数字模拟铸模设计对低合金钢大型锻造钢锭凝固的影响

蓝乐， 裴爽

（黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040）

数字模拟铸模设计对低合金钢大型锻造钢锭凝固的影响

蓝乐， 裴爽

（黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040）

采用有限元法对一个6t重可热处理的铬钼低合金钢铸锭进行了数值模拟。结果表明，以恒定的速率浇注熔液，减少模具的长细比，使用合适的热顶分离都会提高冒口效率，从而可降低随后的热锻造裂纹敏感性。

数值模拟；锭锻造；低合金钢

1 简介

在钢锭热锻中，通常会由于铸态组织问题或不合适的锻造条件而导致钢锭开裂。热顶（冒口）和铸锭之间的交集是个关键区域，在锻件初级阶段可能形成环向裂纹，然后裂纹扩散到铸锭，并导致高处缺陷的形成。图1所示为低合金钢锭在开放式模锻中形成的一个典型的环形裂纹。

图1 钢锭在开模锻造过程中形成的典型的周向裂纹

本文主要介绍通过使用商用有限元软件填充一个6 t的低合金钢锭，研究其三维数值模型的凝固过程。该模型用铸造车间的实验数据来验证，然后利用经过验证的模型来评估不同的铸造参数，目的是消除钢锭热镦过程中开裂的影响。

2 实验过程

在实验过程中，铸锭操作在六面体铸铁模具里进行。每个模具由3部分组成，包括stool（模具入口），kokil（模体）和ring（模具冒口），如图2所示。该环的内表面上覆盖着厚25 mm的绝缘材料。钢水被倒在温度1600℃的底部，并以7 kg/s的速率在预热的模具中通过模具入口。

3 结果

3.1 长细比影响

钢锭模以7 kg/s的熔体流动速率的充填和固化序列如图3所示。从图中可以看出，熔体流动速率从7 kg/s降低到一半（例如3.5 kg/s）时，熔体自由表面接触热顶，这是可以提高模具冒口性能的。

3.2 浇率的影响

图2 模具的组成部分

图3 钢锭在浇注和凝固过程中固体组成部分的分布情况

熔体浇率对于铸锭固相率分布的影响显示在图4上。热顶的3种不同的浇注速率机制：（a）模具的7 kg/s和热顶的3.5 kg/s；（b）以7 kg/s的固定浇注速度填充模具；（c）7 kg/s的模具和21 kg/s的热顶。仿真结果表明，在浇注操作期间，增加热顶的熔体浇注速度可以减少热顶部固体的形成。图5是分别使用固定速率和降低速率在热顶处浇注的冷却曲线。可以看出，增加热顶浇注速率会导致更慢的冷却。

图4 以不同浇注速度模拟组成分布

图5 热顶以恒定和减少浇注速率的模拟冷却曲线

4 结论

1）在模具具有较低的长径比下恒速浇注熔体，能在热顶处提高垂直凝固和降低横向凝固，这会有较高的冒口效率。

2）在模具热顶和锭体的交叉口，在铸造钢锭开模锻造的初级阶段形成环向裂纹。在锻造过程中提高垂直凝固性，可在热锻时减少裂纹敏感性。

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［3］ProCAST user’s manual［M］.ESI Group，The Virtual Try Out Space Company，2005.

（编辑 启 迪）

TF351.6

A

1002-2333（2015）04-0100-02

蓝乐（1983—），男，助理工程师，从事机械设计工作。

2014-10-26