)部壓力增大從而使合金液沿升液管自下而上到型腔內(nèi)。所以，坩堝密封性能的優(yōu)劣將直接決定了低壓鑄造工藝能否順利進(jìn)行，從而決定了所生產(chǎn)工件的質(zhì)量和性能。但是，保溫爐內(nèi)的溫度在常溫到720℃之間變化，所以不能采用常規(guī)的密封方法[5]。本文所設(shè)計的保溫爐采用鋼-鋼熱膨脹擠壓的密封方式。在坩堝和爐蓋之間加裝耐高溫石棉圈，由于鋼結(jié)構(gòu)受熱膨脹，故而在鑄機(jī)停產(chǎn)保溫爐未開始工作時，坩堝和爐蓋之間存在間隙；當(dāng)加入金屬液受熱膨脹時，間隙消失，并且將石棉圈壓緊。所以，當(dāng)保溫爐常溫時，間隙應(yīng)當(dāng)適中。若間隙太大，則膨脹后不能使間隙消失，產(chǎn)生爐子漏氣的現(xiàn)象；若間隙太小，膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，易發(fā)生安全事故。坩堝口和爐蓋密封圈之間的間隙大小，需要通過求得材料受熱膨脹尺寸后再確定。

3 圓筒類厚壁零件強(qiáng)度理論計算

桶類零件變形卸載后殘余應(yīng)力計算公式如式：

當(dāng)r≤RA時，

當(dāng)r＞RA時，

式中：RA為自增強(qiáng)半徑，m；RO為坩堝外徑，m；Ri為坩堝內(nèi)徑，m；r為任意半徑，m；K為外、內(nèi)徑的比值；σS為屈服應(yīng)力，MPa；σr為坩堝徑向應(yīng)力，MPa；σθ為坩堝環(huán)向應(yīng)力，MPa；σφ為坩堝經(jīng)向應(yīng)力，MPa。

根據(jù)拉梅公式，在保溫爐內(nèi)最高壓力PW的作用下厚壁圓筒類零件的三向主應(yīng)力計算式為：

由于保溫爐內(nèi)的最高溫度高達(dá)720℃，所以需考慮溫度分布函數(shù)對坩堝壁的作用力，溫度應(yīng)力計算公式為：

最后，通過疊加計算，求得綜合應(yīng)力為：

根據(jù)最大應(yīng)變能理論，厚壁類圓筒零件的等效應(yīng)力計算式為：

由低壓鑄造生產(chǎn)工藝可知，保溫爐內(nèi)的壓力最大為200 kPa，金屬液的溫度720℃。聯(lián)立公式（1）到（6）可對保溫爐坩堝壁進(jìn)行自增強(qiáng)壓力設(shè)計。通過對上述方程聯(lián)立求解可知其為一組超越方程。工程上，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取一定超越應(yīng)變度要求，既事先給定RA的值，然后求得所需的自增強(qiáng)壓力值。為此，本文通過有限元法進(jìn)行熱力耦合計算，以確定保溫爐內(nèi)坩堝所承受最大工作載荷[6]。在此，筆者通過采用計算準(zhǔn)確度在工業(yè)設(shè)計上得到普遍認(rèn)可并被廣泛使用的Ansys workbench有限元分析軟件，對上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解。

4 軟件仿真

4.1 有限元模型的建立

如上所述，保溫爐由外層爐體和內(nèi)層坩堝組成，中間加裝隔熱材料。由于外層的保溫爐爐體溫度限制在60℃以下，所以在軟件仿真分析時將外層爐體去掉，只分析受熱和壓強(qiáng)較大的鋼制坩堝。由保溫爐剖視圖2可知，坩堝的結(jié)構(gòu)、載荷和約束都成對稱分布。由保溫爐參數(shù)表1可知，保溫爐內(nèi)半徑Ri為340 mm，外半徑Ro為350 mm。由上述低壓鑄造工藝可知，根據(jù)鑄件形狀、性能的不同，坩堝內(nèi)最大壓應(yīng)力為210 bar。

根據(jù)國標(biāo)GB150，本文所設(shè)計的保溫爐的坩堝，所使用的鋼在不同溫度時的不同力學(xué)性能如彈性模量E、泊松比μ、屈服應(yīng)力σS、線性膨脹系數(shù)α等見表2。

表2 坩堝材料的力學(xué)性能

工程制造中，為了安全起見，在低壓鑄造沖型過程中要求保溫爐內(nèi)金屬液的量不能超過坩堝總?cè)萘康?/3，故而保溫爐內(nèi)上方空間內(nèi)至少有1/3為空氣。由于保溫爐內(nèi)金屬液的溫度為720℃，根據(jù)熱傳的原理，假定坩堝內(nèi)氣體的溫度也為720℃。

通過軟件，先對坩堝先進(jìn)行熱應(yīng)力計算，然后將所求得的值與應(yīng)力分析工程相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步求得在保溫爐內(nèi)施加沖型壓力時爐壁和爐蓋的受力情況。

4.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過軟件熱力耦合仿真分析，求得了坩堝和爐蓋的最大應(yīng)力和最大變形量，如圖3和圖4所示。為了更直觀地顯示保溫爐密封環(huán)處的變形量，將最大變形量結(jié)果圖剖視觀察，如圖5。

圖3 應(yīng)力（Pa）云圖

圖4 變形（m）云圖

圖5 變形（m）云圖剖視圖

由圖3可知，保溫爐所受最大壓強(qiáng)為2.39×109Pa，最大受力部位為坩堝底部。由圖4可知，保溫爐最大變形部位為爐蓋部位，最大變形量為8.1 mm。由圖5可知，保溫爐密封圈處于最大變形區(qū)間，即當(dāng)保溫爐內(nèi)溫度為720℃時，密封圈處最大變形量為8.1 mm。所以在鑄機(jī)未開始工作保溫爐處于常溫時，坩堝與爐蓋之間的距離應(yīng)至少大于8.1 mm，以免受熱膨脹后出現(xiàn)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使?fàn)t蓋或者坩堝脹裂。

5 保溫爐現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)保溫爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析結(jié)果，按照設(shè)計尺寸加工制作低壓鑄造機(jī)保溫爐的樣機(jī)，坩堝底部在原有設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)之上增加10 mm的厚度。將所制作的樣機(jī)更換于企業(yè)現(xiàn)有的低壓鑄造機(jī)上，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)試驗(yàn)。鑄機(jī)工作過程中，保溫爐密封性能良好，未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。液面加壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)際加壓曲線能夠更準(zhǔn)確地與理想加壓曲線相吻合。

6 結(jié)論

1）設(shè)計了一種低壓鑄造機(jī)坩堝式保溫爐，并借助有限元軟件對其做了熱力耦合分析。得到結(jié)論：當(dāng)向保溫爐內(nèi)倒入金屬液時，坩堝的溫度達(dá)到720℃，所以坩堝及爐蓋受熱應(yīng)力載荷較大。同時，由低壓鑄造的加工工藝可知，充型時需向保溫爐內(nèi)通入干燥氣體，使保溫爐內(nèi)外存在負(fù)壓。當(dāng)空氣熱膨脹時壓力進(jìn)一步升高，使坩堝承受更大的壓力。

2）鑄造機(jī)為高溫作業(yè)器械，密封一直是一大難題。所以又設(shè)計了一種熱膨脹擠壓式密封結(jié)構(gòu)。先通過建立熱力耦合數(shù)學(xué)模型，根據(jù)企業(yè)要求和低壓鑄造工藝限制，設(shè)定了邊界條件，然后通過ansys workbench軟件模擬仿真，確保保溫爐在工程應(yīng)用中強(qiáng)度和密封性能的理論可行性。最終，由分析結(jié)果可知，保溫爐最大受力部位在坩堝底部，設(shè)計時應(yīng)加大坩堝底部厚度；保溫爐密封圈位置的最大變形量為8.1 mm。

3）結(jié)合分析仿真結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸制作低壓鑄造機(jī)保溫爐的樣機(jī)并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，保溫爐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、氣密性良好，實(shí)際加壓曲線與理想加壓曲線得以更精確的吻合。