基于PROCAST軟件的鑄錠形狀仿真分析

李逸塵，毛寬民

(1.寧夏大學 機械工程學院,銀川 750021;2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢430074)

硅錳合金是一種鐵合金，即鐵為基體，與一種或多種元素組成的合金，常用的鋼與鑄鐵都屬于鐵合金.只不過，目前鋼鐵工業(yè)中，一般還把所有用于煉鋼用的中間合金稱為鐵合金，哪怕金屬中鐵含量并不是最高，甚至有些不含鐵元素.

由于這些合金基本都是煉鋼用的原料，所以鐵合金生產時除了要保證產量，粒度也是一個關鍵.粒度過大或者過小都會導致產品質量不合格.目前，鐵合金生產以及?；闹饕に囉袃煞N，即Blobulator工藝與GRANSHOT金屬造粒工藝[1].這兩種工藝由于都需要讓金屬直接接觸水，因此，又被稱作水?；夹g.

這兩種金屬造粒工藝已經非常成熟，在國內外各大鐵合金生產廠家生產錳鐵、鉻鐵等產品中得到廣泛運用.然而，這兩種工藝并不適合硅錳合金.因為硅錳合金質地較脆，遇水急速冷卻以后很容易碎裂，采用以上兩種工藝無法產出堪用的產品.

在國外，硅錳合金生產主要采用的是水冷銅平臺或者澆鑄機，水冷同平臺結構見文獻[2].

整個鑄造機分3個冷卻臺，第1個臺面為鍛造銅板，第2、3個臺面則為鐵板.因為水冷銅板的冷卻能力強大，因此硅錳合金流到銅平臺末端時已經完全凝固，然后，剛凝固的產品在后面的鐵平臺上被振動破碎開裂成小塊[2].

而我國在硅錳合金生產時，主流方式還是坑池鑄造法，即使用鑄鐵隔墩圍出一個澆鑄池，然后，用天車吊起鐵水包，將扒渣后的液態(tài)硅錳合金緩慢、均勻地澆入澆鑄池中，等到澆鑄池內的金屬完全凝固之后，用天車將隔墩拆除[3]，再用破拆機將整個凝固的金屬塊破碎成小塊，最后用挖掘機將金屬小塊裝車運走.整個硅錳合金的生產工藝流程圖見文獻[3].

至于我國為什么不使用鑄造機，原因如下：一，坑池鑄造工藝簡單，成本較低，設備的制造與維護成本要遠遠低于鑄造機鑄造；二，坑池鑄造的產量并不遜于鑄造機.根據統(tǒng)計，項目來源方的硅錳廠硅錳合金產量為30 t/h，而國外使用鑄造機的企業(yè)，除了日本的部分生產線，其他的產量均達不到這個產量[2].但這種方法有很大的問題，例如，澆注過程飛濺嚴重，澆注現場紊亂; 破碎過程中合金粉化率高，成品在運輸過程中二次變粉的情況較為嚴重，產生大量的回爐碎鐵; 該工藝生產的鐵合金硬度低、偏析嚴重，并且存在縮松和夾渣.綜上所述，現行工藝效率低下并且生產過程中資源浪費十分嚴重[4].

因此，為了響應國家綠色工業(yè)發(fā)展理念，項目方自行設計制造了國產的連鑄?；O備.這種設備主要設計思路依然是傳統(tǒng)的錠模鑄造，但結合了連鑄的生產模式，提高了生產效率，并且讓鑄塊的大小在一定程度上可控.最重要的是，大大減少了破碎次數，減少了浪費.同時，由于是生產線作業(yè)，操作者可以對澆鑄、冷卻、噴漿、預熱等過程進行精確控制，甚至可以進行自動化改裝，節(jié)約人工成本.結構示意圖見文獻[1]，將錠模固定在鏈輪的鏈條上，讓模具隨著鏈輪運動，以經過上漿、澆鑄、冷卻、脫模、破碎等各個步驟.

由于鑄造機的原理是錠模鑄造，因此脫模也是一個必須關注的問題.對于這個問題，項目來源方實驗過多種形狀的鑄錠之后，最終選定了半球體與半球圓柱體作為鑄錠的形狀.

本文就是從鑄錠形狀的角度對鑄造過程進行研究，即以半球體與半球圓柱體這兩種種形狀的鑄錠為基礎，對澆鑄冷卻過程進行仿真分析，為我國的鑄造機提供改進意見.

1 仿真分析

關于仿真研究的方向，由于鑄造機生產的產品是用于鋼鐵冶煉的硅錳合金鑄錠，即對鑄造成品的形狀上的精度要求并不高，只要能按照模具成型就能接受.因此，仿真的主要方向在于鑄錠的產量與質量.

產量方面，首先需要選擇一個合適的澆注速度，考慮到生產效率的問題，這個速度肯定不能小于當前工藝產量的30 t/h，即澆注速度需要大于8.4 kg/s.

而在質量方面，傳統(tǒng)的坑池鑄造中，鑄造這一過程基本不會對金屬質量造成太大的影響，傳統(tǒng)的坑池法冷卻時間將會持續(xù)數小時，冷卻的金屬量也很大，最后還要進行破碎，因此，基本不用考慮縮孔與縮松的問題.但是，使用澆注機卻不同，根據廠方澆注機的設計，機器運行一圈只有7 min，這就意味著金屬鑄錠從澆入模具到最后脫模只有3.5 min，而且，為了提高生產效率，需要采取更加有效的冷卻措施，此時縮孔和縮松就不能完全忽略了，縮孔與縮松在一定程度上會導致鑄錠內氧化物增加、成分偏析等問題，影響鑄錠質量.另外，如果縮孔與縮松過于密集，導致鑄錠內部產生空心，更是極大影響產品質量.因此，為了保證鑄錠的質量，應該關注縮孔與縮松的問題.

根據設計，鑄造機上使用的是H13鋼模具.模具形狀如圖1所示.

如圖1所示，由于鑄模逐級搭接，雖然澆鑄機有一個6°的斜度(可根據需要調整)，但模具的澆注面實際上依然是保持水平的，并且，模具之間以首尾相接的方式，搭接在一起.除了從爐中澆入的金屬之外，多余的金屬還會從上一級模具流入下一級，但根據實踐經驗，為了保證所有型腔都能充分充型，需要多澆入一些金屬.這些多余的金屬一部分流入下一級模具，另一部分則堆積在半球鑄錠上方，形成一層多余金屬層.根據廠方對澆鑄機的使用經驗，最終冷卻時，多余的金屬總會在鑄錠上方形成一層約8 mm左右的多余金屬層.這一層金屬層的作用就和普通鑄造中的澆口是一致的，可以起到一個補縮的作用.

1.1 金屬型澆注仿真

1.1.1金屬型半球體型腔澆注

半球體型腔是目前廠方設計并投入使用的設計，已經投入了生產，但是據操作人員反映，半球體型腔會出現黏模等問題.首先，對半球體型腔模具進行仿真分析.

仿真條件如下：

鑄件材料：按照廠方提供的牌號FeMn65Si17進行設置，為：錳65%，硅17%，碳0.5%，硫0.25%，磷0.1%，鐵17.15%，并以此為成分，通過仿真軟件計算出該成分下硅錳合金的各項性質參數，建立仿真模型.

模具材料：采用永久型，材料選擇熱作模具鋼H13鋼.

模具形狀：由于本次仿真主要是研究凝固狀況，并不需要對應力與微觀結晶等進行分析，因此，金屬流動方向，速度等參數對鑄造結果影響并不大，將三級模型再次簡化為單級模具模型進行仿真，即以圖2的3D模型為模具：這個模具的主要特征就是以11*6排列的共計66個直徑70 mm半球體型腔.

充型速度：通過流體仿真計算，選用22 kg/s.

傾斜角度：0°.

前文已經提到，雖然澆鑄機鏈條與水平面的角度為6°，但是模具實際上是階梯狀搭接在一起，實際上澆注面與地面水平，所以重力角度還是設置為0°.

預熱溫度：500 ℃.

考慮到設備結構以及工作狀態(tài)，已經沒有空間與時間讓模具在電爐上預熱到標準要求的250～300 ℃，因此，一些選擇使用這種設備的廠商將剛出爐的液態(tài)爐渣置入模具中，然后讓設備運行兩圈.根據廠內的實踐經驗，這樣做可以在開始澆鑄前，將模具預熱到500 ℃.

換熱系數：根據生產工藝，模具的冷卻方式為鑄件的上表面進行空冷，對流換熱系數，根據經驗數據，取60 W/(m2·K)，而模具的下表面則進行噴水冷卻，換熱系數取5 000 W/(m2·K).

鑄件與金屬之間，是硅錳合金與熱作模具鋼接觸，而金屬與金屬接觸的換熱系數在1 000～5 000 W/(m2·K)，由于硅錳合金中含硅量較高，根據經驗取值，因此換熱系數選擇1 000 W/(m2·K).

以上條件進行仿真，仿真結果如圖3.

關于縮松與縮孔的孔隙率隨著時間變化的圖像如圖3(b)所示，其中，1號曲線代表第5列第4行型腔上的孔隙率，2號曲線代表鑄件整體孔隙率.

從圖3(a)中可以看出，縮孔與縮松集中在鑄錠的表層，也就是大多集中在10 mm的多余金屬層上了，鑄錠內部質地緊實沒有形成縮孔.而從圖3(b)中可以看見，鑄件的整體孔隙率為0.68%，而以在第5列第4行的型腔為例，也就是縮孔縮松仿真結果云圖中，縮孔縮松體積較大的一個型腔，孔隙率為1.9%，而且基本都處在多余金屬層上.綜上所述，使用半球模具及其配套的澆鑄工藝，縮孔與縮松問題幾乎不會對鑄件質量造成影響.

然后，根據程序計算，以半球及其上方的10 mm金屬層作為整個鑄件，其總體積為12 317 500 mm3，由球體的體積計算公式:V=(4/3)πr3，1個直徑70 mm的半球體積為89 751.7 mm3，總體積為5 923 610 mm3，占整個鑄錠的總體積的48%.

可以看出，金屬層所占的金屬總量甚至比生產出的半球鑄錠還要多.

綜上所述，金屬型半球型腔有其優(yōu)點，那就是縮孔與縮松基本不會影響到鑄件質量，缺點在于，多余金屬層部分金屬質量多，達到了總體積的52%.

1.1.2金屬型半球圓柱體型腔澆注

經過項目方對脫模難度進行實驗，半球圓柱體鑄件比半球體鑄件要好.因此，在本文中對其冷卻過程進行仿真，仿真條件如下：

鑄件材料：依舊是以牌號FeMn65Si17進行設置，通過仿真軟件計算該成分下硅錳合金的各項性質參數的硅錳合金仿真模型.

模具材料：采用永久型，材料選擇熱作模具鋼H13鋼.

模具形狀：半球圓柱體型腔如圖4所示，由一個直徑70 mm半球與一個直徑70 mm和高度25 mm的圓柱組成.

采用簡化的單級模具進行仿真，即以圖5為模具.

這個模具的主要特征就是以11*6排列的共計66個直徑70 mm半球圓柱體型腔.

充型速度：通過流體仿真計算，選用33 kg/s.

傾斜角度：0°.

預熱溫度：500 ℃.

換熱系數：根據生產工藝，模具的冷卻方式為鑄件的上表面進行空冷，對流換熱系數，取60 W/(m2·K)，而模具的下表面則進行噴水冷卻，換熱系數取5 000 W/(m2·K).

同上，鑄件與模具間換熱系數選1 000 W/(m2·K).

以上條件進行仿真，仿真結果如圖6.

關于縮松與縮孔的孔隙率隨著時間變化的圖像如圖6(b)，其中，1號曲線代表第6列第3行型腔上的孔隙率，2號曲線代表鑄件整體孔隙率.

從圖6(a)中可以看出，縮孔與縮松同樣集中在10 mm的多余金屬層上，鑄錠內部質地緊實沒有形成縮孔.而從圖6(b)中可以看出，鑄件的整體孔隙率為0.54%，與半球型腔差不多，而在第6列第2行的型腔，也就是縮孔縮松仿真結果云圖中縮孔縮松體積較大的一個型腔，孔隙率為1.6%.

綜上所述，和半球形鑄件一樣，對半球圓柱體的鑄件總體來說，質量不會被縮孔與縮松現象影響，而且，無論在整體孔隙率還是單個型腔的孔隙率上，半球圓柱體型腔的表現與半球型腔差不多，而且還有些許優(yōu)勢.

然后，根據程序計算，以半球柱鑄錠以及上方的10 mm金屬層作為整個鑄件，這個鑄件的總體積為18 667 444 mm3，由球體的體積計算公式與圓柱體積計算公式，1個半球圓柱體型腔的體積為89 751.7+96 162.5=185 914.2 mm3，半球圓柱體總體積為12 270 337.2 mm3，占整個鑄錠的總體積的65%.

綜上所述，半球圓柱體型腔對于半球型腔來說，孔隙率略微占優(yōu)但差別不大，而且縮孔與縮松都集中在多余金屬層上，鑄錠質量基本不會被縮孔與縮松影響，但是在鑄錠的金屬利用率上，半球圓柱體比半球體型腔高出17%，再加上經過項目來源方實驗，這個形狀在脫模上也比半球型腔有優(yōu)勢.

總的來說，在使用金屬型的條件下，半球圓柱體型腔要整體優(yōu)于半球體型腔的.

1.2 砂型鑄模仿真分析

雖然現在的連鑄?；に囘x用的是金屬型，但是金屬型在實踐中也出現了不少的問題.首先就是成本高，成本高體現在以下兩點：一，制造成本高；二，維護成本高.

制造成本高顯而易見，而維護成本高則主要體現在金屬型很容易出現故障.比如，預熱與澆注這兩道工序中，如果溫度沒有把控好，很容易造成模具開裂或者變形.而金屬模具一旦開裂就得回爐重造甚至報廢，十分浪費.其次，由于熱作模具鋼與硅錳合金都是鐵合金，性質有一定程度的相似.澆注次數多了以后，模具表面會變粗糙，以至于脫模會越來越艱難，同時發(fā)生模具表面燒壞、黏模等現象，并且經過項目方實驗，滑石粉等常規(guī)涂料無法解決這些問題.

因此，參考砂型鑄造生產線的設計思路，本課題組提出了在連鑄粒化設備上使用砂型的可能性.砂型鑄造較金屬型來說有很多優(yōu)勢，根據砂型鑄造工藝，作為一次型，當鑄錠冷卻以后，可以直接破壞性地將鑄錠取出，而剩下的模具則被破碎、清洗、回收，然后再制作新的砂型，投入下一次制造.而且，由于砂型成本低，可以大批量制造，并不需要考慮模具循環(huán)的問題.可以將澆鑄完畢的砂型放置在專門的冷卻室中批量冷卻，甚至讓其自然冷卻，激進一點的話，連冷卻系統(tǒng)都可以省略.

接下來，對砂型模具鑄造進行仿真.

1.2.1砂型半球型腔澆注

仿真條件如下：

鑄件材料：依舊是以牌號FeMn65Si17進行設置，通過仿真軟件計算出該成分下硅錳合金的各項性質參數的硅錳合金仿真模型.

模具材料：采用砂型，材料選擇Resin bonded sand.

模具形狀：與1.1.1節(jié)半球型腔模具方案相同，采用簡化的單級模具進行仿真.

充型速度：22 kg/s.

傾斜角度：0°.

預熱溫度：無預熱，根據工廠場內溫度選擇27 ℃.

換熱系數：根據生產工藝，模具的冷卻方式為鑄件的上表面進行空冷，對流換熱系數取60 W/(m2·K)，而模具的下表面則進行噴水冷卻，換熱系數取5 000 W/(m2·K).

金屬與砂之間的換熱系數在300～1 000 W/(m2·K)，因此，根據經驗取值，在仿真中選擇300 W/(m2·K).

仿真結果如下，最終成型時縮孔縮松如圖7.

關于縮松與縮孔的孔隙率隨著時間變化的圖像如圖7(b)，其中，1號曲線代表第6列第3行型腔上的孔隙率，2號曲線代表鑄件整體孔隙率.

從圖7(a)中可見，如果使用砂型，縮孔與縮松度集中在鑄錠內部，這樣或多或少都會對鑄錠質量產生一定的影響.另外，根據圖7(b)，可以看出，相比金屬型，砂型的孔隙率會有大量提高，整體孔隙率達到了1.8%，而在第6列第3行的型腔，也就是縮孔縮松仿真結果云圖中，縮孔縮松體積最大的一個型腔，孔隙率高達13.5%，在這一方面要大大劣于金屬型.

1.2.2砂型半球圓柱體型腔澆注

之前在金屬型分析中，已經體現了半球圓柱體鑄錠的種種優(yōu)點，接下來，對砂型半球圓柱體型腔進行仿真，仿真條件如下.

鑄件材料：依舊是以牌號FeMn65Si17進行設置，通過仿真軟件計算該成分下硅錳合金的各項性質參數的硅錳合金仿真模型.

模具材料：采用砂型，材料選擇Resin bonded sand.

模具形狀：與1.1.2節(jié)半球圓柱體型腔模具方案相同，采用簡化的單級模具進行仿真.充型速度：33 kg/s.

傾斜角度：0°.

預熱溫度：無預熱，選擇工廠場內溫度27 ℃.

換熱系數：根據生產工藝，模具的冷卻方式為鑄件的上表面進行空冷，對流換熱系數取60 W/(m2·K)，而模具的下表面則進行噴水冷卻，換熱系數取5 000 W/(m2·K).

金屬與砂之間的換熱系數在300～1000 W/(m2·K)，因此，根據經驗取值，在仿真中選擇300 W/(m2·K).

仿真結果如下，最終成型時縮孔縮松如圖8.

關于縮松與縮孔的孔隙率隨著時間變化的圖像如圖8(b)，其中，1號曲線代表第6列第3行型腔上的孔隙率，2號曲線代表鑄件整體孔隙率.

從圖8(a)中可見，半球柱型腔縮松狀況比半球模型更加嚴重.另外，從圖8(b)可以看出，砂型半球形型腔的模具，整體孔隙率倒是有略微下降只有1.7%.但是，在第6列第3行的型腔，也就是縮孔縮松仿真結果云圖中縮孔縮松體積最大的一個型腔中，孔隙率卻更高，高達21.3%，可見半球柱型腔中的縮孔與縮松要更加集中一些.

2 澆鑄實驗

以上的結論僅僅停留在仿真的層面，僅僅算是理論上可行，而且是建立在砂型能夠承受高溫液態(tài)硅錳合金的沖擊而不被沖毀以及變形的前提下得到的.基于此，必須進行實驗驗證，以確保鑄錠確實能在砂型中完好成型.

2.1 實驗設備

1-熔爐；2-澆包；3-如圖9所示的實驗模具(包括砂型，沙箱，鑄鐵擋板)；4-高溫液態(tài)硅錳合金.

型砂采用的水玻璃砂，直徑70 mm半球體型腔，并且將一個600 mm×600 mm×200 mm的大模具成兩次進行實驗，實驗開始前，用鑄鐵板擋住一半的模具.

2.2 實驗過程

模具準備好以后，使用天車吊著澆包將高溫液態(tài)硅錳合金澆注入模具內部.當金屬澆鑄完畢，經過一段時間的冷卻，金屬完全凝固，且溫度降低到人工可以在模具周邊作業(yè)以后，將金屬鑄錠脫模，并清理黏在鑄錠上的型砂，觀察金屬錠成型狀況.

然后冷卻一夜，讓砂型恢復常溫，再進行重復實驗.

2.3 實驗結果

經過兩次澆鑄實驗以后，實驗結果如圖10.

實驗中，兩次實驗，總計24個半球體鑄件全部順利成型，當然，也有些小瑕疵，由于工人的手工澆注不太好控制，部分鑄錠出現脫層現象，以至于其表面不夠光滑，以及人工脫模時用力過猛，導致部分鑄錠開裂，但總的來說，就成型方面來說并沒有什么問題.很明顯，24個鑄錠全部完好地呈現半球體，也并沒有出現因為型腔被金屬沖潰而產生的變形，這證明硅錳合金砂型鑄造完全可行.

2.4 仿真與驗證

接下來為了驗證上文中仿真的準確性，根據實驗時的條件，對實驗進行仿真，仿真條件如下：

鑄件材料：依舊是以牌號FeMn65Si17進行設置，通過仿真軟件計算該成分下硅錳合金的各項性質參數的硅錳合金仿真模型.

模具材料：采用砂型，材料選擇Resin bonded sand.

模具形狀：如圖9.

充型速度：為了盡量模擬澆注時的狀況，如圖11所示，分3次進行澆鑄，首先在2號澆口處以0.48 kg/s的速度澆注11 s，然后在1號澆口處以0.48 kg/s的速度澆注11 s，最后在3號澆口處以0.48 kg/s的速度澆注11 s.

預熱溫度：無預熱，選擇工廠場內溫度27 ℃.

換熱系數：根據生產工藝，模具的冷卻方式為鑄件的上表面進行空冷，對流換熱系數取60 W/(m2·K)，而模具的下表面則進行噴水冷卻，換熱系數取5 000 W/(m2·K).

金屬與砂之間的換熱系數在300～1 000 W/(m2·K)，因此，根據經驗取值，在仿真中選擇300 W/(m2·K).

對縮孔縮松進行仿真，結果如圖12.

為了驗證仿真的準確性，選取不同位置的鑄錠破開，觀察內部組織，如圖13.

可以很清楚地看見，鑄錠內部確實有疏松組織，且位置與仿真結果基本一致，因此，可以判定，前文中的仿真均有一定的可靠性，可以作為參考.

3 結 論

本文對金屬型與砂型條件下的半球體與半球圓柱體型腔澆鑄過程進行了仿真，并且得出了以下結論：

如果使用金屬型，半球圓柱體的型腔明顯表現更好.在總體孔隙率上，半球體型腔為0.68%，而半球圓柱體型腔為0.54%；在單個型腔的孔隙率上，取孔隙率最高的型腔的數據，半球體型腔為1.9%，而半球圓柱體型腔為1.6%；再加上金屬利用效率上的優(yōu)越性，因此可以得出結論，在使用金屬型的情況下，半球圓柱體型腔比半球體型腔更好.

而砂型，則情況較為復雜.半球體型腔與半球圓柱體型腔在澆鑄時，總孔隙率差別不大，半球體型腔為1.8%，而半球圓柱體型腔為1.7%，但是鑄錠中的孔隙率最大的數據，半球體型腔為13.5%，而半球圓柱體型腔則是21.3%.這意味在砂型鑄造的條件下，在半球圓柱體型腔中，縮孔與縮松更加集中在部分鑄錠中，而且可以看到，在那部分鑄錠中縮松明顯大面積集中在鑄錠中央，雖然在仿真中沒有出現空腔，但也不排除在實際生產中，個別鑄錠中央因為實際操作原因，或是生產條件原因而出現空腔的可能.

不過，以上的結論最后還是基于計算機的計算與仿真的結論以及有限的實驗，在仿真中，并不能完全還原生產環(huán)境，為了能夠計算，進行了一些簡化，并采用了一些經驗取值，因此，只能起到一個預測與提示的作用.如果有條件，最終還是要付之于實踐，也只有經過實踐的檢驗，才能將研究成果投入改進與生產.