空气冷却系统在组合横梁前部铸件生产中的应用

杨洪洲　王　话　李金全

(沈阳铸锻工业有限公司铸造分公司，辽宁110000)



空气冷却系统在组合横梁前部铸件生产中的应用

杨洪洲王话李金全

(沈阳铸锻工业有限公司铸造分公司，辽宁110000)

本文针对组合横梁前部等大壁厚铸件在生产过程中出现的粘砂、裂纹问题，制定了特殊工艺及操作措施，合理引入空气冷却系统，解决了粘砂问题，避免了因处理粘砂而产生次生裂纹。

大壁厚铸件；粘砂；裂纹；空气冷却系统

空气冷却系统是对后壁铸件热节激冷的一种拓展，冷铁的激冷效果不明显，与钢水接触的瞬间就会达到热饱和，失去作用。为了持续导出厚大热节处的热量，在该铸造工艺中，我们引入了空气冷却系统，以达到持续激冷的效果，防止了粘砂、裂纹等缺陷。

1　组合横梁前部铸件的技术要求

组合横梁结构如图1所示。 该铸件主体尺寸长2 810mm、宽2 350mm、高1 600mm，材质为ZG35SiMnMo，要求所有加工部位进行2级超声检测。

2　组合横梁前部的技术难点

铸件热节最厚大部位壁厚达700mm，与之衔接部位壁厚不均，减重孔部位极易产生粘砂，易产生和次生裂纹，生产难度极大。我公司在前期生产的一件组合横梁前部，由于厚大热节处激冷效果不好，在清理粘砂时，产生了裂纹，导致报废，给公司带来了巨大的损失，同时也耽误了工期。

3　组合横梁技术问题攻关

3.1避免铸件粘砂的方法

图1　组合横梁前部立体图Figure 1　The space diagram ofthe front of composite beam

避免铸件粘砂的常规方法有：

(1)增强面砂幢实度；

(2)在热节或圆角处加外冷铁；

(3)砂型粉刷涂料；

(4)降低浇注温度；

(5)圆角及厚大热节处放铬铁矿砂。

3.2空气冷却系统的应用与计算

在生产组合横梁前部的过程中，合理地使用了避免铸件粘砂的常规方法，但效果并不理想，方形孔粘砂严重，导致组合横梁前部报废。为了避免铸件的这一缺陷，我们引入了空气冷却方式。

激冷厚大热节处的钢水，厚大热节处钢水凝固所需要的时间长，该处外冷铁由于长时间与钢水接触，很快会达到热饱和，便失去了作用。由能量守恒定律：

(1)

式中，ΔU=U2-U1为系统的内能增量；Q为此过程中系统从环境所吸收的热量；W为此过程中系统对环境所做的功。ΔU与过程无关，只决定于始态和终态。假设系统对环境所做的功W=0，那么ΔU=Q=cmΔT。由外冷铁的质量m决定，钢液与外冷铁的热交换ΔU的数值很不理想。

钢液凝固期间，砂芯必须长时间承受高温钢液的灼烧和侵蚀。既要防止粘砂，同时又要保持砂芯具有良好的溃散性、不烧结。由于凝固时间较长，基体组织晶粒粗大，对其力学性能极为不利。从上述几点来看，采用冷铁，其冷却能力不足，容易形成热饱和，必须采用强制冷却技术。

强制冷却系统的结构，可根据铸件内孔的结构设计。冷却介质的循环系统结构如图2所示，冷却介质为压缩空气。

图2　组合横梁前部方形孔芯的冷却结构示意图Figure 2　Sketch of cooling structure of square core at the front of composite beam表1　热阻参数Table 1　Parameters of thermal resistance

δ1δ2δ3λ1λ2λ3103601231.61.729.3

空气冷却工艺计算：工艺计算的目的是求解出强制冷却的冷却程度，并进行相应的定量计算。δ3为外套管厚度；送风速度ω=2.6m/s。

(2)

式中，R为热阻率，单位为K/W；λ为热导率，单位为W/(m·K)；δ为厚度，单位为m；F为导热截面面积，单位为m2；其中R1、R2、R3、λ1、λ2、λ3、F1、F2、F3分别为t1、t2、t3时的热阻、热导率和面积，如表1所示。影响t2的主要因素是δ2范围内砂芯的厚度和热导率的大小。 由能量守恒定律：

(3)

式中，t1温度为1 550℃，t4内冷壁温度为700℃。带入公式(3)中计算，可得出Q=3 953.48W/m2，即冷却管所通过的比热流量为3 953.48W/m2。对于强制冷却，由Nusselt准则有：

(4)

式中，Nuf为Nusselt准则系数；d为冷却管内径；α为传热系数；λf为空气热导率。

由于冷却壁面的传热处于平衡状态：

(5)

将公式(4)和公式(5)联合整理得：

(6)

冷却管内外温差Δt=850℃，计算得出Nuf=1.592。

根据流体在管内受迫对流传热的准则，方程有：

(7)

式中，Ref为雷诺准则数；Prf为普朗特准则数0.696；ε1为管长修正系数1.08；ε2为温差修正系数0.302。

由公式(7)计算得出Ref=903。

由雷诺准则[1]：

(8)

得出冷却介质空气流速ω=1.739m/s

由计算测得，采用10mm钢管单管送风ω=2.6m/s，完全符合理论计算值。根据铸件凝固时

间确定空气冷却工艺。铸件全部凝固时间为48h，空气冷却工艺为：从浇注结束后，立即开始送风，连续送风18h，之后结束空气冷却。

4　生产验证

铸件打磨后，超声检测结果符合技术要求。事实证明：引用空气冷却系统保证了铸件质量，同时也节约了成本。在造型过程中减少了外冷铁的用量，在清理过程中，节约了气刨过程中煤气的使用量，同时减少了一次热处理次数。

5　结语

我公司应用了空气冷却系统生产的两件组合横梁前部，经检测，均达到了技术协议要求。证明采用空气冷却系统的铸造工艺是可行的。

[1]李弘英. 铸造工艺设计[M]. 北京：机械工业出版社，2005.2.

编辑陈秀娟

ApplicationofAirCoolingSystemduringProductionofCastingsatFrontofCompositeBeam

YangHongzhou,WangHua,LiJinquan

Thespecialprocessandtheoperationmeasureshavebeenpreparedforburnt-onsandandthecrackappearedduringtheproductionprocessoflargethick-wallcastingsatthefrontofcompositebeam.Byreasonablyapplyingtheaircoolingsystem,theissueofburnt-onsandhasbeensolved,soastoavoidthesecondarycracksduetoremovingtheburnt-onsand.

largethick-wallcasting;burnt-onsand;crack;aircoolingsystem

2016—02—18

杨洪洲(1988—)，本科，助理工程师，从事专业铸造。

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