（材料加工工程专业论文）离心铸造复合轧辊的凝固过程模拟.pdf

摘要 摘要 离心铸造复合轧辊外层采用卧式离心铸造，芯部采用重力铸造，成品经探伤发 现存在缩松。本课题运用p r o c a s t 软件对复合轧辊铸造过程进行模拟，并进行工艺 优化。 p r o c a s t 离心铸造模块是针对立式离心铸造开发的，不能直接用于卧式离心铸 造。通过分析两种离心铸造的充型特点、受力情况、流场计算模型和凝固时的收缩 特点，创造性地提出卧式离心铸造的模拟方法：建模时不建立浇注系统、浇口设置 在轧辊外层内表面、旋转轴与重力方向垂直、关闭缩松模型。结果表明，充型及；疑 固过程与实际一致。芯部重力铸造过程模拟时，将外层温度场导入作为初始温度条 件，实现了两种工艺在软件中的衔接。 在模拟时，界面换热系数为关键参数，本文首次提出采用逆验证法确定其数值。 即选用不同的界面换热系数进行模拟，将模拟得到的凝固时间、指定点温度、缩孔 缩松位置和大小等与实际进行对比，当两者一致时对应的界面换热系数确定为正确 值。用此方法确定了五种界面的换热系数。 通过分析，选择了浇注温度、浇注速度、冒口大小及其保温措施、砂型厚度等 工艺参数作为优化对象。模拟结果表明：在12 7 0 13 2 0 之间适当降低浇注温度， 缩松体积减小；浇注时f b j 在6 0 1 5 0 s 范围对缩松影响不明显；冒口处缩松随冒口高 度的增加位置上移，上辊颈工作部分铸件致密；使用保温冒口，并减小底部砂型厚 度，缩松向冒口移动，底部缩松位置下移，利于轧辊质量的提高。 关键词离心铸造；复合轧辊；凝固；数值模拟；p r o c a s t 河北科技大学硕十、伊论艾 = = = = = # # = = = ；= = ；= g ；= ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = 自 a b s t r a c t t h e0 u t e rl a y e ro fac e n t r i f u g a lc a s t i n gc o m p o u n dr o l l i sf o n n e db yh o r i z o n t a l c e n t “f u g a lc a s t i n ga n dt h ec o r ep a r tb yg r a v i t yc a s t i n g s h r i n k a g ep o r o s i t yi sf b u n di nt h e m i d d l eo ff i n i s h e dp r o d u c t i nt h i st h e s i s ，t h ec a s t i n gp r o c e s so fc o n l p o u n dr o l l w a s s i m u l a t e da n dt h ep a r a m e t e r so fc a s t i n gw e r eo p t i m i z e db yu s i n gp r o c a s t - t h ec e n t r i f u g a lc a s t i n gm o d u l eo fp r o ( ：a s ti sd e v e l o p e df 6 rv e r t i c a lc e n t “f h g a l c a s t i n ga n dc a n n o tb eu s e di nh o r i z o n t a lc e n t r i f u g a lc a s t i n gd i r e c t l y t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt w oc e n t r i f u g a lc a s t i n gc o n t a i n i n gf i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f o r c e ，f l o w i n gf i l e d c a l c u l a t i o nm o d e la n ds h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l i d i f i c a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d an e w m e t h o dw a sp u tf o n 】l ，a r dc r e a t i v e l yt os i m u l a t et h ef j l l i n ga n ds o l i d i f i c a t j o no fh o r i z o n t a l c e n t r i f u g a lc a s t i n g t h em e t h o di st h a tn op o ur i n gs y s t e mw h e nb u i l d i n g3 dm o d e l ，g a t e s e t t j n ga st h ei n n e rs u r f a c eo fo u tl a y e ro ft h er o l l e r p e 叩e n d i c u l a rt ot h ea x i so fr o t a t i o n a n dg r a v i t yd i r e c t i o n ，t h es h r i n k a g em o d e lb e i n gs h u td o w n i ti ss h o w e dt h a tt h ef i l li n g a n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s sw e r ei na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h eo u tl a y e r t e n l p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni si m p o n e da st h ei n i t i a lt e n l p e r a t u r ew h e nt h ec o r ep a r tg r a v i t y c a s t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e d ，s ot h a tt h et w ok i n d st e c h n o l o g yl i n k e du pt h r o u g ht h e s o f t w a r e t h er e v e r s ea u t h e n t i c a l i o nm e t h o di sp u tf o n ，a r df o rt h ef i r s tt i m ei no r d e t t o d e t e 珊n i n et h ev a l u eo fi n t e _ c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw h i c hi st h ek e yp a r a m e t e ro ft h e s i m u l a t i o np r o c e s s i ti st h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n c l u d i n gs o l i d i f i c a t i o nt i m e ，d i f f e r e n t p o j n t st e m p e r a t u r ea n dl o c a t i o na n ds i z eo ft h es h f j n k a g ep o r o s i t yh a v ec o m p a r e dw i t h t h ea c t u a lp r o d u c t i o n w h e na l lo ft h e ma r ec o n s i s t e n t ，t h ec o r r e s p o n d i n gi n t e i f a c eh e a t t r a n s f e rc o e 施c i e n ti sd e t e r 】m i n e d a st h ec o r r e c lv a l u ea n df j v ei n t e r f a c eh e a tt r a n s f 色r c o e f f i c i e n t sh a v eb e e nd e t e m l i n e db yt h i sw a y c a s t i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gp o u r i n gt e n l p e r a t u r e ，p o ur j n gs p e e d ，t h es i z ea n di t s i n s u l a t i o nm e a s u r e so ft h er i s e ra n dt h es a n dt h i c k n e s sw e r es e l e c t e da st h eo p t i m u m o b j e c t s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o w e rp o u r i n gt e m p e r a t u r ea p p r o p r i a t e i y b e t w e e n1 2 7 0 一1 3 2 0 c a nd e c r e a s et h es h r i n k a g ev o l u m e ，b u tt h ep o u r i n gt i m ei n 6 0 1 5 0 se f f e c to nt h es hr i n k a g ej sn o to b v i o u s t h el o c a t i o no fs h r i n k a g ei n t h e “s e r m o v e su pa l o n gw i t ht h eh e i g h ti n c r e a s eo ft h er i s e rs 0t h a tt h ew o r kp a r to fu p p e rr o n n e c kc a ng e td e n s ec a s t i n g s u s i n ga ni n s u l a l i n gr i s e ra n dr e d u c i n gt h et h i c k n e s so ft h e s a n da lt h eb o t t o mm a d et h es h r i n k a g em o v i n gt or i s e ra n dt h es h r i n k a g ep o s i t i o nm o v i n g i l a b s i r a c t d o w ni nt h eb o t t o m ，w h i c hc o n d u c i v et oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o m p o u n dr o l l s k e yw o r d sc e n t r i f u g a lc a s t i n g ：c o m p o u n dr o l l ；s 0 1 i d i f i c a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p r o c a s t 第1 章绍论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 中国钢铁行业的迅猛发展，使钢铁产量每年以极高速度快速增长i 。进入2 1 世 纪以后，钢铁年平均增量达到44 7 7 4 万吨，2 0 1 1 年钢铁产量达到6 9 5 5 亿吨，位居 全球第。钢铁产量增加的同时，各类现代化轧钢生产线的建成投产和钢材品种结 构的不断优化，使得轧辊的总需求量大幅度提升。轧辊是轧机的主要零件之一，其 性能与质量的好坏关系到轧钢的生产成本，而且在很大程度上影响到轧材质量，其 消耗成本约为轧钢生产成本的5 1 5 。目前国内高端轧辊的生产、研究和制造水 平进程加快，但是与发达国家相比，仍然存在较大差距，轧辊的辊耗较高。因此研 究制造新型轧辊材料及其制造方法，改善现有轧辊质量、延长轧辊使用寿命，对提 高轧机工作效率和降低轧钢成本具有非常重要的意义i z j 。 铸造轧辊已经由过去采用砂型浇注单一材质及半冲洗、全冲洗浇注复合材质的 制造工艺，发展到复合铸造轧辊。复合铸造轧辊改变了整体轧辊存在硬度与韧性不 能同时提高的矛盾，可生产铸钢轧辊和铸铁轧辊。离心铸造复合轧辊主要优势在于 外层和芯部采用不同的材质，辊身外层耐磨、高硬度和抗热裂性好，芯部和辊颈强 度高、韧性好和抗折断性能高，解决了单一材质轧辊耐磨性和韧性的矛盾p j 。复合铸 造轧辊一般由两层到三层金属复合而成，外层金属一般选用高铬铸铁、高速钢、低 合金高速钢、无限冷硬铸铁、硬质合金等，内层金属和辊颈部分一般选用球墨铸铁、 灰铸铁和锻钢等，为了改善结合层之间质量，可在浇注过程中添加中间层为过渡金 属层，保证轧辊在整个生产使用过程中不出现内外层分离剥落的现象，实现金属层 之间良好的冶金结合1 4 j 。 计算机技术的发展和数值模拟技术在铸造行业的应用越来越广泛，以及 c 如c a e c a m 一体化技术的实现，使得铸造行业越来越重视铸造c 址软件在铸件 凝固过程中的应用【5 1 。自从2 0 世纪8 0 年代以来，各国对铸件凝固模拟开展了研究，并 举行了多届凝固模拟的铸造会议，有关凝固过程中温度场的模拟技术已经成熟，并 应用到了实践当中。运用数值模拟技术可有效地预测铸件凝固过程中有可能发生的 缺陷位置和大小，帮助工艺人员进行修改直到满意为止，有效缩短了试制周期，降 低生产成本。铸造过程的计算机仿真技术已被国际公认为材料科学的前沿领域，也 是改变铸造行业的必由之引6 i 。 某公司生产的离心铸造复合轧辊，轧辊外层为高镍铬无限冷硬铸铁，轧辊芯部 为球墨铸铁，主要用于热轧机精轧架后段，要求轧辊具有高硬度、耐磨损、耐压痕、 可北科技大学硕十学f 寸论文 抗剥落和抗热裂等性能。生产工艺为在卧式离心机上浇注外层，芯部采用顶注法重 力铸造，轧辊成品经超声波探伤发现辊身内部存在缩松缺陷。囚此需要对现有的工 艺进行改进，以期减小和消除辊身内的缩松缺陷。传统改进工艺一般采取反复试浇 法，经过反复的浇注确定最终的工艺参数，直到满意为止，不仅浪费材料而且生产 周期较长。计算机数值模拟技术的发展使工艺人员可以借助软件进行铸造过程仿真 模拟，鉴于此，对现有的工艺进行改进，优化工艺参数。 1 2 复合轧辊制造方法 轧辊按工艺方法可分为铸造轧辊和锻造轧辊两大类，铸造轧辊又包括铸钢和铸 铁轧辊。铸铁轧辊按材质可分为普通铸铁轧辊、高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊、高 铬复合铸铁轧辊和合金球墨铸铁轧辊四大类。现有的制造复合铸造轧辊的方法包括： 离心铸造法、连续浇注外层法( c o n t i n u 叫sp o u r i gp r o c e s sf o rc l a d d i n g ，简称c p c ) 、 电渣重熔法( e l e c t r o s l a gc l a d d i n g ，简称e s r ) 、喷射成型法( s p r a y ) 、液态金属电渣熔 接法( e s s l m ) 、粉末冶金+ 热等静压法( h o l i s o t h e m a lp r e s s ur e ，简称h i p ) 和机械组合 法等【7 1 。 1 2 1 离心铸造法 离心铸造法是在铸型高速转动的情况下，将外层金属液沿浇注系统浇入铸型， 待该层金属凝固到一定的温度，再将：签部金属液浇入到外层金属内，冷却凝固厉即 可得到离心铸造复合轧辊。其优点为：金属液利用率显著提高，降低成本：节约大 量合金材料；明显改善轧辊表面质量，外层组织晶粒细小致密度高、几乎没有铸造 缺陷。提高轧辊的机械性能，延长了离心铸造复合轧辊的寿命i 引。离心铸造复合轧辊 主要采用卧式( 水平) 离心铸造、立式离心铸造和斜式离心铸造三种方法( 见表1 1 ) 。 表1 1离心铸造复合轧辊方法 第1 章绪论 辊身较长时，采用立式容易使外层厚度不均，而直径小的轧辊采用较高转速的 卧式生产，辊身容易开裂，所以各有优缺点，斜式兼有两者的优点。我国主要采用 卧式和立式两种，斜式应用较少。近年来离心铸造复合轧辊已形成高合金化的发展 趋势。虽然离心铸造复合轧辊具有优良的性能，但依然存在一些问题：一是高合金 钢容易在离心铸造中产生偏析，降低组织和成分的均匀分布；二是结合层易产生夹 杂、气孔和裂纹缺陷，辊身内部和辊颈部位出现不同程度的缩孔缩松，内外层结合 强度下降；三是两种金属的结合部位易出现石墨畸形及碳化物偏析，结合层韧性下 降，复合轧辊使用时发生外层剥洲9 1 。为解决上述问题，各高等院校、工厂和科研院 所从化学成分的选择、结合层质量的控制和内部铸造缺陷的形成原因进行探索，设 法改进和提高离心铸造复合轧辊的质量。 离心铸造复合法生产轧辊最早始于2 0 世纪3 0 年代，日本、英国、美国、法国、 德国、瑞典和比利时等国都在2 0 世纪6 0 年代左右开始大规模生产离心复合轧辊， 目前国外普遍使用离心铸造复合轧辊用于宽带钢、钢管、万能型钢和线材等轧机上。 1 9 6 8 年日本久保田厂在第3 5 届世界铸造会议上，第一次宣布研制成功卧式离心铸造 热带轧机p 6 5 0 m m 14 0 0 m m 精轧机后段合金无限冷硬铸铁轧辊。我国于2 0 世纪7 0 年代开始离心复合冶金轧辊的研制，生产了一系列离心铸造复合轧辊，并对离心铸 造复合轧辊的铸造生产工艺进行研究，包括离心浇注工艺，内外层结合质量，轧辊 内外层金属的化学成分、组织和性能，以及随后的热处理都进行了探讨，得到了一 些具有指导意义的研究成果1 3j 。 近几年，随着离心铸造复合轧辊的广泛应用，研究方向也趋于多元化，包括计i 算机控制浇注过程，新型助熔剂的研究，中i 、日j 层结合质量的研究和开发新的轧辊材 质，离心铸造复合轧辊受到各轧辊厂的关注。中国第一重型机械集团公司的王志成， 利用离心铸造法制造高速钢球铁复合轧辊，为解决外层和芯部由于成分相差悬殊造 成的结合不良或结合层质量下降问题，加了一个中间过渡层，该层的成分与芯部成 分接近，待外层和中间层在卧式离心机上浇注完毕之后，立即组装铸型，浇注芯部 金属液。该方案可有效防止复合轧辊产生裂纹，轧辊经热处理硬度可达7 8 h s ，既保 证了结合层的冶金质量又使外层厚度均匀一致1 4j 。 王兴衍采用同样的方法成功生产出高铬铸铁复合轧辊，克服了结合部位易出现 异状碳化物导致轧辊使用中出现剥落的情况，又使铬向芯部扩散问题得到了解决。 实际应用证明该轧辊毫米轧钢量达到52 0 0 t 以上，经济效益显著1 1 0 j 。 为改善高速钢轧辊的凝固组织并提高其力学性能，清华大学采用离，心铸造方法 制造高速钢轧辊辊环即轧辊外层，浇注过程中引入磁场，以此控制高速钢凝固组织。 试验结果表明，磁场的引入降低了残余奥氏体的含量，改变了高速钢辊环中碳化物 类型和分布，分布更加细小弥散，宏观硬度得到提高1 1 1 i 。 3 河北科技人学硕士学位论文 鞍钢重型机械有限责任公司的刘娜对普通高镍铬铸铁轧辊进行改进，在外层浇 注时控制离心机转速，并加入碳化物形成元素v 和n b ，以及进行回火处理，使得轧 辊外层和芯部石墨更加细小圆整，外层碳化物分散均匀，提高表面硬度，减小硬度 落差，辊颈力学性能也得到了提升【12 1 。郭小军针对大断面球铁冒口颈部存在疏松的 问题进行了分析，指出可采用提高砂箱刚度和高温铁液点冒口，还可以控制吹氧时 间和调整孕育量，增加铁液石墨化倾向，达到自补缩等措施l l 3 i 。 1 2 2 连续浇注外层法 连续浇注外层法( 又称c p c 法) 是日本新日铁公司为克服离心铸造高速钢轧辊存 在的偏析缺陷而开发的一种新方法，其基本原理( 如图1 1 所示) 是把轧辊外层的钢水 浇注到垂直竖立的芯棒( 铸钢或锻钢) 和水冷铸型间的空隙里，以一定的速度向下间歇 的拉动芯棒，通过电磁感应加热使钢水与芯棒熔合时依次凝固制成复合轧辊。这种 方法的优点在于辊身组织细小、均匀，几乎没有夹杂物，缩孔和疏松缺陷得到改善， 综合性能高于普通离心铸造高速钢轧辊1 1 4 1 。 玻璃保护渣 预热感应器 。、 泣胃 图1 1连续铸造法生产复合轧辊示意图 1 - 2 3电渣重熔法 电渣重熔法( e s r ) 是将圆柱状高强度合金作为芯部材料放置在同心水冷铸模中， 作为轧辊辊身的外层部分制成自耗电极，自耗电极熔化后便作为外层材料连续的焊 接在芯棒上( 如图1 2 所示) 。该方法具有去除夹杂、减轻偏析和细化金属组织等优点。 因此，在水冷铸型中凝固的辊身组织致密、均匀、偏析少、纯净度高，而且辊身与 4 乞钜 第1 章绪论 辊芯结合良好。 图1 - 2 电渣重熔法不恿图 1 2 4 喷射成型法 喷射成型法( s p f a y ) 或称雾化沉积( 如图1 - 3 所示) 是一种制造金属材料的新技术。 该法将雾化后的金属液喷射到辊芯上形成堆积层，可得到一定形状、具有快速凝固 组织、整体致密性高的材料。其晶粒尺寸更加细小使其具有很高的力学性能，无偏 析【1 5 1 。英国国家轧辊制造公司用该工艺生产了( p 4 0 0 m m 10 0 0 m m 高速钢轧辊，消除 了粗大的共晶碳化物，实现了外层与辊芯良好的冶金结合。该方法不足之处在于不 利于轧辊的大批量生产【1 6 】。 图1 3 喷射成型法示意图 5 河北科技大学硕士学位论文 1 2 5 液态金属电渣熔接法 乌克兰e l m e t 轧辊公司开发的液态金属电渣熔接法( e s s l m ) 制造轧辊时( 如图 1 4 所示) ，将高速钢轧辊芯部的芯轴放入导电水冷铜结晶器中，然后浇入渣液到轴 的外表面和结晶器内表面间隙中，渣液形成渣池并预热芯轴表面。接着将外层钢水 浇入渣池中，可连续浇入，熔渣在钢水中上浮并在通过渣池时被渣精炼。钢液则与 已经预热的辊芯实现冶金结合并在结晶器中冷却凝固形成复合层，随着移动装置不 断下拉已经凝固的部分，与此同时上部钢水持续注入直到达到预定的轧辊长度停止。 i 图1 4 电渣熔铸法示意图 1 3 铸造过程数值模拟国内外研究概况 铸造是一门古老的行业，在制造业中占居重要地位，影响和推动国民经济的发 展，我国的铸造行业技术水平与国外发达国家仍然存在较大差距。随着铸造技术的 不断进步和铸造新工艺的出现，铸件产品的质量和性能也越来越高，在世界范围内， 出现了“以铸代锻 的趋势，因此依靠传统方法开发新工艺已经不能满足要求。计 算机数值模拟技术的发展，以及q 如c 觥a m 一体化技术的实现，使得铸造行业 越来越重视计算机模仿真技术，并且向高功能、高保真、高效率和多学科模拟与仿 真方向发展。铸造人员可使用模拟仿真技术观察铸件的铸造过程，预测铸件在生产 时可能出现的缺陷形式及其大小、位置等，及时采取相应对策优化和改进工艺参数， 6 第l 章绪论 提高铸件质量的同时降低生产成本1 6 j 。 1 3 1充型过程数值模拟发展概况 充型过程是铸造过程中的首要环节，当金属液从浇包流出进入浇注系统时伴随 着流动及热量的损失，许多铸造缺陷如浇不足、冷隔、卷气、夹渣及砂眼等都会由 于浇注系统设计不当或充型速度过大或过小引起。铸件充型过程由于是在不透明的 型腔中运动，液态金属流动速度快、温度高，很难直接观察。2 0 世纪8 0 年代开始， 在充型过程的数学模型及算法、自由表面的处理、计算效率的提高和工程的应用方 面，国内外研究者做了卓有成效的工作。 1 9 8 3 年，在美国匹兹堡大学，r a s t o e h r 教授和中国台湾学者黄文星对充型过 程进行研究，将液态金属浇入到矩形水平型腔和阶梯式垂直型腔，并使用m a c 软件 对金属液的充型过程进行模拟旧。在充型过程初始研究阶段，大多数使用二维板类 零件，对于实际铸件没有指导意义，但奠定了数值模拟的计算基础【1 8 j 。1 9 9 1 年美国 的s h e ac h e n 等对二维的s m a c 算法加以改进，流体流动计算结果对称性加强，流 股交汇面的处理更加完善f 1 9 】。1 9 9 8 年在美国圣地亚哥第八届铸造、焊接和凝固过程 模拟会议上，日本大阪大学的大中逸雄提出新的直接差分算法，既节省计算时间又 不影响计算精度1 2 0 j 。在第六届环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际会议上，柳百 成院士提出用有限差分法求解连铸中流体流动数学模型i ：l j 。p h o m a v o n i f a r 等人基于 s o l a v o f 法求解三维单相模型下高压铸造充型过程连续相的水平流动，用于模拟 高压铸造下的飞溅情况，模拟结果与试验数据比较吻合1 2 ：l 。伊朗的a k e 丌n a n p u r 等 人研究了灰铸铁多型腔铸造过程中的充型和凝固过程，运用v o f 和。f a v o r 方法跟 踪熔融金属流动前沿，可有效地在三维软件中观察到金属液的充填情况，以便对浇 注系统进行改进，减小铸造缺陷1 2 3 j 。 国内充型过程数值模拟研究开展较晚，1 9 8 7 年王君卿修改s o l a v o f 法中的缺 点，模拟灰铁的充型流动，使该算法更加稳定。1 9 9 3 年清华大学的荆涛、柳百成考 虑充型过程对初始温度的影响，计算出三维铸件的充型过程。华中理工大学的袁浩 扬提出三维自由表面边界速度的确定方法，模拟铸造充型三维流动，开发了用于计 算机上的充型软件【引。麻向军通过对自由表面的处理，解决了充型时流场和自由表面 同时计算步长过小的缺点，提高了充型过程数值模拟的计算速度【2 4 1 。 国内外学者先后在数值方法的研究、自由表面的跟踪判定、充型过程的水模拟 实验、实际铸件的充型模拟等方面展开了大量研究，取得了较大的成果1 2 5 3 0 1 。 1 3 2 凝固过程数值模拟发展概况 凝固是合金从液态转变为固态的状态变化，是一个非常复杂的物理化学过程， 涉及的范围是很广泛的，无法通过肉眼进行观察，铸件中的许多缺陷如缩孑l 、缩松、 7 河北科技大学硕 ：学f 专论文 冷隔、热裂、应力、变形和浇不足等都与凝固过程有密切联系。通过电子计算机数 值模拟对凝固过程的研究，可以有效的控制；疑固过程，保证铸件的质量。尤其是大、 中型铸件的凝固过程无法通过实验得到温度场，更不可能通过反复实验优化工艺方 案，因此数值模拟技术可以对新工艺进行有效地预测。铸件凝固过程涉及到连续性 方程、n a v i e 卜s t o k e s 方程、f o u r i e r 方程及质量传输方程的求解，在当前将所有方程 耦合求解仍然比较困难，因此需要在满足实际的前提下进行简化，按照要求对特定 的过程进行模拟【3 1j 。 2 0 世纪6 0 年代丹麦的f o r s u n d 开展凝固过程的研究，使用有限差分法进行计算， 计算后的温度场分布与实测结果相当接近。美国麻省理工学院教授m c f i e m i n g s 指出可以用模拟技术研究和预测大型铸件的缩孔、缩松、热裂和偏析等缺陷 6 j 。日本 的大中逸雄和新山英辅从传热学基本原理出发进行大量研究，经过物理数值计算， 对复杂铸件以不计算单元形状建立能量守恒方程，采用直接差分格式和有限元部分 分析进行数值模拟f 3 2 j 。此后各国相继展开了铸件凝固过程的数值模拟相关理论与实 践的研究。我国各高等院校和科研院所已对铸件凝固过程数值模拟技术开展研究， 并与实际相结合，在数学模型、数值计算方法的改进和相关数值模拟软件的开发上 都取得了较多的研究成果i ” 3 5 1 。 随着铸造过程计算机数值模拟技术的不断完善，相应的用于分析整个铸造过程 的商品化软件不断出现，所采用的计算方法主要是有限元法( f e m ) ，有限差分法 ( f d m ) ，直接差分法( d f m ) ，边界元法( b e m ) ，有限体积法( f v m ) 和控制体积有限差 分法( c v - f d m ) 等。1 9 8 9 年在德国第七届国际铸造博览会上，展出了第一个由德国亚 琛大学p r s a h m 教授主持开发的商品化c a e 软件m a g m as o f t ，同时还有英国 f o s e c 0 公司开发的s o l s t a r 软件l 博j 。目前，国内外主要商品化的软件有许多，且应 用日益广泛，取得了良好的经济效益。例如，日本的s o l i d a 、s t e f a n 、m i n h l c a s s 和c a s l a s 、法国的s i m u l o r 和p r o c a s t 、芬兰的c a s t c a e 等。国内清华大学的 f r s t a r ，华中科技大学的i n t e c a s t ( 华铸c a e ) ，北京北方恒利的c a s t s o f t c a e 【3 6 l 。 铸造数值模拟软件的使用给铸造生产者带来方便，可以预测缩孔缩松存在的位 置，所采用的预测方法和判据包括：等温曲线法、温度梯度法、流导法、新山英辅 ( n i y a m a ) 判据等，且已经应用到砂型铸造、连续铸造、熔模铸造、压力铸造、消失模 铸造、半固态铸造、离心铸造等铸造工艺。 沈铁利用a n s y s 软件模拟钢锭温度场，对铸钢上部缩孑l 及锭身部分元素偏析的 问题，根据模拟结果评定铸造过程中使用的绝热板和发热板性能参数。进行实际浇 注时，微调其中发热元素含量及造渣组分配比，经现场使用铸锭缩孑l 区域显著上移， 提高了钢锭质量l ”j 。杨曼云使用p r o c a s t 和华铸c a e 两种软件对轴承盖进行缺陷 预测，结果表明两种软件对缺陷位置的预测趋势和结果保持一致【3 8 】。 8 第1 章绪论 陈海生使用p r o c a s t 软件对发热保温冒口的效果进行数值模拟，模拟结果证明 了发热保温冒口的作用，消除了原工艺冒口不能补缩到的热节区域产生的缩松，生 产验证效果较好f 3 9 】。四川大学对现场无冒口消失模铸造过程中存在的缩松缩孔缺陷 进行数值模拟，确定各参数以后，利用p r o c a s t 软件进行工艺改进和模拟，增加了 冒口，模拟结果和实际生产吻合，缩松缺陷上移至冒口，铸件质量合格j 。 球墨铸铁件具有糊状凝固的特性使其缩孔缩松的预测呈现出不同特点，李嘉荣 在试验的基础上提出了收缩膨胀动态叠加法( d e c a m ) 进行球墨铸铁件收缩缺陷的预 测，将用杠杆原理计算出的收缩和膨胀量进行动态叠加，定量预测球铁件的缩孔缩 松1 4 1 ，42 1 。李文珍在此基础上，提出从微观形核和生长角度建立球铁体积变化模型， 称为微观模拟法1 4 引。 1 3 3 离心镑造及复合轧辊数值模拟国内外研究概况 国外对于离心铸造数值模拟的研究始于1 9 9 0 年，j d h w a n g ，h j l i n 和k c s u 建立了立式离心铸造金属液流动与传热的数学模型1 4 引。a p o g u n s o v ，1 a m i l e n l ( i i ，s e s a m o l ( 1 1 v a l o v 和a vg r e s s 考虑内表面自由流动，研究了计算离心铸 造充型和传热过程的显示差分方法1 4 5 】。2 0 0 4 年r m w a r d ，m d b a r r a t t 等人研究 了真空离心场中金属液流动规律，通过建立数学模型求解喷射过程中的传热和温度 场分布，并对零件形状和物性及操作参数之间的关系进一步做了研究1 4 酬。e p a n d a 研究了离心铸造复合材料固液界面粒子的受力状态和分布规律，并建立了一维瞬态 传热模型，对铸件和铸型的温度场和凝固时问进行了模拟1 4 7 i 。 国内关于离心铸造数值模拟方面的研究主要包括铸型温度场和离心铸造充型过 程的数值模拟。1 9 8 9 年哈尔滨工业大学的林柏年研究离心过程金属型温度分布，检 测结果与计算结果比较吻合，可为实际生产提供数据1 4 引。清华大学的刘志明模拟了 离心铸造小型铸管的凝固过程，测试得到的冷却曲线与计算接近，热模法离心铸管 易在内部产生缩松缺陷1 4 9 】。华中科技大学的曾兴旺分析了离心铸造时加速度关系， 建立了充型、凝固过程的数学模型，模拟气缸套的离，心铸造过程，实现了流场与温 度场的耦合，使得卧式离心铸造成为可能1 5 。 哈尔滨工业大学的温培建等人对钛合金立式离心铸造凝固过程的温度场、应力 场进行了数值模拟，并建立了缩松半定量化预测数学模型，获得了立式离心铸造条 件下缩松的形成规律，用t i 6 4 v 合金在立式离心机上进行了实验验证1 5 1j 。中国科 学院金属研究所的宋男男建立了卧式离心铸造情况下液体充型及凝固过程的数学模 型，对卧式离心铸造轧辊离一亡、阶段的温度场、流场进行了数值模拟，发现卧式离心 情况下金属液按螺旋形轨迹充填型腔。随着转速的增加，会属液更易于均匀锚满型 腔，并采用水力学试验进行验刚5 2 j 。历长云运用数值模拟方式研究不同铸造工艺参 9 河北科 + 人学硕 ：学位论文 数对立式离心场下钛合金熔体充填过程的影响，结果显示，铸型的旋转方向直接影 响合金熔体的充填顺序，从而影响其凝固顺序和缺陷形成俐。 复合轧辊的质量问题一直是研究的重点，结合层的好坏直接影响复合轧辊的使 用性能。使用数值模拟软件可以对轧辊铸造过程中的凝固过程进行模拟，通过对温 度场变化规律的观察，发现铸造缺陷缩孔缩松的具体位置和大小，以及结合层位置 熔合的结果，然后对工艺方案进行优化改进，对缩短铸件试制周期和节约时间是有 意义的。 冀慧就采用f l u e n t6 3 为计算平台，在实验的基础上，建立两维凝固模型，模拟 了复合轧辊静态铸造过程。主要研究辊芯表面预热温度对铸造复合轧辊凝固过程的 温度场影响，从而确立最佳预热温度，保证外层金属和辊芯之间形成牢固的冶金结 合【5 4 l 。哈尔滨工业大学的王晔和孙酷通过模拟计算获得卧式离心铸造多层浇注过程 中的充型及凝固过程温度场的变化规律，以此确定多层浇注的时间和温度判据，并 获得了最优浇注工艺，以保证结合层质量。数值模拟结果与水力学试验验证结果基 本吻合1 9 5 5 1 。 武汉理工大学的周利阳等人利用a n s y s 软件对连续浇注外层法高速钢轧辊连 续铸造温度场进行数值模拟。模拟结果表明，外层金属的凝固顺序是由下而上、由 内层和外部同时向中心凝固的；辊芯熔合界面附近的外层金属先后经历了凝固、熔 化、再凝固的过程1 5 6 j 。 东北大学的冯明杰在试验的基础上，建立了三维充型流动和凝固以及辊：占预热 的数学模型，研究了充型过程和辊芯表面不同预热温度下外层金属的凝固行为。结 果表明：辊芯预热温度对结合层质量影响较大，适宜的预热温度为11 0 0 12 0 0 之 间【5 7 】。之后又考虑了拉坯速度与加热功率之间的关系，并考虑采取安装隔热陶瓷管 对辊芯表面进行保温，可保证拉坯速度较小情况下提高辊芯预热质量1 5 8 1 。 邵抗振利用计算机模拟技术，对电磁复合铸造轧辊工艺的凝固过程进行深入研 究分析。结果发现轴向为由下而上的顺序凝固，径向是由外层向内层的单向凝固， 有利于液态金属的补缩和夹渣的上浮，减少了铸造缺陷，并保证界面充分熔合和元 素的扩散，使界面性能大大提高| 5 9 1 。 南昌大学研究了电渣工艺复合轧辊的数值模拟，利用a n s y s 软件对电渣熔铸法 中的关键技术即辊芯表层加热系统进行模拟研究，特别是渣池中的电场、电位、电 流密度分布、温度场、热流密度、热流梯度分布及影响因素i 舳1 。 尧军平建立了电渣熔铸过程中金属熔池、两相区和凝固锭在内的电渣锭凝固传 热数学模型，模型的预测值与实验值吻合较好，便于电渣熔铸过程中工艺参数的调 整，保证产品质量p 。 北京航窄材料研究院对喷射铸造( 喷射成型法) 制造高性能复合轧辊技术进行研 1 0 第1 章绪论 究分析，建立了传热数学模型，利用数值模拟技术分析确定辊芯预热温度、辊芯平 移速率、喷射金属流率等工艺参数对温度场的影响。结果表明金属流率越大、辊芯 预热温度越高，平移速度小则复合轧辊界面处温度越高，得到的界面冶金结合越好 【6 】。之后又采用数值模拟分析了不同时刻复合轧辊的形状和尺寸，主要考虑喷射铸 造工艺对复合轧辊形状的影响规律l 吲。 离心铸造复合轧辊的凝固过程模拟包含两方面，一是离心铸造过程的模拟，二 是外层和芯部进行复合过程的模拟。离心铸造复合轧辊毛坯经常出现缩孔、缩松等 铸造缺陷，一般出现在辊颈和辊身内部中心附近。缩孔和疏松的存在使毛坯在随后 的热处理时，轧辊外层由于组织转变发生膨胀体积增大，而内层芯部没有变化，形 成表层对辊身的一个使体积扩大的拉力，而疏松区金属强度较低，极易产生裂纹， 导致其机械性能降低【州。 刘利刚采用有限元法建立模型，计算了大型离心铸造轧辊浇注及冷却过程的温 度场，依据新山英辅( n i y a m a ) 判据g 瓦对轧辊各部位出现缩孔缩松缺陷的可能性进 行预测，模拟结果与实际基本一致，缩松出现的位置为冒口、辊颈和辊身内部1 6 5 j 。 中国科学院金属研究所的李强采用m a g m as o f t 软件对采用底注式铸造工艺，上下 辊颈部分为砂型、辊身部分采用金属型，整体预热3 0 0 后进行浇注；以及砂型不预 热，辊身部位预热温度1 5 0 浇注的两种不同的浇注工艺进行模拟，并分析大型轧辊 铸造过程中容易产生缩孔缺陷的原因，通过改进工艺消除了在辊身和下辊颈出现缩 孔的缺陷，使热节部位上移。由模拟结果预测，如果在上辊颈部位增加电加热冒口， 可形成自上而下的顺序凝固方式，得到高质量的铸造轧辊1 6 6 j 。 北京科技大学的蔡震升等用直接差分法对球墨铸铁轧辊凝固过程中的温度场进 行模拟，模拟结果表明：顶面辐射系数、凝固系数、浇注温度对凝固过程中的温度 场和体积变化有很大影响，特别是浇注温度对体积变化影响极大，应在保证充填良 好的情况下尽可能的降低浇注温度，保证液态收缩总体积小于固态收缩和球墨膨胀 体积之和，从而使芯部球墨铸铁膨胀，保证内部组织致密1 67 。 1 4 本文的研究内容 综上所述，轧辊的性能影响到轧材质量，轧辊的质量已经引起人们的重视，复 合轧辊存在的问题为缩孔缩松缺陷，使用时会造成寿命短、影响产品质量等。如果 使用传统方法进行工艺改进，周期长，生产成本高。使用数值模拟软件能够对铸造 充型和凝固过程进行分析，预测缩松缩孔等铸造缺陷，工艺参数修改之后可直接进 行模拟，不需要进行试生产，大大节约了时间。本课题拟采用数值模拟方法对离心 铸造复合轧辊进行研究，主要包括以下内容： 1 1 首先使用p r o c a s t 软件模拟轧辊外层卧式离心铸造。 河北科技人。7 7 硕t 学f 皇论文 2 ) 调用外层卧式离心铸造温度场结果，进行芯部模拟，实现复合铸造工艺在 p r o c a s t 软件中的衔接。 3 ) 用逆验证法确定界面换热系数，建立模拟与实际生产之i 日j 的联系，使数值模 拟结果与实际生产接近。 4 ) 优化工艺，并进行数值模拟试验，提出减小或消除收缩缺陷的措施。 第2 章 复合轧辊铸造过程模拟 第2 章复合轧辊铸造过程模拟 2 1 复合轧辊铸造工艺 复合轧辊的铸造生产过程分为两部分，首先在卧式离心铸造机上浇注外层，待 外层冷却到固相线以下，迅速将外层直立并和上下砂箱组装，浇注芯部铁水，即芯 部为重力铸造。本课题复合轧辊铸造坯料毛重量1 4 5 t ，加工后净重1 0 8 t ，其中外层 为高镍铬无限冷硬铸铁，化学成分见表2 1 ，铁水量4 5 t ，离心外层设计厚度1 0 0 m m ， 硬度7 8 8 3 h s d 。轧辊芯部为球墨铸铁，化学成分见表2 2 ，铁水量1 0 t ，辊颈硬度 3 5 4 5 h s d ，辊颈强度大于等于3 9 2 m p a 。 表2 1轧辊外层化学成分 轧辊外层离心铸造过程如图2 1 所示，两端盖和金属冷型一起组装，待金属冷型 旋转稳定后，将金属液充入浇注系统，出口位于浇注系统末端，侧面开口，可使金 属液进入金属冷型时不引起飞溅，充型过程平稳迅速。 。1一、一、一、 、 、f “ ，哲弋荔 勰一、_ 一一一一一三一一兰一一一一一一一、一一一惑 坚：二j “叫 厂、 1 。 = = 一： 1 少7 一一一一i l f 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一k 翻 、j 。 上 1 端盖蕾金属冷型3 轧辊外层4 端盖5 浇注系统6 浇包7 一砂型 图2 1卧式离心铸造外层示意图 离心铸造轧辊外层的质量受到离心铸型和离心铸造工艺的影响，如铸型转速、 浇注温度、浇注速度、涂料层厚度和停机时l 、日j 等【6 8 】。 1 3 河北科技大学硕卜学位论文 铸型转速是离心铸造时重要的工艺因素，转速过低卧式离心铸造过程中金属液 会出现雨淋现象，铸件内部也会出现疏松、夹渣等缺陷，不易形成圆柱形内表面； 转速过高则导致铸件易产生裂纹、金属元素的偏析缺陷，加剧机器的振动磨损、功 率消耗大。原则上应在满足合格铸件质量的前提下选取较小的转速。转速呵采用重 力系数公式( 2 1 ) 确定铸型转速，计算公式如下： c 丁 n ：2 9 9 ! ( 2 1 ) v ， 式中刀铸型的转速( r m i n 。1 ) ； ，铸件内表面半径( m ) ； g 重力系数，重力系数的选择可参考表2 3 。 表2 3重力系数g 的选用 离心铸造复合轧辊外层属于中空件，从表2 3 中重力系数范幽为7 5 1 5 0 ，实际 生产中根据外层浇注厚度