低压铸造中钢包热—结构耦合分析及优化

2020-10-22

世界有色金属 2020年14期

关键词：钢水温度场耦合

（鑫诚建设监理咨询有限公司，北京，100089）

低压铸造是在装有金属液的密闭钢包中通入高压气体，金属液通过升液管被压入指定的型腔内，保压一定时间后凝固以形成铸件的一种方法。而钢包作为盛装金属液的压力容器，对其工作条件与性能要求较高，具体表现在以下几个方面：

（1）钢包需承受来自金属液的高温与充入介质气体的高压；

（2）为降低压铸造中的热量损失，防止金属液在升液管中堵塞，钢包应有良好的保温作用，并将包壁温度控制在300℃以下；

（3）钢包金属包壁应满足足够的强度。

为验证钢包是否满足上述条件，本文根据以往钢包的设计经验[1-4]，结合低压铸造实际所需条件，如金属液体积、钢包空间尺寸，钢包材料性质等，建立钢包的三维有限元模型，分析钢包的温度场结果及热-结构耦合结果，并通过不断的优化设计，使钢包满足低压铸造的所需条件。

1 钢包模型建立

1.1 结构尺寸设计

在以往钢包设计的基础上，针对所需铸件材料的用量，设计出所需低压铸造钢包，低压铸造钢包结构尺寸为：内腔深度（H1）1838mm，总体高度（H2）2413mm，内径（D内）1580mm，锥度为15%，按盛钢体积换算，实际容积（V）2.613×109mm3。圆周面积1.1705×105mm2，上口表面积4.019×104mm2，下底面积1.754×104mm2。钢包结构如图1所示。

1.2 材料选择

由于热能传递三种基本方式，热传递由钢包内衬和外壁材料导热系数决定，热对流由空气对流系数决定，热辐射由钢包表面积及周围环境温度决定，因此，钢包热能传递过程中需要了解材料的导热系数、密度、比热容，钢包所处环境空气自然对流系数及辐射系数等，设计的钢包尺寸参数如表1所示，选择的材料物性参数如表2[5-6]。

表1 钢包的材质与厚度

表2 钢包材料的物性参数

2 钢包温度场分析

2.1 网格划分

将钢包三维实体模型导入到 ANSYS Work bench 中对钢包进行的网格划分，其中有限元模型采用自由网格划分，对过渡拐角处进行网格细化，有限元模型共有单元378390 个，节点 813865 个。

图2 网格划分图

图3 温度场结果

表3 钢包材料的物性参数

2.2 边界条件及结果

钢水注入到钢包内后，忽略钢水状态运动及钢水热运动，可视不同部位钢水的温度是均匀相等且温度不变，则与钢水接触钢包工作层温度载荷为1600℃，对包壁加载自然对流，将辐射对流换热换算为自然对流换热加载到包壁上，钢包盖和钢包体工作层没有和钢水接触的部位受到钢水液面的辐射。加载后进行计算，得出钢包整体温度分布图，如图3所示。根据钢包温度场模拟结果可得出钢包壁温度范围在183℃-245℃之间，而钢包底端拐角处，钢包盖顶端拐角处等距钢水较远的位置，平均温度在110.2℃-147.3℃之间，此温度对于蠕变温度在350℃以上的钢包壳材料能够满足强度要求。

3 钢包热-结构耦合分析

热-结构耦合是温度和应力之间影响的结果，ANSYS给出2种计算方法，即间接法和直接法。间接法是先完成有限元模型温度场计算，之后将节点温度结果加载到应力分析结果中。直接法是采用耦合单元，将温度载荷与结构载荷共同施加在有限元模型上，计算结果受到温度与应力同时作用。本文不仅需要研究钢包温度场，也应考虑钢包温度场对应力场的影响，因此采用间接法先对钢包的温度场进行求解，进而求解其他结构的热应力。

3.1 材料的物性参数

钢包物性参数如表3所示，其中包括材料导热系数、密度、比热容、膨胀系数、弹性模量、泊松比。

3.2 施加边界条件

（1）钢包在注入钢水后，钢包温度上升，钢包温度场中各个零件的温度作为载荷施加在结构应力分析中。

（2）由于钢包在冲压过程中可视为静止状态，可将钢包底面节点上下方向的位移约束。

（3）钢包内充入气体压力，将钢包工作层内壁施加压力，压力值等于冲入的气体压力值。

3.3 热结构耦合结果

当介质气体压力值为1Mpa，从图中可以看出，钢包外壁底端偏上处的应力最大，应力值为229.03Mpa，这是由于钢包底端偏上部位正是钢包内衬的底端，钢包内充入气体压力，气体压力对钢包内衬底端转角处有力矩的作用，力矩由内衬传递到包壁，最终使包壁底端偏上部位的应力值达到最大。对于钢包盖来说，由于气体压力对其压力的作用，与上述原理相同，最后应力由内衬传递到包盖外壁，在包盖直径最大的部位出现最大值，其应力大小为140Mpa。