Insural绝缘材料.docx

INSURAL绝缘材料、流槽设计、使用TEMPCAL热模型发表于第二次国际研讨会，关于铝熔化过程工艺，1998年10月1-2日在都柏林。一、 摘要在过去18个月，已经开发了一个预测流槽温度的模型。本文描述了影响流槽温度的因素，主要参考于这个模型流槽。使用模型来优化流槽设计也正在讨论中。本文的描述是通过比较实践经验和预测结果而得出的。二、 介绍在过去的十年，铸造已经被现代化了。大型的铸造工作台开始运用，从保温炉到铸井的距离也在加长，并且要金属的质量更高，设备维护成本更低。所有的这些变化都可以受益于一个正确的流槽设计。现在，像INSURAL这样的低密度流槽材料可以提供很好的绝缘性能，再加上正确的流槽轮廓设计，可以尽可能地降低温度的损失。减少保温温度将有益于金属质量和维护成本，或者可以使用一个更大的铸造平台，或者有一个更高的温度安全裕度。不幸的是，新流槽和安装平台的性能都是不可预测的。随着资本支出压力的增加，在重大项目中节约成本和提高质量变得很必要。基本以上因素，Foseco开始了一个计划，去模拟影响流槽性能的因素。三、 影响流槽设计的因素用途第一个设计因素是，流槽是铸造流槽还是转运流槽。转运流槽优先考虑的是快速转运液体金属。铸造流槽优先考虑的是最小化热损失且不引起液体动荡。材料选择根据流槽用途，选择正确的材料。耐火材料密度更大，会有更好的耐磨性，但是，绝缘性能低于低密度材料。这就意味着，对于转运流槽来说，有大的热冲击且金属流动速度快，就需要用高密度的材料；对于铸造流槽，优先考虑的是最小化的热损失，那么绝缘性能更好的低密度材料就很必需。流槽尺寸对于金属流动要求，流槽的尺寸必须是正确的。下面的公式显示的是金属流速、流槽尺寸和金属流量的关系。A=Mf v dal 6X10-5V=Mf A dal 6X10-5A是流槽横截面积（cm2），M金属流量（kg/min），f（0.7）流槽安全系数，v流速（cm/s），dal铝液密度（kg/m3）。为了减少热损失，金属流速必须保持尽可能的高，而且不会引起动荡。大的流槽可以达到更高的流速。表格显示的三个不同尺寸流槽的金属流量。流槽尺寸横截面积f A（cm2）金属流速v（cm/s）小1008-15s中100-20015-20大20018-25流槽轮廓最后一步是决定流槽的轮廓。不同形状的可用流槽都有各自的优势和劣势。表格显示的是一些可用流槽轮廓和适当的性能。表格 流槽轮廓性能对比轮廓用途热损失易于清洗流速变化（顶到底）小型铸造流槽一般一般差铸造流槽（底部弯曲）极好极好好铸造流槽（底部平坦）极好一般好铸造流槽好好极好转运流槽或铸造流槽一般极好好四、 模型描述在公文1-2-3就提到过模型。所有的计算都是基于一个数字解决方案，一维的普通热流量方程式。2x2=1 t表示温度，t时间，热扩散率。这个方案采用的是通过流槽和铸造链的侧墙和底部来计算热流量。用的时间间隔是在负2秒（金属流出之前）到2小时之间。采用的解决方案计算热流通过墙壁和基地的槽和铸造链图1显示的是一个典型的流槽系统原理图。钢构里面有两层绝缘材料。1层耐火材料模拟4个计算元素，总共8个元素。热流进入热的一面，从冷的一面出来，是10秒钟。如果热的一面提前预热到了一个更高的温度，那么刚开始耐火材料加热金属。图1：除了模型热损失是通过耐火材料，也计算了辐射热损失，用Stefan法则：dQdt= (T4-T04)Q热量，T表面温度，T0外界温度。用类似证明功率的法则模拟对流热损失。流槽的尺寸输入到模型中。图2显示描述流槽尺寸的关键术语。图2：图3所示，信息输入到模型中。7条尺寸信息足够决定任何轮廓的流槽。除了流槽尺寸之外，主流槽和支撑绝缘体的耐火材料取自于耐火材料的数据库。相关的物理性质的材料都存储在这个数据库,并自动转移到输入表单来简化数据输入。图3：流槽尺寸和耐火材料类型数据输入铸造流槽单位分支之前长度33650mm通道类型（1或2）1圆角半径150mm平坦截面宽度80mm墙体角度0度液面深度100mm流槽高度150mm热的一面耐火材料厚度（墙体）60mm热的一面耐火材料厚度（底部）60mm热的一面耐火材料类型INSURAL 140热的一面耐火材料导热系数0.48W/mK热的一面耐火材料密度1400Kg/cu.m保温厚度100mm保温类型DURABOARD LD保温导热系数0.1W/mK保温密度260Kg/cu.m通道覆盖？（1是2不是）0预热条件一般的初始热的一面温度35一般的初始冷的一面温度25环境温度20一旦铸造流槽信息输入进去，铸造工作台就被确定了。图4显示的是定义铸造工作台的要素。 工作台流槽信息和铸造流槽一样的方式输入进去。图4：定入铸造工作台结构和尺寸的关键要素。图5显示的是铸造工作台的数据输入屏幕。进入流槽里面的金属量是由一直变化的每分钟绝对金属流动速率和充满模具的速度控制。一旦所有的信息输入进去，金属的温度会被流槽里面的大量点计算。有：l 铸造流槽的末端。l 每一个铸造位置。任何一个变量都会改变，温度会重新计算。允许操作者执行“假如”脚本来判断流槽系统，直到达到最佳的效果。图5：铸造工作台和金属流量的数据输入屏幕。五、 结 论模型有很好的灵活性。任何的铸造条件、流槽尺寸、铸造工作台结构或者耐火材料都可以应用。这就意味着，模拟一个详细的应用程序，就可以获取大量的有意义的结论。经验显示，没有两个应用程序是完全相同的。不幸的是，这就意味着显示一个限定性的结论非常地困难。因此，给出了一些例子。材料选择表 显示的是三个商业上可利用的耐火材料性能。密实的耐火材料是一种标准的高氧化铝浇注料。INSURAL 180是密实的INSURAL，适用于预制流槽。因为是高密度了，所以这种材料有更好的强度和耐磨性。但是，它的绝缘性能不如低密度材料：INSURAL 140。表：典型的耐火材料性能密实的耐火材料INSURAL 180INSURAL 140导热系数W/mK1.50.940.48密度Kg/m3260018001400图6：显示的是用上面三种耐火材料对金属温度的影响，在1个10m的流槽系统末端。图6：铸造流槽末端的温度对应的时间关系，对于三种不同耐火材料。流槽尺寸正如已经提到过的，流槽应该大些以便于金属的流速可以尽可能的高而不会引起湍流。金属流速越快，热损失就会越少。改变流槽的尺寸，流速会相应地变化。表4显示的是用过的流槽。表4：用过的流槽尺寸判断金属流速液面深度mm109132160194流槽高度mm156189229277圆角半径mm55667996角度7777流速cm/s28.419.513.49.1横截面流量mm211005160242331034330图7a：显示的是改变流槽尺寸的影响，流量固定在450kg/min，温度显示在1个10米流槽的末端。图7b：显示的是同样的信息，但是，是10分钟后每米流槽温度的减少对应的金属流速。图7a：流槽末端的温度对应的铸造时间，针对的是4同种不同的流槽尺寸在一个固定的金属流量。图7b：10分钟之后，每米流槽温度的减少对应的金属流速。流槽轮廓前面已经讨论过选择正确的流槽轮廓对于减少热损失的重要性。表5：显示的是3个不同的流槽轮廓，有同样的横截面积。描述流槽轮廓的几个重要要素在图2。表：三个不同轮廓相同横截面积的流槽的详细尺寸。三个流槽金属流速是相同的。但是，温度损失偏差很大。图8：三种不同流槽轮廓，金属温度对应的铸造时间。再一次的强调，针对流槽用途来挑选最恰当的轮廓。例如，轮廓C用于转运流槽就非常的合适，因为它很容易清洗。但是，这种流槽温度损失很大，因此，用于铸造流槽就用限制性。六、 与实际数据对比Foseco已经使用温度模型预测了大量安装流槽的性能。我们可以用实际的结果和预测的结果做比较。下面给出一个例子。试验条件表：显示的是变量。铸造工作台直径203mm，有84个模具。模具在7条铸造线上，每条线6个位置，每个位置有2个模具。模具的填充速度是100mm/min。这相当于金属流速735kg/min。铸造流槽大约33米。从铸造流槽的末端到第一个铸造位置是4.5米，后面的铸造位置是300mm。在铸造位置1之前，液面深度，横截面流量，金属流速就已经确定。表：定义铸造流槽的详细变量。结论图9：铸造流槽末端和6个铸造位置的铸造时间对应的预测温度。图10a：铸造流槽末端和6个铸造位置的的铸造时间对应的预测温度和实际温度。图10b：离开保温炉的距离对应的金属预测温度和实际温度。图10c：铸造系统的每一段，每米的预测温度损失和实际的对比。模型的局限性模型预测铸造前10分钟的温度有些困难。引起这种结果的原因如下：l 进入流槽的金属液的温度是变化的（而模型分析呈现的是一种恒定的流入温度）l 模拟金属液怎样填满流槽非常困难（在给定时间内，模型分析呈现的是线性流入）l 金属液在初始阶段的流动速率是变化的。（在初始阶段金属液流入流槽的速率必然发生变化，而模型显示出来的却是恒定不变的）图11：金属液从开始填充流槽到结束的预测温度和实际温度的对比。能清晰看到在金属液进入流槽的前十分钟有很大的温度波动。图11：金属液从开始填充流槽到结束的预测温度和实际温度的对比。七、 总结流槽系统和铸造流槽的模型已经得到了发展。模型非常灵活，它适用于各种规格的流槽和不同的浇铸轮廓。使用过的耐火材料建立了一个数据库，包含了有关物理性能数据。随着应用学的发展，怎样使用模型分析已经被证明可以优化流槽系统的设计。预测数据和实际测量的对比已经做过，从中能看出一个相当好的相关结果，而且模型分析的某些局限性也被强调了出来。考虑到模型分析局限性，它可以作为流槽系统和浇铸截面设计的一种很给力的工具。八、 参考文献1、J-O Marthinusen，S.Ray“在流槽系统和浇铸模型中，计算机模型和实际经验的温度流失”轻金属1998，第1183页到第1189页，Ed.B Welch2、J-O Marthi