硅铁合金浇注温度场数值模拟.pdf

年第 期总第 期铁 合 金.:./.项目来源 内蒙古自治区“科技兴蒙”行动重点专项(项目编号:)作者简介 姚海英 男 年出生硕士:.通讯作者 颜艺专 女 年出生硕士高级工程师 内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团鄂尔多斯工业技术研究院冶金工程研究所所长:.收稿日期 硅铁合金浇注温度场数值模拟姚海英袁平颜艺专(内蒙古低碳铁合金科技有限公司 内蒙古鄂尔多斯)(内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司 内蒙古鄂尔多斯)(鄂尔多斯市西金矿冶有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯)摘 要 在硅铁浇铸工艺段锭模的使用量大损坏率高成为制约生产成本的重要环节针对锭模浇铸过程中的温度变化情况本文采用有限元方法对不同结构的锭模浇铸过程进行了温度场模拟 计算结果表明在相同浇铸厚度的条件下梯形锭模峰值温度最低组合式锭模峰值温度最高同时锭模的不同部位存在不同的温度变化速率随着硅铁浇铸厚度增加硅铁的冷却速率迅速降低当浇铸厚度为 时浇铸后 内硅铁冷却速率为 /当浇铸厚度增加至 时冷却速率降低至 /浇铸厚度对硅铁冷却速率影响明显 分析结果为锭模的结构设计和浇铸工艺参数的优化提供理论指导关键词 锭模 硅铁 温度场中图分类号 文献标识码 文章编号()(.)(.)(.)./.前言硅铁冶炼是在矿热炉中进行浇铸是硅铁冶炼工艺的重要工序 目前硅铁浇铸的主要方法是模铸工艺即将温度高达 左右的硅铁液从铁水包浇铸到锭模并在自然冷却条件下凝固成型在脱模后进行下一步破碎加工获得合格粒度后供下游用户使用 锭模常用的材料是灰铸铁 其熔点为 左右低于浇铸温度大约 由于锭模工作过程受高温铁水的冲刷侵蚀锭模本身的散热慢、温升快致使锭模的使用寿命短、消耗大成为制约生产成本的重要因素之一针对锭模的研究主要集中在结构和材质两方面 锰硅合金浇铸常使用链板式浇铸机该浇铸机使用长方型锭模能够实现连续浇铸和自动脱模设备使用效率高但存在的问题是设备高度过高高空浇铸存在安全风险 其次设备长度有限冷却效率不足需要采用强制冷却浇铸过程需要在模底铺底料影响合金表面质量 此外硅铁浇铸条件比锰硅合金浇铸更加恶劣导致锭模侵蚀严重显著增加了运营成本 组合式锭模是目前硅铁浇铸过程中广泛使用的一类浇铸设施能够实现批量浇铸但是组合式锭模浇铸工艺存在的主要问题是受浇铸环境的影响浇铸过程产生大量烟气且单炉浇铸期间需要铁水包来回移动多组锭模协同使用脱模期间主要依靠人工夹铁导致浇铸和脱模效率低下 圆盘浇铸机在一定程度上克服了上述缺点但是仍然没有解决锭模寿命的问题导致生产成本过高限制了此类浇铸机的推广使用综上所述硅铁浇铸相对于其他浇铸锭模接触的环境更加恶劣导致锭模损坏严重寿命短因此明确锭模浇铸过程中温度分布及变化规律对锭模结构的改进和浇铸工艺的优化以及降低生产成本有重要意义 针对铁合金生产工艺国内外学者对矿热炉熔炼过程行为开展了一系列重要理论研究但关于硅铁模铸工艺的仿真研究国内外尚少见报道本文旨在通过对硅铁的锭模浇铸过程模拟分析浇铸过程的锭模硅铁的温度变化并结合实际生产数据为锭模结构设计和浇铸工艺优化提供理论依据 锭模传热模拟.模型建立硅铁浇铸的锭模类型主要分为梯形锭模、长方型锭模和组合式锭模梯形锭模主要应用于圆盘浇铸机在圆盘浇铸机进行圆形阵列布置 长方型锭模主要应用于直线浇铸机其两边等长多组锭模可组合为链板式浇铸 组合式锭模通过多组长方型锭模组合构成通常以定点浇铸为主浇铸的过程锭模固定在支架上 三种结构形式的锭模形状如图 所示 硅铁和锭模本体均采用自由四面体网格在硅铁和锭模的交界处均做了网格加密处理能有效保证模型计算的精度梯形锭模长方型锭模组合式锭模图 锭模的结构及其网格划分.控制方程热传导方程是求解温度场分布的重要方程其三维形式如下:()公式()中:为温度 为材料密度为材料热容 为热导率 为热源通过给定边界条件()可求得三维结构的温度分布:()()公式()中:为边界法向外热流为外法向矢量 为换热系数为环境温度 其中换热系数 可为温度的函数可进一步定义辐射边界条件.边界条件本文采用有限元软件对锭模浇铸后的温度场进行了模拟得到了锭模及硅铁的温度场分布 模拟的锭模和硅铁物性参数如表 所示本研究的计算条件设置如下:锭模的初始温度为 锭模的外表面和环境的换热采用第三类边铁 合 金 年 表 锭模及 硅铁物性参数.物理量锭模硅铁熔点/密度/(/)热容/(/)导热系数/(/)界条件(式)指定对流换热系数 /()环境温度为 锭模内的硅铁和环境的换热采用第三类边界条件指定其换热系数 /()硅铁的浇铸温度为 分别模拟了梯形锭模、长方型锭模和组合式锭模在浇铸冷却过程中温度分布和变化情况.模型验证为验证模型的准确性本研究对硅铁实际浇铸过程中进行了测温获得硅铁冷却过程表面温度变化曲线并与模型计算的结果进行了比较如图 所示实际的冷却曲线和模拟的曲线趋势接近说明模型的构建和相关的边界条件设置相符合图 锭模在测温点处的硅铁温度变化(为测温点).()模拟结果分析.锭模浇铸的温度场分布三种结构的锭模在硅铁浇铸后 、和 时的温度分布情况如图 所示梯形锭模长方型锭模组合式锭模图 不同形式锭模温度场分布.由图 可见在浇铸初期锭模的高温区主要集中在其内表面而锭模其他部位的温度尚较低也是温差最大的时期随着冷却时间进行锭模开始快速吸收硅铁的热量高温区从锭模表面均匀扩散至其他部位随锭模横断面形状形成弯月形温度梯度分布在冷却 后锭模的温度均冷却至 以下此时锭模中心区域处于相对高温状态为了分析锭模内各区间的温度变化以长方型锭模为例选取锭模上四个不同位置测温位置点分别为位置、位置、位置 和位置如图 所示监控其浇铁后温度变化情况获得四个位置的温度随时间变化曲线如图 所示浇铸初期锭模温度快速上升在约 后锭模中部的位置 和位置 温度达到峰值为 由于没有新增热源在自然冷却的作用下锭模各部位的温度逐渐降低但是四个位置的升温速率与降温速率存在差异如图 所示在锭模中部的位置 最高升温速率达 /而边部的位置 升温速率仅为 第 期姚海英等 硅铁合金浇注温度场数值模拟 /而在锭模冷却阶段在温度开始降低的 中部温降速率也是最快的边部温降速率最慢 由于锭模有热胀冷缩的特性当锭模各部位升温速率和冷却速率不一致时其中冷却快的区域与冷却慢的区域存在不同的收缩量从而可能产生较大的内部应力也是影响锭模使用寿命的重要因素之一温度变化曲线升温速率变化曲线图 长方型锭模不同位置点的温度变化曲线.不同浇铸厚度对硅铁冷却的影响除了锭模的结构对传热有明显的影响之外由于锭模传热的热源来自硅铁因此硅铁的浇铸厚度可能也会影响锭模的温度 不同浇铸厚度对硅铁冷却的影响如图 所示图 不同浇铸厚度对硅铁冷却的影响.以长方型锭模为例研究了长方型锭模在不同浇铸厚度下硅铁的冷却曲线 模拟结果表明随着硅铁浇铸厚度增加硅铁的冷却速率迅速降低当浇铸厚度为 时浇铸后 内硅铁冷却速率为 /当浇铸厚度增加至 时冷却速率降低至 /可见浇铸厚度对硅铁冷却速率影响明显 结语本文针对三种常用于铁合金浇铸的锭模温度场进行了分析在相同浇铸厚度的情况下梯形锭模的峰值温度最低组合式锭模的峰值温度最高锭模在工作过程中由于其结构特点不同部位的温度及温度升、降速率差异较大也是锭模产生热应力的来源后续研究可采用热应力耦合仿真进行深入研究随着硅铁的浇铸厚度增大硅铁的冷却速率变慢导致锭模冷却时间延长以及增加锭模在高温区停留时间可能会进一步降低锭模使用寿命随着浇铸厚度的增加硅铁冷却速率变慢也会进一步改变硅铁的微观结构实际生产中可通过控制浇铸厚度优化产品质量参考文献 尚风和姜树斌庞立荣.改善硅铁锭模材质延长使用寿命.热加工工艺():.崔新鹏刘增辉曾祥勇等.灰铸铁钢锭模的材质与结构的优化.热加工工艺():.吴呈仲蔡镇.全自动圆盘浇铸机.中国专利:.李建锋兰旭顾鹤林等.圆盘式定模连续自动浇铸机.中国专利:.于洋李宝宽韵晨成等.埋弧矿热炉温度场与电磁场数值模拟研究.铁合金():.刘顺娣李宝宽于洋等.直流矿热炉熔炼硅锰合金温度场电磁场数值模拟.中国冶金():.于洋李宝宽方政喆等.矿热炉内温度场与相分布研究/第 届全国铁合金学术研讨会.():.铁 合 金 年