動(dòng)態(tài)順序凝固是鑄鋼件補(bǔ)縮設(shè)計(jì)的新思想

動(dòng)態(tài)順序凝固是鑄鋼件補(bǔ)縮設(shè)計(jì)的新思想

1動(dòng)態(tài)順序凝固特性鑄造件的硬化和收縮非常大，所有鑄造件的收縮都來自根部。正確設(shè)計(jì)外圍開口，提高了工藝改進(jìn)率，節(jié)約了金屬和能源，確保了鈦材料的質(zhì)量，并降低了成本。在長(zhǎng)期生產(chǎn)中,鑄鋼件普遍采用順序凝固原則設(shè)置補(bǔ)縮冒口,但傳統(tǒng)的順序凝固只強(qiáng)調(diào)幾何結(jié)構(gòu)上的凝固順序,沒有考慮加冒口后形成接觸熱節(jié)和補(bǔ)縮液流通效應(yīng)對(duì)實(shí)際凝固時(shí)間的影響,所以稱為幾何順序凝固。冒口放在熱節(jié)上,形成接觸熱節(jié)與幾何熱節(jié)重合,使最后凝固單元常常落在鑄件內(nèi),在鑄件中形成縮孔、縮松。動(dòng)態(tài)順序凝固是指冒口離開熱節(jié),放在近熱節(jié)的次熱節(jié)處,利用冒口根處形成接觸熱節(jié)和冒口中補(bǔ)縮液的流通效應(yīng),實(shí)現(xiàn)鑄件各部分按遠(yuǎn)離冒口的部分先凝固,幾何熱節(jié)后凝固,冒口最后凝固的順序凝固。它不僅強(qiáng)調(diào)幾何結(jié)構(gòu)上的凝固順序,同時(shí)強(qiáng)調(diào)冒口偏離熱節(jié),避免熱量過分集中,利用冒口偏離熱節(jié)后與鑄件形成的接觸熱節(jié)和補(bǔ)縮液流通效應(yīng),實(shí)現(xiàn)朝向冒口的凝固順序,使最后凝固單元真正移入冒口,有效地防止鑄件出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷,冒口離開熱節(jié)動(dòng)態(tài)順序凝固是鑄鋼件補(bǔ)縮設(shè)計(jì)的新思想。鑄鋼半齒圈是應(yīng)用于礦山、冶金、水泥、建筑、煤炭、電力等行業(yè)的重要大型鑄件,其輪緣銑齒深度達(dá)輪緣厚度的一半,對(duì)鑄件的致密度要求很高。本文以5～10t、9個(gè)系列(見表1)的鑄鋼(ZG45)半齒圈為對(duì)象,介紹了采用動(dòng)態(tài)順序凝固補(bǔ)縮工藝的設(shè)計(jì)原則和有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。所采用的鑄造工藝如圖1所示。2drhf2.2輪緣冒口為腰圓形保溫明冒口。輪緣與輻板兩壁相交的部分比輪緣與輻板和立筋三壁相交部分的熱節(jié)圓直徑小,稱為輪緣薄壁。輪緣與輻板和立筋三壁相交的部分為輪緣幾何熱節(jié),稱輪緣熱節(jié),如圖2。輪緣冒計(jì)算結(jié)果如表2。Dm=b；Db=ty+(hf+100)24(ty+100)Dr=ty+(hf+50)2+(hj+100)24(ty+100)Mm=[πb24+(1?b)b]h[πb+2(1?b)]h+2[πb24+(1?b)b]Mb=Dbhy2(Db+hy)?hf；Mr=Drhy2(Dr+hy)?hfDm=b；Db=ty+(hf+100)24(ty+100)Dr=ty+(hf+50)2+(hj+100)24(ty+100)Μm=[πb24+(1-b)b]h[πb+2(1-b)]h+2[πb24+(1-b)b]Μb=Dbhy2(Db+hy)-hf；Μr=Drhy2(Dr+hy)-hf3動(dòng)態(tài)順序凝固擬合幾何模數(shù)法由模數(shù)的定義,根據(jù)鑄件的幾何尺寸得出的模數(shù)值,稱為幾何模數(shù)。幾何模數(shù)在一定程度上能夠近似地反映鑄件的冷卻凝固過程,但實(shí)際上影響鑄件凝固的因素很多,如鑄件內(nèi)金屬液的流動(dòng),澆冒口的位置等,考慮這些因素,反映鑄件的實(shí)際凝固時(shí)間的模數(shù)稱為物理模數(shù)。物理模數(shù)就是把凝固系數(shù)k作為常數(shù)時(shí),與鑄件或熱節(jié)實(shí)際凝固時(shí)間相對(duì)應(yīng)的模數(shù)值。按照模數(shù)法設(shè)計(jì)原則,要保持從鑄件熱節(jié)到冒口的順序凝固,冒口、冒口頸和熱節(jié)的模數(shù),通常要滿足M冒∶M頸∶M熱=1.2∶1.1∶1。而由以上計(jì)算結(jié)果,半齒圈冒口離開熱節(jié)后,輪緣上冒口、薄壁(相當(dāng)于冒口頸部分)和熱節(jié)的幾何模數(shù)比為Mm∶Mb∶Mr=(0.93～1.02)∶(0.92～0.95)∶1。對(duì)于保溫冒口,幾何模數(shù)比M冒∶M熱可取(0.85～1.00)∶1,冒口凝固時(shí)間的延長(zhǎng)由保溫套來保證。很顯然,輪緣薄壁部位的幾何模數(shù)小于熱節(jié)處的幾何模數(shù)。但實(shí)際生產(chǎn)出來的鑄件,熱節(jié)處卻全部健全致密,這表明薄壁部位是遲于熱節(jié)處凝固的,也就是說薄壁部位的實(shí)際物理模數(shù)與熱節(jié)模數(shù)的比例是滿足補(bǔ)縮要求的,即有Mbw>Mr,式中Mbw為薄壁部位的物理模數(shù)。動(dòng)態(tài)順序凝固理論,引入物理模數(shù),能很容易地解釋冒口離開熱節(jié)的成功。薄壁部位的實(shí)際凝固模數(shù)(物理模數(shù))大于熱節(jié)處的凝固模數(shù),是由于冒口下接觸熱節(jié)的熱影響和補(bǔ)縮液的流通效應(yīng)作用的結(jié)果。4齒圈冒口間距冒口中心線離開鑄件熱節(jié)中心線稱為冒口離開熱節(jié),兩者之間的距離稱為冒口偏移距離,用L表示。如圖3所示。鑄鋼半齒圈冒口離開熱節(jié)工藝將冒口放在兩個(gè)熱節(jié)中間,如圖1。因此半齒圈輪緣冒口偏移距離L的計(jì)算公式為:L=πD1y2×6×2=πD1y24L=πD1y2×6×2=πD1y24為了表示冒口離開熱節(jié)的程度,把冒口偏移距離與熱節(jié)圓直徑的比值稱為冒口偏離系數(shù)S,S=L/Dr。半齒圈輪緣上冒口偏移距離L和冒口偏離系數(shù)S的計(jì)算結(jié)果如表3。5半齒圈輪緣有效補(bǔ)縮范圍冒口有效補(bǔ)縮范圍是從冒口中心算起的冒口能夠補(bǔ)縮的最大長(zhǎng)度,用Lf表示。半齒圈輪緣上冒口有效補(bǔ)縮范圍的計(jì)算公式為L(zhǎng)f=l2+2DrLf=l2+2Dr在這里,半齒圈輪緣上冒口的實(shí)際補(bǔ)縮范圍,即為冒口偏移距離L,冒口實(shí)際補(bǔ)縮范圍與冒口有效補(bǔ)縮范圍的比值定義為:C=L/Lf。令半齒圈輪緣上冒口有效補(bǔ)縮范圍Lf與熱節(jié)圓直徑Dr的比例系數(shù)為:Sf=Lf/Dr,計(jì)算結(jié)果如表3。由計(jì)算結(jié)果,比例系數(shù)C值均小于1,即輪緣上熱節(jié)在冒口有效補(bǔ)縮范圍之內(nèi)。Sf的平均值為3.21,這相當(dāng)于輪緣薄壁處幾何模數(shù)Mb與熱節(jié)處幾何模數(shù)Mr相同(即輪緣為截面模數(shù)等于Mr的均勻桿件)時(shí)的冒口偏離系數(shù)。6冒口偏離系數(shù)s在鑄件材質(zhì)、鑄型種類、澆注溫度等因素一定的條件下,影響半齒圈類鑄鋼件冒口偏移距離和冒口偏離系數(shù)的因素就是鑄件的幾何因素,這個(gè)因素用熱節(jié)和與熱節(jié)相鄰的薄壁次熱節(jié)的模數(shù)比來表示,定義q=McrMr?(0≤q≤1)q=ΜcrΜr?(0≤q≤1)式中Mcr為薄壁次熱節(jié)的模數(shù)。因?yàn)楫?dāng)q=0時(shí),即Mcr=0,其物理意義是沒有薄壁次熱節(jié),冒口只能放在熱節(jié)上,也就是冒口偏離系數(shù)S=0。q越大,薄壁次熱節(jié)的模數(shù)相對(duì)越大,即薄壁次熱節(jié)處的凝固時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng),冒口偏離系數(shù)S也便可隨之增大。因此,S與q之間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)來擬合S=kqn(k,n為待定常數(shù)?k＞0?n＞0)S=kqn(k,n為待定常數(shù)?k＞0?n＞0)根據(jù)前面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果,求得k=3.21,n=0.88,所以有S=3.21q0.88=3.21(Mcr/Mr)0.88S=3.21q0.88=3.21(Μcr/Μr)0.88因?yàn)槊翱谄凭嚯xL=SDr,即L=3.21Drq0.88,又因?yàn)閷?duì)于半齒圈輪緣k=3.21,即為Sf=3.21,因此有3.21Dr=SfDr=Lf,所以可得L=3.21Drq0.88=3.21Dr(McrMr)0.88=Lf(McrMr)0.88L=3.21Drq0.88=3.21Dr(ΜcrΜr)0.88=Lf(ΜcrΜr)0.88此二式即為半齒圈類鑄鋼件輪緣冒口偏離系數(shù)和冒口偏移距離的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。7表面質(zhì)量的確定(1)鑄鋼件冒口離開熱節(jié)工藝設(shè)計(jì)原則