复合物理场约束条件下连续铸造铸铁空心型材

一 画 铸 造 工 艺 复合物理场约束条件下连续铸造铸铁空心型材 许扬 1 西安理工大学 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 2 陕西 同心连铸 管业科技有 限公 司 陕西 乾县 7 1 3 3 0 0 摘要 改造水平连铸设备和结晶器 在温度场上叠加电磁场 超声场 并让重力也参与空心管 壳的约束成形 可以高效率地生产高品质的铸铁空心型材 生产的型材 已在机械行业广泛应 用 关键词 连续铸造 铸铁 空心型材 中图分类号 T G 2 4 9 7 文献标识码 A 文童编号 1 6 7 3 3 3 2 0 2 0 0 9 0 5 0 0 1 2 0 3 Co nt i nu o us Ca s t i ng Pr o c e s s Un de r M u l t i p l e Phy s i c a l Fi e l ds f o r S o un d Ho l l o w I r o n Pr o fil e s XuYa n g 1 Xi a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l i g y Xi a n 7 1 0 0 4 8 S h a a n x i C h i n a 2 S h a n n x i T o n g x i n C o n t i n u o u s Ca s t T u b e T e c h C o L t d Xi a n 7 1 3 3 0 0 S h a a n x i C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n c o n t i n u o u s c a s t i n g p r o c e s s a n d mo l d e l e c t r o ma g n e t i c fi e l d a n d u l t r a s o n i c fi e l d we r e a d d e d wi t h t e mp e r a t u r e g r a d i e n t E v e n g r a v i t y i s p a r t o f t h e f o r c e t o h o l d h o l l o w p r o fi l e T h e s o u n d h o l l o w i r o n p r o fi l e s c a n b e p r o d u c e d e ffi c i e n t l y a n d h a v e b e e n us e d wi d e l y i n me c h a n i c a l i n d u s t r y Ke y wo r d s c o n t i n u o u s c a s t i n g c a s t i r o n h o l l o w p r o fi l e s 制 造 铸铁 材 质 的等截 面 机 械 零 件 采 用 连 续铸造 的铸 铁型材无疑是最 合理 的选择 因为 与 其他铸造方法 相 比 只有连 续铸造才可 以实现两 个兼顾一一在保 证高效率生 产的 同时又 兼顾 了高 致密 的组织 在保证力学性 能高强度 的同时又 兼 顾 了相 当的韧度 第一个兼 顾 的原 因在 于 铸件 凝 固成形 与连续不 断的 出模 同时进行 节 约 了传统铸造 工况下铁 水浇注后等 待降温冷凝 的时 间 实现 了高效率生产 而铁水注进 保温炉后 需 要 经 过 下沉一 拐 弯 方 可进 入 结 晶器 避 免 了气 体 渣 滓和砂子 的裹挟 液柱心 部铁水对外层 冷 凝 区持续地 进行补缩 又 消除 了疏松 缺陷 使 得 型材具有 了高致密 零缺 陷的特质 第二个兼顾 的原因在 于 结 晶器所提 供 的冷 却速度远大 于传 统砂 型铸造 和离心铸造 强大 的相 变驱动力提 高 了固相形 核率 机械 拉拔在凝 固层 中引起 的形 变 又进 一步细化 了晶粒 保证 了铸造 组织具有 强韧 兼备的品质 2 0 0 6 年 以前 连续 铸 造 的铸 铁 型材 在 外 形 1 2 l 2 9 年 第 5 期 上 只限于 实心截面 而 空心型材 尤其是细 直径 薄壁的空心 型材在 国内外市场上 还属空 白 本文 作 者及 其 团队在 从事水平连 铸近2 O 年所积 累经验 基 础上 发展 了复合物 理场约束 条件下连续 铸造 铸铁 技术 研 制 出专用 设备 并建 成生产线 成功 地 制造 出了铸铁 空心 型材 现 已形成班 产8 1 2 t 管坯 的能力 应用 于机械装 备制造 的众 多行业领 域 1 复合物理场约束成形连续铸造技术简述 复合 物理场 约束成形连 续铸造是对铸 铁水平 连续铸造 技术 的继 承和发展 水平连铸所 得到 的 型材 组 织致密 性 能优 良 生产效率 高 截面 形状选择 多样 甚 至可 以拉 制 出空心 型材 但是 因为其 空心管 的直径和管壁 厚度完全 落入离心铸 管 的尺 寸规格 范围 内 故其 市场价值 受到 限制 复合物理场约束成形连续铸造技术将水平连铸结 晶器加 以改造 使其在具有 理想温度 场 的同时 还具有 一定强度 的磁 场 对 结 晶器 内的铁水液柱 进行约束 使结 晶过程在人 工控制下进 行 当结 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 复合物理场约束条件下连续铸造铸铁空心型材许扬 晶器 内形成 一定 厚度 的管 壳后 用 机械牵 引机构 将 其连续不 断地拉 拔 出来 另外 将超 声波 引入 凝 固过程 熔 体 内发生 的空泡化 生长 闭合运动和 声流 的扰动 使铸造组织进 一步细化 2 复合物理场约束成形连续铸造技术及型材 的特点 2 1 高致密度的组织特征 优异 的综合 力学性能 连续铸 造结 晶器所提 供 的冷 却强度 平均 为 砂型 铸造 的 3 0倍 离 心铸 造 的 5倍 强 烈 的冷 却产生 强大的相变 动力 提高 了熔 液 内的奥 氏体 与石墨球形核 数 目 连铸 5 0 0个 mmz 砂型铸造 1 2 0个 mm2 左右 保证 了细密 的金 相组 织 再 加 上 电磁场 超 声波场 的机 械和物 理作用 以及 拉拔 引起 的形变 使共 晶团数更 多 图 1分别显 示了连铸和砂型铸造球铁 的石 墨形态 a 连铸 b 砂型铸造 图1球铁 石墨形态对 比 2 2 纯净 的化学成分 铁水在 保温 炉 内 浮渣 上漂后 被人 工扒除 密度大 的铁 水下沉 经过 曲折通道 进入 结 晶器 所 以不会有 杂质 与气体裹挟 进来 凝 固组织 中 自 然也不会存在夹渣 夹 砂 气孔等缺 陷 2 3 充分而及时的补缩功能 铁水在结 晶器中凝 固结壳 时 液 固相变产 生 的体积 收缩 被心 部液体及 时补缩 不会 出现缩 松 现象 从而具备 了优异的力学性 能 2 4 与其他铸造方法对 比 1 与离心铸管 比较 管壁 内外层之间不存在 合金 元素浓 度 的梯 度 分布 碳 硫 磷 等轻质 元 素不会聚 集于 内壁 层 形成 黑斑 白斑 云 斑 等 异常金相 组织 离心铸造 时金 属管模 和空 气对 管壁形成双 向冷 却 管壁 心部最 后冷 凝时缺 乏液体补缩 而 连续铸造时的补缩却可持续进行 不存 在缩孔 疏松 缺 陷 另外 连铸 型材 的截面 可 多种多样 达 到 近 终形 的尺寸精度 这 是 离心铸管无法做到 的 2 与砂 型 铸造 比较 没有 夹渣 夹砂 气 孔 缩 松 疏松 等缺 陷 石墨形 态 理想 金相 组 织 细密 在 相 同合金 成分 条件 下 力学性 能高 出 1 2个牌号 2 5 其他特点 1 对灰 口铸铁和合金灰铁材料 可 以得到均 匀 的组织 成分 避 免 了水平连 铸棒材经 常存在 的 软 液芯 偏心 问题 保 证 了所 制作 的耐磨环 形 零件 的内孔环周上有均匀的高硬度 2 与 砂 型 铸 造 管 坯 水 平 连 铸 实 心 棒 材 制 作 环 套 筒 类 零 件 相 比较 可 节 约 材 料 3 0 70 3 可为等温淬 火球墨铸铁 ADI 提供 最理 想 的原始组织 4 优异 的切 削加 工性 能 在 较高 强度 和硬 度 下仍然 可 以切 削加工 例如对 量大面广 的 内燃 机缸套 传统离 心铸 管的硬 度2 1 0 2 5 0 HB 高于 此便不 易切 削 而连铸管材硬度高至3 1 0 3 5 0 HB 时仍 然可 自如车 削 这 一性能 导致产 生了更 为耐 磨 更加节油的气缸套 3 铸铁空心型材产品介绍 与 水 平 连 铸 相 同 复 合 物 理 场 约 束 成 形连 续铸 造适用 于灰铁 球铁 蠕 墨铸铁 中低含量 合 金 铸 铁 与 高 镍 铸 铁 等 材 质 目前 作 者 及 工 作 团队 已可 拉 制 的 型 材截 面 有 正 圆形 椭 圆 形 非 圆形 矩 形 六 边形 尺 寸范 围是 直径 f 5 0 2 0 0 mm 管壁 厚6 4 2 5 mm 图2 是 已拉制 的三种截 面 的空心 型材 表 1 是 管径和壁厚 的对应范 围 图2 高致密 零缺陷铸铁空心型材 z 年 第 s 期I 1 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 一 域 表1 铸铁空心型材管径 与壁厚 对应范围 外径范 围 mm 对应壁厚 mm 5 O 7 0 7O 1 0 0 1 O 0 1 3 0 1 3 0 l 60 l 6 0 2 0 0 20 0 2 50 25 0 3 00 5 1 0 5 l 2 5 1 6 6 2 0 8 2 5 l 0 3 5 1 2 4 0 4 各种铸铁 空心型材 本体取样 的金相组 织及其 力学性能 4 1 灰铁 型材 细小片状石墨 外 围为一层细小 的D型石 墨 内部为细小的A型石墨 基体组织 铁素体 珠光体 二者 比例根据零 件服役要求调整 力 学 性 能 仃b 2 5 0 3 8 0 M P a HB 1 5 0 2 4 0 庐 1 1 1 7 1 0 MP a 4 2 球铁型材 球化率1 2 级 球径7 级以上 球数5 0 0 个 mmz 以上 与砂 型铸造 相 比 强度相 同时 伸 长率提 高5 0 1 0 0 伸长 率相 同时 抗 拉 强度 提 高 2 0 以上 由于连铸 空心型材在 高强度 的同时仍 然具有 高韧度 故可进行弯 曲变形 应用于特殊的场合 图 3是总长 2米 经 中频加热煨制弯 曲成 3 8 的球 铁管 法兰盘另配 图3 弯 曲球铁管 4 3 活塞环用合金球铁 经调质处理的活塞环 抗 弯 强 度 盯b b 1 3 0 M P a 弹 性 模 量 E 1 6 1 9 1 0 MP a 硬度9 8 1 0 6 HRB 整个 环周上硬度 偏差 2 HRB 图4 是用连铸 管材经过 内外 圆车削 多片一次切割工 艺制作活塞 环 的情 形 在传 统 的单体双 片毛坯铸造 工艺 中 铁 水 的 6 0 7 0 浪费在浇 道和 冒口上 材 料 的一次利 用 率只有2 0 3 0 单体 双片 的劈 切和 加工也 1 4 l z 年 第 5 期 不甚方 便 改 为连铸 空心 型材后 没有 了浇道和 冒口的浪 费 材 料 的一次利用 率可提 高到4 0 以 上 机械加工工艺也随之简化 图4活 塞 环 制 作 4 4 等温淬火球铁 A D I 连 铸 空 心 型材 与连 铸 实 心 型材 一 样 由于 石 墨球细小 弥散 共 晶团数多 组织 细密 为下 贝氏体等温淬 火球墨铸 铁准备 了最 理想的原始 组 织 本 体取样 经8 8 0 淬火 的QT 5 0 0 7 普通球 铁 的力 学性 能如 下 1 3 5 0 MP a 2 k 4 0 J mm 5 细直径 薄壁铸铁空心型材的应用 运 用 复 合物 理 场 约 束 成 形 技 术拉 制 的铸 铁 空心型材 由于具有优 异的力学性 能 已成 为耐 磨 耐蚀环 套 筒类机械 零件 的最 理想 的毛坯材 料 开始应 用于铁路车辆奥 贝衬套 油井桥塞 封 隔器 化 工泵过流部件 液压 导 向套 压缩 机缸 体 等领域 并正 向汽车 活塞环 干 式气缸套 汽 车转 向泵定 子等方面渗 透 已经取 得 了节 能 节 材 的显著效果 以 干 式 缸 套 为 例 成 品 缸 套 的 壁 厚 仅 2 3 mm 但 目前 大量采用 的离心铸 管毛坯 的壁 厚 不能小 于1 0 1 2 mm 材料利用 率极低 连铸 管坯可 以达到6 7 mm的厚度 利用 率提高 1 倍 图5 是某型轿车干 式缸套 成品及连铸管毛坯和离心 管 毛坯 的实物 图6 显示了其 各 自质量对 比 连铸管坯成品缸套离心管坯 图5 缸套成品及毛坯实物 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 铸造 工 艺 单辊破碎机星轮铸造工艺设计及模拟优化 米国发 王锦 永 河 南理工 大学 材料科学 与工程学 院 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘要 运 用传统 的铸造 工艺设计 方法对 星轮铸 钢件铸造 工 艺进行 了初 步设 计 利用Z C a S t 模 拟软件 对星轮初始 T 艺的凝固过程进行 了模拟 分析 了初始工艺产生缺陷的部位和原 因 在 此基础上通过调整 冒 口尺寸和分布 进行工 艺优化 最终获得 了合适 的工艺方案 模拟 结果显 示 优4 T 艺实现 了星轮 的顺序凝 固 消除 了缩孔 缩松缺 陷 关键词 星轮 铸造工艺 数值模拟 z C a S t 软件 中图分类号 T G 2 4 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 3 3 3 2 0 2 0 0 9 0 5 0 0 1 5 0 4 Nume r i c a l S i mu l a t i o n a nd Opt i mi z a t i o n o f Te c h no l o g i c a l De s i g n f o r Si ng l e Ro l l Cr u s he r St a r W he e l M i Gu o f a W a n g J i n y o n g C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 He n a n C h i n a Ab s t r a c t T h e o r i g i n a l f o u n d r y t e c h n i q u e o f t h e s t a r wh e e l wa s d e s i g n e d b y c o n v e n t i o n a l d e s i g n me t h o d T h e p r o g r e s s o f s o l i d i fi c a t i o n o f o r i g i n a l f o u n d r y t e c h n i q u e o f s t a r wh e e l wa s s i mu l a t e d b y t h e Z Ca s t S O f t wa r e Th e l o c a t i o n a n d t h e c a u s e o f t h e s h r i n k a g e d e f e c t s o f o r i g i n a l t e c h n o l o g y we r e a n a l y z e d Ba s e d o n t h i s t h e s i z e a n d p o s i t i o n o f r i s e r s we r e c h a n g e d f o r p r o c e s s o p t i mi z a t i o n a n d t h e r e a s o n a b l e fou n d r y t e c h n i q u e wa s d e s i g n e d fin a l l y T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e o p t i mi z e d t e c h n o l o g y c a n e n s u r e c a s t i n g s p r o g r e s s i v e s o l i d