畢業(yè)論文基于FLOW3D橫澆道集渣效果研究

1、基于flow-3d仿真的橫澆道集渣效果研究摘 要夾雜缺陷對(duì)鑄件產(chǎn)生嚴(yán)重破壞作用。在澆注過(guò)程中，橫澆道具有一定捕獲夾雜物的功能，即集渣作用。為了探索橫澆道的集渣作用，本文以含碳量為0.50%的碳鋼為例，并利用flow-3d模擬軟件研究了橫澆道的形式、澆注系統(tǒng)的類(lèi)型、集渣包等對(duì)集渣效果的影響。仿真結(jié)果表明：橫澆道充滿可以明顯提高集渣效率，半封閉式澆注系統(tǒng)比封閉式和開(kāi)放式集渣效果好；忽略阻力系數(shù)的影響，橫澆道橫截面的變化及彎曲不利于提高集渣效果，其中雨淋式集渣效果最好；橫澆道上設(shè)置集渣包有利于提高集渣效率，其中離心式集渣包集渣效果最好。關(guān)鍵字 集渣，橫澆道，flow-3d，澆注系統(tǒng)類(lèi)型 abstra

2、ctinclusion defects seriously damage the casting quality. in pouring process, the runner has a function to capture inclusions. to explore the effect of drag collection of runner,this paper takes 0.50% carbon steel for example, and it studies the effect of the form of runner, the type of gating syste

3、m, the dirt trap on drag collection by using flow-3d simulation software . simulation results show that: runner residue being filled can significantly improve the collection efficiency, and the semi-closed gating system is better than the closed and the open one; ignoring the impact of the resistanc

4、e coefficient, the cross section changes of the runner and its bending are not suitable for increasing the effectiveness of drag collection , and the rain-type gating system is the best ; setting diet trap on runner is good for raising the effectiveness of drag collection, and the whirl-gate diet tr

5、ap is the best for the set of java package.key words drag collecting，runner，flow-3d，type of gating system目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1選題背景11.2計(jì)算機(jī)在鑄造上的應(yīng)用和發(fā)展11.2.1模擬軟件應(yīng)用的意義21.2.2 flow-3d簡(jiǎn)介21.3橫澆道集渣原理31.3.1夾雜缺陷對(duì)鑄件的影響31.3.2橫澆道集渣原理32 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)62.1實(shí)驗(yàn)方法62.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)62.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容72.3.1不同澆注系統(tǒng)類(lèi)型設(shè)計(jì)72.3.2橫澆道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)82.3.3集渣包設(shè)計(jì)93

6、集渣效果數(shù)值模擬113.1 flow-3d的設(shè)置113.2集渣效果仿真過(guò)程123.2.1不同澆注系統(tǒng)類(lèi)型的仿真過(guò)程123.2.2不同橫澆道形式仿真過(guò)程133.3.3不同集渣包的仿真過(guò)程144 結(jié)果與分析154.1模擬仿真結(jié)果154.2結(jié)果分析164.2.1澆注系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)集渣效果的影響164.2.2橫澆道形式對(duì)集渣效果影響164.2.3設(shè)置集渣包對(duì)集渣效果影響164.2.4粒子大小對(duì)集渣效果影響175 結(jié)論18參考文獻(xiàn)19致謝21 1 緒論1.1選題背景我國(guó)是一個(gè)較早掌握鑄造技術(shù)的文明古國(guó)。在古代時(shí)侯，我國(guó)就已經(jīng)能用鑄造方法生產(chǎn)出很多鑄造產(chǎn)品，如耕地的犁、鋤、鐮以及一些兵器等。古代的鑄造方法是以

7、簡(jiǎn)單的砂型鑄造為主，由于技術(shù)、設(shè)備等原因，生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量往往達(dá)不到需求，也無(wú)法生產(chǎn)一些要求較高的鑄件，隨著時(shí)間的推移，人們?cè)阼T造方面不斷地進(jìn)行探索，并取得了較大的突破，目前已經(jīng)研發(fā)出離心鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造等一系列較先進(jìn)的鑄造方法。這些鑄造方法與古代鑄造方法相比都較大的提高鑄件質(zhì)量。當(dāng)然由于技術(shù)不斷改進(jìn)，先進(jìn)設(shè)備的使用，砂型鑄造的鑄件質(zhì)量也得到了較大的改善。但是無(wú)論何種鑄造方法都無(wú)法避免一個(gè)普遍存在的問(wèn)題鑄件缺陷，鑄件缺陷嚴(yán)重影響鑄件的性能，甚至導(dǎo)致廢品，部分鑄件廢品率甚至達(dá)到30%，這必然加大材料的浪費(fèi)，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，促使生產(chǎn)成本提高。鑄件的缺陷種類(lèi)很多，比如氣孔、夾雜、粘砂、澆不到、

8、冷裂、冷隔、變形等，而在這些缺陷中，夾雜類(lèi)缺陷占較高比例。據(jù)報(bào)道，在鑄造生產(chǎn)中,由于夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的 50% 60%【1】，因此減少鑄件夾雜可以大大降低廢品率，降低生產(chǎn)成本。目前普遍認(rèn)為橫澆道具有一定的捕獲夾雜物功能即集渣作用，因此提高橫澆道集渣作用可以減少鑄件的夾雜類(lèi)缺陷，這將會(huì)大大降低廢品率，從而降低生產(chǎn)成本，這也正是本課題研究的初衷和意義所在。1.2計(jì)算機(jī)在鑄造上的應(yīng)用和發(fā)展我國(guó)是一個(gè)鑄造大國(guó)卻不是鑄造強(qiáng)國(guó)，要想成為一個(gè)鑄造強(qiáng)國(guó)，就必須向鑄造強(qiáng)國(guó)看齊，適應(yīng)當(dāng)代世界經(jīng)濟(jì)全球化、快節(jié)奏的趨勢(shì)，做到市場(chǎng)反應(yīng)快速、低成本、高質(zhì)量、高效率，這就必須對(duì)傳統(tǒng)鑄造業(yè)進(jìn)行提升

9、和改革。在傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，一般情況設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要成功運(yùn)用于生產(chǎn)或者設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的工藝方案，往往都需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)多個(gè)“設(shè)計(jì)試澆優(yōu)化”循環(huán)，這樣勢(shì)必花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程會(huì)增加產(chǎn)品的研發(fā)成本和研發(fā)周期，總之，傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)其成本較高，這已經(jīng)無(wú)法滿足鑄造行業(yè)發(fā)展需求。從目前來(lái)看，鑄造行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、確定工藝參數(shù)，通過(guò)仿真預(yù)測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，從而采取的防止措施，優(yōu)化工藝方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、清潔的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)應(yīng)用逐步使鑄造工藝研究從“定性”走向“定量”、從“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”2

10、-4。1.2.1模擬軟件應(yīng)用的意義數(shù)值模擬是計(jì)算機(jī)在鑄造上的重要應(yīng)用之一。數(shù)據(jù)顯示，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)可以縮短產(chǎn)品試制周期的40%，降低生產(chǎn)成本30%，生產(chǎn)效率提高25%【5】，因此越來(lái)越多的公司加大了對(duì)計(jì)算機(jī)模擬軟件的研究，并取得了不錯(cuò)的成果。目前國(guó)外普遍采用的鑄造模擬軟件有美國(guó)的procast和flow-3d，德國(guó)的magmasoft，芬蘭的castcae，西班牙的forcast，日本的casttem，法國(guó)的simulor，瑞典的novasolid。我國(guó)在這方面起步較晚，但進(jìn)展迅速，目前開(kāi)發(fā)的模擬軟件有清華ft-star和華中科技大學(xué)的華鑄cae【6】。利用模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)行模擬

11、仿真，可以觀察到產(chǎn)品的缺陷，以便去改進(jìn)工藝，最終得到較理想的生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)鑄造中多次試生產(chǎn)的過(guò)程將由模擬仿真代替，這大大減少了試生產(chǎn)所需要的財(cái)力和勞力，極大提高了生產(chǎn)效率，從而大大降低生產(chǎn)成本。目前我國(guó)模擬軟件在鑄造上的應(yīng)用仍然非常少，絕大多數(shù)工廠仍然以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為主，即由設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行試生產(chǎn)。其主要原因：一方面是由于工廠的模式太過(guò)傳統(tǒng)，對(duì)于新的信息了解少，新的形勢(shì)認(rèn)識(shí)不足，無(wú)法對(duì)傳統(tǒng)的鑄造進(jìn)行提升；另一方面，由于我國(guó)這方面起步晚，加之缺少對(duì)這方面的人才培養(yǎng)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)在鑄造上的應(yīng)用型人才基本處于空缺狀態(tài)。1.2.2 flow-3d簡(jiǎn)介由于本課題是以flow-3d仿真

12、軟件作為研究基礎(chǔ)，下面對(duì)flow-3d軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。flow-3d由國(guó)際知名流體力學(xué)大師dr.c.w.hirt創(chuàng)作，1985年發(fā)布使用。flow-3d是一款三維工程流體力學(xué)分析軟件，主要用于模擬具有自由表面的流體的流動(dòng)問(wèn)題，是高效能的計(jì)算機(jī)仿真工具，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如：航空航天、水利、海運(yùn)、環(huán)境工程、金屬鑄造、微機(jī)電系統(tǒng)、噴涂等領(lǐng)域。雖然flow-3d的功能強(qiáng)大，優(yōu)勢(shì)也很明顯，但仍存在一些不足之處9,14。flow-3d的主要優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)我卉浖缑嬲狭怂袉?wèn)題的網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模擬計(jì)算和后處理，通過(guò)選擇模型、選擇求解方程和求解方式(隱式、顯式)，實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化控制；流場(chǎng)仿真效果出眾

13、，尤其是高速流動(dòng)；基于有限差分法的網(wǎng)格劃分，可自動(dòng)劃分網(wǎng)格并提供多組塊網(wǎng)格劃分，操作簡(jiǎn)單、不易出錯(cuò)，并且使用了自由網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格不易失真【7】。flow-3d的不足：應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域時(shí)，仿真鑄造應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定性差，并且材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的熱物性參數(shù)，如密度、熱導(dǎo)率、比熱、潛熱、熱膨脹系數(shù)等是某一溫度下的常數(shù)，而不是溫度的函數(shù)，與實(shí)際情況偏差較大。另一方面，參數(shù)設(shè)置時(shí)，無(wú)關(guān)參數(shù)干擾嚴(yán)重，影響了仿真的穩(wěn)定性和結(jié)果的準(zhǔn)確性【7,21】。flow-3d在鑄造方面主要用于金屬液態(tài)流動(dòng)充型、凝固收縮、應(yīng)力場(chǎng)、二元偏析、表面缺陷追蹤等分析等，并且可以模擬不同金屬材料的各種鑄造過(guò)程，如：壓鑄、低壓鑄造、重力、傾斜重力鑄造

14、、消失模鑄造、砂模鑄造、離心鑄造、半固態(tài)鑄造等【3-6】。針對(duì)本課題研究，主要采用重力砂型鑄造。1.3橫澆道集渣原理1.3.1夾雜缺陷對(duì)鑄件的影響鑄件中夾雜物對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，夾雜物主要是一些非金屬氧化物、金屬氧化物、硫化物、硅酸鹽或氮化物等，其來(lái)源甚為復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，受耐火材料、爐體、空氣氧化等外因的影響愈大，夾雜物的顆粒就愈大。目前普遍認(rèn)為鑄造生產(chǎn)中的夾雜主要是冶煉過(guò)程和澆注過(guò)程中產(chǎn)生的。冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的渣團(tuán)主要有鋼渣、高爐渣。鋼渣根據(jù)爐型可分為電爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、平爐渣，是在冶煉金屬的過(guò)程中排出的固體廢物，主要成分是鈣、鐵、銅、硅、鎂、鋁、錳、磷等氧化物。高爐渣中主要成分為cao、s

15、io2、al2o3，是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的廢物。當(dāng)爐溫達(dá)到14001600時(shí)，爐料熔融、礦石中的脈石、焦炭中的灰分、助溶劑和其他不能進(jìn)入生鐵中的雜質(zhì)形成以硅酸鹽和鋁酸鹽為主浮在鐵水上面的熔渣，這些熔渣在出鐵水時(shí)被拔除，但是無(wú)法完全拔除干凈。澆注過(guò)程產(chǎn)生的夾雜物主要有：鋼流的二次氧化；塞頭、水口、中注管、場(chǎng)道磚受鋼流浸蝕或沖刷的產(chǎn)物；澆包中的熔渣和錠模的保護(hù)渣所帶入的夾雜物。 鑄件中的夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，造成金屬組織的不均勻性，使金局的力學(xué)性能，特別是金屬的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度受到影響，對(duì)金屬的物理化學(xué)性能也產(chǎn)生不良影響，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等，因此必須盡量降低鑄造夾雜【8

16、-10,20】。1.3.2橫澆道集渣原理目前，預(yù)防鑄件夾雜缺陷一般采用過(guò)濾、撇渣、浮渣等方法。在澆注系統(tǒng)中安置過(guò)濾網(wǎng)能有效地預(yù)防夾雜。但是，在澆注系統(tǒng)安置過(guò)濾網(wǎng)也有很大局限性，首先，過(guò)濾網(wǎng)的加入不能充分發(fā)揮直澆道的液態(tài)補(bǔ)縮能力，鑄件工藝出品率顯著降低。其次是過(guò)濾網(wǎng)不能太小，因此對(duì)于較小的夾雜是無(wú)法去除的。另一方面，最重要的是過(guò)濾網(wǎng)價(jià)格不菲，這會(huì)大大提高生產(chǎn)成本【11】。目前，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都考慮“浮渣法”，即利用渣團(tuán)自身上浮到橫澆道頂部被截獲。橫澆道是位于內(nèi)澆口和直澆道之間的中間通道，它有效的將內(nèi)澆道與直澆道連接起來(lái)，是澆注系統(tǒng)最重要的組元。橫澆道的主要作用是向內(nèi)澆道平穩(wěn)的輸送金屬液，

17、除此之外它還有一個(gè)重要作用就是儲(chǔ)存最初澆入的含氣和渣污的低溫金屬液并阻留渣滓，因此橫澆道又叫捕渣道。目前對(duì)于中小鑄件多采用橫澆道進(jìn)行擋渣。橫澆道的集渣原理如圖1.1（a）所示，由于渣團(tuán)密度比金屬小，渣團(tuán)在浮力作用下上浮，同時(shí)隨金屬液作水平運(yùn)動(dòng)，如果渣團(tuán)能上浮到橫澆道的頂部或超過(guò)內(nèi)澆道的吸動(dòng)區(qū)，渣團(tuán)就不會(huì)進(jìn)入型腔，實(shí)現(xiàn)集渣。若橫澆道與內(nèi)澆口高度設(shè)計(jì)不當(dāng)，渣團(tuán)就容易進(jìn)入型腔，如圖1.1（b）為設(shè)計(jì)不良的橫澆道。圖1.1 橫澆道阻渣原理 a正確 b 錯(cuò)誤根據(jù)橫澆道集渣原理，如果渣團(tuán)在進(jìn)入內(nèi)澆口前能上浮到橫澆道的頂部或超過(guò)內(nèi)澆道的吸動(dòng)區(qū)，渣團(tuán)就不至于進(jìn)入型腔，實(shí)現(xiàn)集渣作用。所以有人認(rèn)為只要將橫澆道設(shè)計(jì)

18、的足夠長(zhǎng)，內(nèi)澆口足夠遠(yuǎn)，渣團(tuán)就有充足的時(shí)間上浮，從而被截獲。但是其中一個(gè)很重要問(wèn)題是若橫澆道太長(zhǎng)、太高會(huì)造成浪費(fèi)金屬液量的浪費(fèi)，這勢(shì)必增加生產(chǎn)成本，不符合生產(chǎn)要求。另一方面影響橫澆道集渣的因素很多，不僅僅只與橫澆道自身有關(guān)，還與直、橫、內(nèi)澆道的配合，金屬液粘度、流速等有關(guān)。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，可以推出渣團(tuán)勻速上浮速度： 式（1.1）式中 r 渣團(tuán)半徑 ； 金屬液密度； 渣團(tuán)密度； g 重力加速度，等于9.8m/s2； c 渣團(tuán)上浮的阻力系數(shù),與流體的雷諾數(shù)有關(guān)，詳見(jiàn)表1.1。表1.1 不同雷諾數(shù)re下的阻力系數(shù)cre1102103104105106c2810-31.110-30.4610 - 3

19、0.4210 - 30.3910 - 30.1410 - 3根據(jù)以上公式可以看出橫澆道捕渣作用與渣團(tuán)密度、渣團(tuán)半徑、阻力系數(shù)等有關(guān)，當(dāng)然直澆道與內(nèi)澆口存在一定距離使得渣團(tuán)有時(shí)間上浮是集渣的前提條件。部分專(zhuān)業(yè)人士對(duì)橫澆道集渣效果進(jìn)行了研究，并得出一些結(jié)論，例如楊屹教授進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究【12】，根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為橫澆道需充滿才能保證集渣效果，同時(shí)平直的橫澆道有利集渣。除此之外，文獻(xiàn)13和14中明確指出要使橫澆道具有集渣作用，其中一個(gè)必要條件是橫澆道高度必須大于內(nèi)澆口的吸動(dòng)區(qū)。因此怎樣才能使集渣效果好但又能盡量減少浪費(fèi)金屬液呢？這是本課題將研究的重點(diǎn)，本文將進(jìn)一步對(duì)橫澆道的集渣作用進(jìn)行探索。由于f

20、low-3d軟件仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果接近度高達(dá)95%6，數(shù)據(jù)可信度非常高，這對(duì)于研究具有非常重要的意義，基于flow-3d眾多優(yōu)勢(shì)，本文采用flow-3d對(duì)集渣效果進(jìn)行研究。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)方法本文以長(zhǎng)方體作為鑄件，鑄件長(zhǎng)為200mm，寬為100mm，高為100，如圖2.1所示。鑄件材料為0.50%碳鋼（液態(tài)密度=6.98g/cm2），鑄件的質(zhì)量為13.96kg。設(shè)計(jì)出研究需要的各種實(shí)驗(yàn)方案，利用flow-3d進(jìn)行模擬仿真，并以粒子作為渣團(tuán)，最后將進(jìn)入型腔的粒子數(shù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2.1 鑄件2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)本課題需要的主要參數(shù)包括流體種類(lèi)、澆注溫度、粒子（渣團(tuán)）類(lèi)型、粒子密度、粒子數(shù)量、渣

21、團(tuán)密度、內(nèi)澆口面積、內(nèi)澆口于直澆道距離、流動(dòng)類(lèi)型（紊流和層流)、壓頭高度、內(nèi)澆口的截面積以及產(chǎn)生的總的粒子數(shù)量等，部分參數(shù)選擇如表2.1。 表2.1 參數(shù)選取流 體渣團(tuán)密度/g .cm-3粒子數(shù)量/個(gè)壓頭高度/mm流動(dòng)類(lèi)型內(nèi)澆口截面積/cm2澆注溫度 /k當(dāng)量直徑/mm0.50%的碳鋼2.5250200紊流4.4180017本文以0.50%碳鋼進(jìn)行研究；鋼渣的密度一般在2.03.0g.cm2，本文選取平均值2.5g.cm-2作為鋼渣密度；鑄造中流體流動(dòng)均為紊流；查閱文獻(xiàn)15計(jì)算得內(nèi)澆口截面積為4.4cm2，壓頭高度200mm；根據(jù)本文研究情況粒子當(dāng)量直徑取1-7mm；粒子總數(shù)設(shè)置為250，且在

22、整個(gè)過(guò)程保持不變。根據(jù)橫澆道的集渣原理，可知在內(nèi)澆口與直澆道之間需存在一定的距離，才能使渣團(tuán)有時(shí)間上浮，這是集渣的前提條件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證這個(gè)最小距離。澆注過(guò)程中流動(dòng)通常為紊流re2300，根據(jù)上述表1.1在紊流范圍內(nèi)選取最大的阻力系數(shù)c=0.4610 3；設(shè)最小可被截獲粒子當(dāng)量直徑為1mm，則最小的半徑r=0.5mm，將上述數(shù)據(jù)帶入公式1.1，可計(jì)算得最小上浮速度vmin=0.427m/s。本文中橫澆道最大高度為30mm，則粒子上浮到橫澆道頂部最大上浮時(shí)間tmax=0.7；流體在橫澆道長(zhǎng)度方向速度v，可根據(jù)本文設(shè)計(jì)的壓頭高度計(jì)算得v=1.97m/s，故直澆道與內(nèi)澆口的最小距離距離lmi

23、n=vt=1.970.7=137.9mm，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，直澆道與內(nèi)澆口的距離需要大于137.9mm.。.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容據(jù)以上所述橫澆道集渣作用影響因素很多，本文就針對(duì)其中一些主要的影響因素來(lái)探討橫澆道集渣作用。其中探討的主要內(nèi)容包括澆注系統(tǒng)類(lèi)型、橫澆道的結(jié)構(gòu)形式、集渣包的使用幾方面。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)主要包括以下一些內(nèi)容：澆注系統(tǒng)類(lèi)型為封閉、半封閉、開(kāi)放式三類(lèi)； 橫澆道的形式主要是變截面、彎曲及雨淋式；集渣包主要有鋸齒型、梯形和離心式。 2.3.1不同澆注系統(tǒng)類(lèi)型設(shè)計(jì) 澆注系統(tǒng)類(lèi)型主要有封閉、開(kāi)放式，但通常認(rèn)為在兩者之間還存在一種半封閉式3-5,20。封閉式澆注系統(tǒng)又稱(chēng)充滿式澆注系

24、統(tǒng)即所有組元都能被金屬液充滿，主要優(yōu)點(diǎn)是可防止金屬液卷入氣體，消耗金屬液少，清理方便，缺點(diǎn)是進(jìn)入型腔的金屬液流速高，易產(chǎn)生噴濺和沖砂，使金屬液發(fā)生擾動(dòng)、渦流、氧化。適用于鑄鐵的濕型小件及干型中、大件。開(kāi)放式又稱(chēng)非充滿式，金屬液不能充滿所有的組元。主要優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)入型腔的速度小，充形平穩(wěn)，沖刷力小，氧化輕，但是當(dāng)直澆道為非充滿式，也容易產(chǎn)生高度紊流，造成嚴(yán)重氧化，在設(shè)計(jì)時(shí)要慎重考慮。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)放式金屬液消耗多，不利于清理，常用于非鐵合金、球鐵、鑄鋼等易氧化鑄件。半封閉是介于封閉式澆注系統(tǒng)于開(kāi)放式澆注系統(tǒng)之間的另一種澆注系統(tǒng)類(lèi)型，它以橫澆道截面積最大，充型時(shí)仍充滿狀態(tài)，但較封閉式晚，充型較封閉平穩(wěn)，

25、卷氣較少，比較適用易氧化的金屬8,11。在設(shè)計(jì)上述三種澆注系統(tǒng)時(shí)，其中內(nèi)澆道截面形式為長(zhǎng)方形，截面面積s內(nèi)=4.4cm2，查閱文獻(xiàn)5取橫澆道截面為梯形，直澆道截面為圓形。封閉式：取澆口比s內(nèi)：s橫：s直=1：1.5：2=4.4：6.8：8.8，根據(jù)橫澆道截面積查閱文獻(xiàn)15選擇尺寸詳見(jiàn)表2.2；經(jīng)計(jì)算直澆道截面直徑d=32mm，其他尺寸詳見(jiàn)表2.2。半封閉式：取澆口比s內(nèi)：s橫：s直=1：1.4：1.2=4.4：6.2：5.3，經(jīng)計(jì)算直澆道截面直徑d=26mm，橫澆道尺寸選取及其他尺寸詳見(jiàn)表2.2。開(kāi)放式：澆口比s內(nèi)：s阻：s橫：s直=2：0.8：2：1=4.4：1.56：4.4：2.2,經(jīng)計(jì)算

26、直澆道截面直徑d=16mm,整個(gè)澆注系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸詳見(jiàn)表2.2。 表2.2 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸名稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖三維幾何圖全封閉式s內(nèi)：s橫：s直=1：1.5：2半封閉s內(nèi)：s橫：s直=1：1.4：1.2開(kāi)放式s內(nèi)：s橫：s直=2：2：1注：三種澆注系統(tǒng)s內(nèi)均為4.4cm22.3.2橫澆道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)根據(jù)楊屹教授實(shí)驗(yàn)12，橫澆道形式變化不利于提高橫澆道集渣效果。本文將對(duì)橫澆道形式進(jìn)一步研究，在本文里，橫澆道的形式主要是指截面積變化及長(zhǎng)度方向上彎曲變化。橫澆道截面積的變化僅指面積變化，而截面形狀保持不變的，在整過(guò)研究過(guò)程中，橫澆道截面始終保持為梯形。本文將以幾種典型常見(jiàn)的橫澆道變化形式【2

27、0】做研究，主要包括截面積變化、橫澆道有臺(tái)階、頂注雨淋式。最后將上述三種橫澆道仿真結(jié)果與平直橫澆道模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 幾種橫澆道結(jié)構(gòu)形式及尺寸詳見(jiàn)表2.3，澆口比：s內(nèi)：s橫：s直=1：1.4：1.2=4.4：6.2：5.3，經(jīng)計(jì)算直澆道截面半徑d=26mm。 表2.3 不同橫澆道結(jié)構(gòu)形式及尺寸名稱(chēng) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 三 維 幾 何 圖特 點(diǎn)變截面以橫澆道為阻流，充型平穩(wěn)，適用于中大鑄件生產(chǎn)。表2.3 不同橫澆道結(jié)構(gòu)形式及尺寸 續(xù)臺(tái)階式橫澆道長(zhǎng)度上發(fā)生轉(zhuǎn)折，充型過(guò)程，易發(fā)生擾動(dòng)。頂注雨淋式內(nèi)澆道多，液流分布均勻，對(duì)型腔沖擊小。能實(shí)現(xiàn)順序凝固，有良好的補(bǔ)縮能力，有利于獲得組織致密的鑄件。平

28、直截面紊流弱，流動(dòng)平穩(wěn)，充型穩(wěn)定。2.3.3集渣包設(shè)計(jì)集渣包是橫澆道上被局部加高、加大的部分，顧名思義集渣包即用于收集渣團(tuán)粒子，它的主要作用就是收集橫澆道內(nèi)上浮的夾雜物。集渣包的形式很多，對(duì)于不同形式的集渣包，集渣效果也不盡相同。最常見(jiàn)的集渣包類(lèi)型有齒形、梯形和離心式。齒形集渣包通常又分為順齒形和逆齒形。根據(jù)理論知識(shí)，順齒形集渣包，流體經(jīng)過(guò)集渣包時(shí)，渣團(tuán)因上浮被集渣包所捕獲停留在其中，能起到一定的集渣效果。對(duì)于逆齒形集渣包，金屬液流經(jīng)集渣包時(shí)，截面積變大，齒形方向與流動(dòng)方向相反，因此極易產(chǎn)生渦流，渣團(tuán)隨渦流卷入其中，最終停滯在集渣包內(nèi)。逆齒形比順齒集渣效果好，在實(shí)際生產(chǎn)中用的較廣泛，但是在星形

29、澆注系統(tǒng)和活塞環(huán)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)順齒形用得較多【16】。離心式集渣包是指金屬液以切線方向進(jìn)入圓形集渣包。根據(jù)理論情況，金屬流入集渣包時(shí)，斷面會(huì)突然增大，導(dǎo)致流速大大降低并在集渣包內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，渣團(tuán)就會(huì)向旋轉(zhuǎn)中心集中、浮起留在集渣包頂部。離心式集渣包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：出口截面積需小于入口，方向和液流旋轉(zhuǎn)方向相反【17-19】。國(guó)內(nèi)多數(shù)工廠在設(shè)置集渣包,多采用梯形截面集渣包。由于梯形截面比齒形截面大得多，特別是高度易于“調(diào)節(jié)”，夾雜與浮砂易上浮集中在頂部，不容易進(jìn)入內(nèi)澆口吸動(dòng)作用區(qū)域，集渣效果較好，并且梯形集渣包比齒形和離心式更容易造型，因此用得更廣泛。本文對(duì)上述四種常見(jiàn)集渣包（順齒、逆齒、離心式、梯形）和無(wú)集

30、渣包進(jìn)行模擬仿真，然后將設(shè)置集渣包的模擬結(jié)果與無(wú)集渣包進(jìn)行對(duì)比分析。集渣包的結(jié)構(gòu)及尺寸詳見(jiàn)表2.4集渣包結(jié)構(gòu)及尺寸。 表2.4 集渣包結(jié)構(gòu)及尺寸名稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖三維幾何圖順齒集渣包逆齒集渣包梯形集渣包離心式 集渣包無(wú)集渣包3 集渣效果數(shù)值模擬3.1 flow-3d的設(shè)置flow-3d的使用時(shí)，主要流程包括cad建模模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置仿真計(jì)算結(jié)果分析，其中最關(guān)鍵的是網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置。flow-3d三維幾何體是利用網(wǎng)格進(jìn)行填充的，設(shè)置網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格的大小要適當(dāng)，如網(wǎng)格尺寸太小整過(guò)模擬過(guò)程計(jì)算會(huì)變得很復(fù)雜，導(dǎo)致整過(guò)仿真時(shí)間太長(zhǎng)。若網(wǎng)格尺寸太大會(huì)使三維幾何圖產(chǎn)生缺失，從而無(wú)法得到準(zhǔn)確結(jié)果。參數(shù)基本

31、設(shè)置包括global、physies（物理參數(shù)）、fluids（流體設(shè)置）、meshing&geometry、boundaries（邊界條件）、intial（初始條件）、output(結(jié)果輸出)、numeries，如圖3.1flow-3d的基本參數(shù)設(shè)置。圖3.1 基本參數(shù)設(shè)置 由于本實(shí)驗(yàn)涉及到渣團(tuán)，并且渣團(tuán)在整個(gè)仿真過(guò)程中是一個(gè)關(guān)鍵性因素，因此渣團(tuán)設(shè)置是否合理將影響到整個(gè)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。flow-3d軟件利用有質(zhì)量粒子作為渣團(tuán)，粒子設(shè)置如圖3.2所示，主要包括粒子類(lèi)型（particle type）、粒子大小及密度（size and density）、初始條件（initialization）、

32、物理性質(zhì)(properties)、自由表面的相互作用(free surface interaction)、粒子列表（particle list）。粒子設(shè)置時(shí)需注意粒子直徑不能大于網(wǎng)格的直徑，這是該軟件的一個(gè)不足之處。本文網(wǎng)格為正方體，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為7mm，因此在設(shè)置粒子時(shí)，當(dāng)量直徑不能大于7mm。圖3.2 粒子設(shè)置3.2集渣效果仿真過(guò)程為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬過(guò)程時(shí)，除了需要研究的內(nèi)容，每一組其他參數(shù)均保持一致。3.2.1不同澆注系統(tǒng)類(lèi)型的仿真過(guò)程 在仿真封閉式、半封閉、開(kāi)放式三種澆注系統(tǒng)集渣過(guò)程中，可以觀察：橫澆道充滿情況；充填型腔的穩(wěn)定性或者充填速度；粒子在型腔和橫澆道的分布情

33、況。如圖3.3為不同澆注系統(tǒng)充填過(guò)程，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為5mm。 a)半封閉式b)封閉式 c)開(kāi)放式圖3.3 不同澆注系統(tǒng)仿真過(guò)程3.2.2不同橫澆道形式仿真過(guò)程 不同的橫澆道形式集渣效果也不同，如圖3.4為不同橫澆道充填過(guò)程，從整個(gè)充填過(guò)程，可以觀察流體流動(dòng)情況、速度、粒子流動(dòng)及分布，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為5mm。a)變截面b)臺(tái)階式c)頂雨淋式d)平直橫澆道 圖3.4 不同橫澆道仿真過(guò)程3.3.3 不同集渣包的仿真過(guò)程 如圖3.5不同集渣包充型仿真過(guò)程，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為2mm。充填過(guò)程中，可觀察粒子的在橫澆道和集渣包運(yùn)動(dòng)情況及最終粒子在型腔和集

34、渣包分布情況。 a)順齒b)逆齒c)梯形d)離心式圖3.5 不同集渣包仿真過(guò)程 4 結(jié)果與分析4.1模擬仿真結(jié)果模擬結(jié)果主要包括：進(jìn)入型腔的粒子數(shù)n0、進(jìn)入集渣包的粒子數(shù)n1、進(jìn)渣率k、阻渣率k0以及集渣包的集渣率k1，其中：k、k0、k1計(jì)算如式4.1、4.2、4.3，其中n為粒子總數(shù)。 式（4.1） 式（4.2） 式（4.3） 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4.1、4.2所示。表4.1 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)組 數(shù)名 稱(chēng)當(dāng)量直徑d/mm粒子總數(shù)n/個(gè)流入型腔粒子數(shù)n1/個(gè)進(jìn)渣率k/%阻渣率k0/%第一組封閉式52501305248半封閉52911.688.4開(kāi)放式52108416第二組變截面 5 3915.684

35、.4臺(tái)階式55421.678.4雨淋式5218.491.6平直52610.490.6第三組順齒25722.877.2逆齒23915.684.4梯形25622.477.6離心式2166.493.6無(wú)集渣包29638.461.6表4.2 集渣包的集渣率名稱(chēng)集渣包內(nèi)粒子數(shù)n1/個(gè)集渣包集渣率k1/%順齒形集渣包15160.4逆齒集形渣包13955.6梯形集渣包9638.4離心式集渣包17871.24.2結(jié)果分析4.2.1澆注系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)集渣效果的影響從第一組數(shù)據(jù)中，各種澆注系統(tǒng)的類(lèi)型阻渣率：半封閉封閉開(kāi)放式。在整個(gè)仿真過(guò)程中可以觀察到粒子主要是在充型初期進(jìn)入型腔的，也就是說(shuō)在澆注初期，橫澆道呈未充滿狀

36、態(tài)，粒子無(wú)法上浮到橫澆道頂部，進(jìn)而進(jìn)入型腔。開(kāi)放式澆注系統(tǒng)金屬液無(wú)法充滿橫澆道，渣團(tuán)無(wú)法上浮到橫澆道頂部，幾乎不能起到阻渣作用，而封閉式澆注系統(tǒng)橫澆道可以快速充滿，集渣效果好，因此可以說(shuō)橫澆道充滿對(duì)提高集渣效果具有重要作用。相對(duì)于封閉式而言，半封閉不僅可以充滿橫澆道，并且沖擊小，紊流弱，充型平穩(wěn)，有利于渣團(tuán)上浮，集渣效果好于封閉式。4.2.2橫澆道形式對(duì)集渣效果影響從第二組數(shù)據(jù)可以看出，集渣效果：雨淋式平直橫澆道變截面臺(tái)階式。根據(jù)公式1.1可知，阻力系數(shù)越小，渣團(tuán)上浮速度越快，越易截獲，由于阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，紊流越強(qiáng)，雷諾數(shù)越大，而澆注中流體基本是以紊流為主，液體流動(dòng)雷諾數(shù)在104105級(jí)

37、，不難發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)與阻力系數(shù)關(guān)系表1.1中，阻力系數(shù)變化很小，阻力系數(shù)相差c=0.0410-3，因此在本文中，阻力系數(shù)對(duì)渣團(tuán)上浮速度影響可忽略。從結(jié)果看，平直橫澆道集渣效果比變截面和臺(tái)階式好，這說(shuō)明截面變化及彎曲都會(huì)對(duì)橫澆道集渣效果產(chǎn)生不利影響。從充型過(guò)程中，也可以看到平直橫澆道流速低、金屬液在橫澆道內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)，渣團(tuán)易于上浮。因此可以認(rèn)為忽略了阻力系數(shù)的影響，影響集渣效果的主要因素是充型的平穩(wěn)性。因此流速低、流動(dòng)穩(wěn)定更有助于渣團(tuán)上浮，渣團(tuán)更容易被截獲，而截面變化及彎曲增加充型的不穩(wěn)定性，增強(qiáng)紊流，不利于渣團(tuán)上浮。而雨淋式結(jié)構(gòu)盡管橫澆道發(fā)生了彎曲，但集渣效果很好，主要是雨淋式澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口多沖擊

38、力小，流速小，充型平穩(wěn)，有利于集渣，集渣效果好。在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，雨淋式對(duì)于非圓類(lèi)鑄件不適用，多用于圓柱類(lèi)鑄件。對(duì)于非圓類(lèi)鑄件設(shè)計(jì)時(shí)橫澆道應(yīng)盡量避免截面變化和彎曲，降低流動(dòng)的不穩(wěn)定性，提高集渣效果，減少鑄件夾雜。4.2.3設(shè)置集渣包對(duì)集渣效果影響根據(jù)第三組數(shù)據(jù)，集渣效率：離心式梯形逆齒順齒無(wú)集渣包。從結(jié)果可以看出集渣包對(duì)集渣效果具有明顯的作用，特別是離心式的集渣包使用大大減少了夾雜。金屬液進(jìn)入離心式集渣包，產(chǎn)生強(qiáng)力渦流，渣團(tuán)向集渣包中心集中，由于金屬液從集渣包流出時(shí)，出口較進(jìn)口小，渣團(tuán)不易流出，最后在集渣包內(nèi)上浮留在其中，集渣效果好。梯形集渣包的高度以及截面積都較齒形集渣包大，集渣效果較齒形好

39、。在逆齒集渣包內(nèi)，流體會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)渦流，渣團(tuán)易進(jìn)入集渣包，集渣效果較順齒好?？傊?，集渣包有利于提高集渣率，減少鑄件夾雜。一般情況下集渣包用得不多，除非是一些要求較高的鑄件，一方面集渣包在造型時(shí)很麻煩，會(huì)增加勞動(dòng)強(qiáng)度；另一方面，最重要的是集渣包特別是離心式和逆齒形充型時(shí)，對(duì)外來(lái)大顆粒渣團(tuán)有較好的集渣作用，但是產(chǎn)生強(qiáng)力的紊流，紊流會(huì)破壞流動(dòng)情況，從而破壞已形成的氧化膜，增加二次氧化，導(dǎo)致形成新的夾雜物，這些夾雜物可能進(jìn)入型腔無(wú)法去除，這將對(duì)鑄件性能產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)或使用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。4.2.4粒子大小對(duì)集渣效果影響 根據(jù)前面的設(shè)計(jì)情況，第二組平直橫澆道和第三組無(wú)集渣包是完全相同澆注系統(tǒng)，而模擬過(guò)程粒

40、子當(dāng)量直徑不同，從結(jié)果可以看到粒子當(dāng)量直徑大的澆注系統(tǒng)集渣效果好，即第二組平直橫澆道集渣效果好。圖4.1粒子運(yùn)動(dòng)情況，其中白色粒子為渣團(tuán)，圖中可以看到當(dāng)量直徑越大上浮速度越快。根據(jù)公式1.1可以知道渣團(tuán)半徑越大上浮速度越快。從上述實(shí)際模擬結(jié)果和理論情況均可以看出當(dāng)量直徑越大，上浮速度越快，集渣效果越好。a）當(dāng)量直徑d=5mmb) 當(dāng)量直徑d=2mm 圖4.1 粒子在橫澆道運(yùn)動(dòng)情況 5 結(jié)論1）橫澆道充滿可以明顯提高集渣效率，半封閉式?jīng)_擊小，紊流弱，金屬液在橫澆道內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)，渣團(tuán)易于上浮，集渣效果優(yōu)于開(kāi)放式和封閉式。2）忽略阻流系數(shù)影響，橫澆道截面的變化或彎曲會(huì)增加流動(dòng)的不穩(wěn)定性，不利于渣團(tuán)上浮

41、，渣團(tuán)不易被截獲。設(shè)計(jì)橫澆道時(shí)應(yīng)避免采用彎曲和變截面的橫澆道，盡量采用平直橫澆道，對(duì)于圓柱類(lèi)鑄件可考慮雨淋式澆注系統(tǒng)。 3）橫澆道上設(shè)置集渣包有利于提高集渣率，離心式比梯形式和齒形集渣包集渣效果好，但是在造型時(shí)，離心式及鋸齒形不易造型，并且在澆注過(guò)程中容易破壞橫澆道內(nèi)已形成的氧化保護(hù)膜，可能會(huì)使金屬液產(chǎn)生二次氧化，形成二次氧化夾雜物進(jìn)入型腔，不利于減少夾雜物，使用要慎重考慮，梯形集渣包方便簡(jiǎn)單，效果較好，對(duì)于多數(shù)鑄件目前仍然采用梯形集渣包。 4）渣團(tuán)粒子直徑越大，集渣效果越好。參考文獻(xiàn)1 張毅，鄔君飛. 鋼中非金屬夾雜物的分析研究進(jìn)展j. 寶鋼技術(shù)，2008，25(2)：37-40.2 張紅松

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