电渣熔铸过程中金属熔池深度的数值模拟研究

热加工工艺20042004年第3 3期工艺技术3 33 3电渣熔铸过程中金属熔池深度的数值模拟研究电渣熔铸过程中金属熔池深度的数值模拟研究尧军平尧军平1,2,耿茂鹏耿茂鹏1,马新生马新生1,杨晓军杨晓军1,饶磊饶磊1,杨龙山杨龙山2(1.南昌航空工业学院 材料科学与工程系,江西 南昌330034;2.南昌大学 机电学院,江西 南昌330029)摘要摘要:利用前人关于熔滴在渣池中行为的研究成果和渣池中有关传热规律的实验资料,考虑到电渣熔铸过程始终有强电流介入,建立了包括金属熔池、两相区和凝固锭在内的电渣锭凝固传热数学模型,模型预测值与实验值吻合较好。运用此模型可预报金属熔池状况,便于现场调整工艺参数。关键词关键词:电渣熔铸;凝固;数值模拟中图分类号中图分类号:TF142文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:100123814(2004)0320033202MMa athemathematicatical lMM odellodell i ingng forfor thethe D Depthepth ofof MM etaetall llic ic BaBathth i in n ESRESR ProcessProcessY AO J un2p ing1,2112,GENG M ao2peng1,MA Xin2she ng1,Y ANG Xiao2jun,RAO Le i,Y ANG Tong2sha n(1.D ept.of M aterials S ci.&Eng.,N anchangInstitu te of A eronau tical T echnology,N anchang330034,Ch ina;2.Colleg e of M echanics2E lectron,N anchang U niversity,N anchang330029,Ch ina;)AbstractAbstract:Borrow ing from the experimental data found in earlier works about the drcpp ing behavior and heat trans2fer concerned,models describing the temperaturedistributi ons including those in metallic bath,biphase zone and solidi2fied ingot section in ESR mould are developed and the calculation results predicting metallic bath shape are basically in a2.The models can be used to forecast metallic bath depth andgreement w ith baumann printings resulted from experiments.diameter and adjust technical param etersKeyKey wordswords:electro slag refining;solidification;numerical simulation电渣熔铸由于其独特的纯净化铸材与结晶组织致密的优点,可以获得与锻件性能相当的铸件1,在我国得到广泛的重视和应用。电渣熔铸工艺和设备都较为复杂,实验测量研究十分繁难,成本也高,而且许多重要的内部参数不可能测得。数值模拟技术在这里有很显著的优势。金属熔池的存在是电渣熔铸冶金反应进行的必要条件。金属熔池的深度和形状直接影响熔铸件的结晶,从而影响钢锭的质量,而金属熔池的深度与电极熔化和工艺参数有着密切的关系2。因此,金属熔池深度是判定炉况、冶金质量、经济指标的重要目标参数。本文利用前人关于熔滴在渣池中行为的研究成果和渣池中有关传热规律的实验资料3,结合具体实验,考虑到电渣熔铸过程始终有强电流介入,建立了数学模型,通过数值模拟从理论上确定电渣熔铸过程中目标参数与基本控制参数的关系,实现电渣熔铸过程有效控制,从而保证最终产品的质量。池界面认为是水平面且金属熔池中的对流作用以有效导热系数估计。1 1.1 1控制方程控制方程从传热角度看,电渣熔铸过程是具有移动热源的热传导问题,所以属于准稳定状态。导热微分方程为:5T5(5T15T5(5T)=+Ki+KiKi+ST iicivz5z5r5rr5r5z5z(1)角标i=l,m,s(l为金属溶池、m为两相区、s为凝固区);Ki=(1+)Km l,Km l为金属溶池的原子导热系数(Wm-1K-1),为经验数据;vz为熔铸速率(kg-1h);ST i为内热源(两相区以STm表示,固相与金属熔体构成的体系内因电流产生的热量以q表示)。1 1.2 2边界条件边界条件(1)在轴中心,当r=0,z0zz3时,有 5T 5r=0。由罗必塔法则,可由式(1)得:5T5T(5T)5(5T)=2Ki+Ki+ST i5r5z5r5z5z(2)在渣2金界面,当z=z0,0rRm时,5T-KL=hsl(Tsl-T)+X(r)qeT5zicivz1 数学模型电渣熔铸基本过程如图1所示。考虑到系统轴图1电渣熔铸过程示意图收稿日期收稿日期:2003207230基金项目基金项目:国家“863”项目资助(8632715200920110)作者简介作者简介:尧军平(19652),男,江西东乡人,副教授,博士生,目前从事近净成型理论方向研究。对称,方程选用轴坐标,为便于数值模拟,渣池2金属熔 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 34 4TECHNOLOGTECHNOLOGY YH ot Work ing Technology20042004N o.3 3式中:Tsl为平均渣温(K);hsl为渣2金界面间的综合传热系数(Wm-2K-1);X(r)和qeT分别是熔滴在渣2金界面的分布函数和熔滴过热带入到凝固系统的热流。结合熔滴在渣池中的运动和传热特征的分析4,5,qeT由下式计算:qeT=vzlcd(Tf-Tm e)与深度的关系;图3为3种不同熔化速度下熔池形状与深度的硫印结果,模拟结果与实际较吻合。表表1 1所用的热参数表所用的热参数表3 3Km l l、s、mKmcd、cl、cs、cmKsTslhslTm ehw l、hw s、hwm式中:cd为熔滴比热;Tf为熔滴到达金属熔池表面上的温度(K),根据计算得到;Tm e为电极熔化温度(K)。熔滴分布函数XX(r)(r)由下式表示:22熔化金属的热导率液、固、两相区金属的密度两相区的热导率熔滴、液、固、两相区金属的比热固体金属的热导率平均渣温渣2金界面综合传热系数电极熔化温度15.48Wm-1k-7.2103kgm-753 Jkg-1K-3131.39Wm-1K-1131.39Wm-1K-1 700 K4 382 Wm-2K-1 723 K1112Ree-r=2-2Re(1-e)12液、固、两相区金属与结晶器界面的272 Wm2K-热传递系数结晶器的冷却水温金属凝固潜热金属液相线温度金属固相线温度经验数据300 K267.9 kJkg-1 723 K1 523 K1.251式中:Re为电极半径(m);为填充比(ReRm)。(3)在钢锭侧面,即r=Rm,z0zz3,有5T-Kii=hw i(T-Tw)5r式中:i为各不同区段;hw i为锭侧表面各不同区段的传热系数(Wm-1K-1);Tw为结晶器冷却水温(K)。(4)在固、液两相区,假定金属凝固潜热在其内按TwTl,mTs,m温度均匀释放,于是热源STm可表示为:STm=-vzm5TTl,m-Ts,m5z图2熔化速度与固相线(a)、液相线(b)的关系(模拟半边)31.2 kgh;34.8 kgh;42.6 kgh式中:为凝固潜热(kJkg-1);Tl,m为金属液相线温度(K);Ts,m为金属固相线温度(K)。(5)在固相与金属熔体构成的体系内因电流产生的热量q为:q=Ike2式中:q为电流作用下金属单位时间单位体积的发热量(Jcm-3s-1);I为电流密度(Acm-2);ke为电导率(8-1cm-1)。(6)在远离金属熔池表面的横截面上,即z=z3,0rRm,有 5T 5z=0。图3不同熔化速度下的硫印结果熔化速度越大熔池愈深。整理计算结果得到熔化速度和熔池深度关系见图4(a),可见,它们成正比关系。将其线性回归得液相线熔池深度与熔化速度关系为:ZL=1.15vz-6.426,相关系数=0.9975;固相线熔池深度与熔化速度关系为:ZS=1.38vz+5.319,相关系数=0.9955。图4(b)为电流(电压一定,为40 V)与熔池深度关系。可见电流增加,熔池深度也增加。2实验设计与参数确定实验是在160 kW并有自动控制系统的电渣炉上进行的。结晶器内径为100 mm,电极直径36mm,电极钢种为45钢,渣系AN F26(70%CaF2,30%A l2O3),渣量1.5 kg。在熔铸过程中加FeS,剖锭用硫印法显示熔池形状,以验证模拟结果。计算所用有关参数见表1。3计算结果应用有限差分法求解上述偏微分方程的数值解。在r向取20格,z向取80格,计1701个节点,利用Gau ss2Seidel方法求解,最大绝对误差小于1,在奔I V机上进行计算。图2是熔铸速度与固相、液相等温线,即熔池形状图4熔化速度(a)、电流(b)与熔池深度的关系液线线;固线线 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/热加工工艺20042004年第3 3期工艺技术3 35 5H H1313钢连杆锻模的寿命研究钢连杆锻模的寿命研究杨志坤杨志坤1,王邦龙王邦龙2(1.云南师范大学,云南 昆明650092;2.云南西仪工业有限公司,云南 昆明650114)摘要摘要:研究了H13钢连杆锻模的寿命问题,讨论了模具寿命与模具硬度的关系,提出了提高模具寿命的措施,设计了H13钢连杆锻模的最佳热处理工艺。关键词关键词:H13钢;连杆;锻模中图分类号中图分类号:TG315.2文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:100123814(2004)0320035202ResearchResearch forfor L L ifeife ofof H H1313 SteelSteel ForgForg i ingng D D ie ie forfor L L i inknk12Y ANG Zhi2kun,WANG Bang2long(1.Yunnan N orm al U niversity,K unm ing650092,Ch ina;2.Yunnan X iyi Ind ustrial Co.L td,K unm ing650114,Ch ina)AbstractAbstract:The life of H13 steel forging die for link was studied,the relation of die life and die rigidity was dis2cussed,the measures of increasing die life were brough t forward.The best process of heat treatm ent was designed.KeyKey wordswords:H13 steel;link;forging die连杆是汽车发动机的重要零件之一,对其要求很高,连杆产品的重量、外观质量等是连杆的重要特性。由于连杆产品的外形只有两平面及两孔是机械加工的,其它的形状及尺寸都是由锻造来保证的,这就要求连杆锻模必须有很高精度,对模具材料也提出了更高的要求。本文研究了H13钢连杆锻模的寿命问题,讨论了模具寿命与模具硬度的关系,提出了提高模具寿命的措施。1存在问题连杆产品型号主要是368Q,连杆锻模的外形尺寸为400 mm160 mm110 mm,锻件重480500g。连杆毛坯锻造的生产过程为:坯料中频感应加热辊锻分料热模锻压力机锻造(压扁、预锻、终锻)飞边切除。连杆锻模的生产工艺流程为:锻造退火机加工热处理磨平面电火花加工型腔钳工打磨型腔交验。北京机电研究所提供的模具热处理硬度为4346 HRC,按此要求进行模具生产,经过一年多的使用,模具的平均寿命为5 000件(模具为双型腔,每个型腔生产25 000件,后面所用寿命数字全为双型腔寿命),寿命较短。4结论(1)本文建立了包括金属熔池、两相区和凝固锭在内的电渣锭凝固传热数学模型,模型预测值与实验值吻合较好,证明了模型的合理性。(2)模拟了熔池深度与熔化速度、电流之间的关系,对于调整工艺参数,选用最佳生产工艺熔铸产品具有现实指导价值。参考文献参考文献:1李正邦.电渣熔铸理论和实践M.北京:高新技术应用出版社,1996.2肖兴国,谢蕴国.冶金反应工程学基础M.北京:冶金工业出版社,1997.3ChkoudharyM.A Study of heat transfer and fluid flow in the elec2troslag refining process D.The thesis of Docto r Degree of Sci2ence,1980.4Eckert E,Drake R.Analysis of heat and mass transfer M.1972.5Hoyle G.The research on characteristic of movem ent and transm itheat of drop let in slag poolA.Proceedings of 16thinternati onalconf.on special melting C.Am erican society san Diego,1999.2模具失效分析热作模具失效的主要形式有以下四类:工作部位堆塌;磨损;热疲劳;断裂1。连杆锻模失效形式为、两类,即工作部位堆塌和磨损,具体为连杆工字型和凸起部位堆塌和磨损、模具桥部磨损,导致连杆毛坯工字型部位形状和尺寸改变,毛坯重量难以控制,锻件脱模困难,锻件弯曲变形,甚至可能出现锻造折叠。特别是预锻模的磨损现象更为严重,这主要是锻件在预锻时,金属的流动量很大造成的。虽然预锻件的变形不影响终锻件,但是预锻模磨损后,预锻件增大,收稿日期收稿日期:2003207229作者简介作者简介:杨志坤(19642),男,云南宜良人,副教授,主要从事热处理工艺研究工作,发表论文10余篇。!1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/