鋼錠模具設(shè)計和優(yōu)化方案

精品文檔-下載后可編輯鋼錠模具設(shè)計和優(yōu)化方案摘要:

完善了我公司空缺錠型125tCK系列，對充型、凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對可能存在的缺陷區(qū)域進(jìn)行了預(yù)判，同時也提出了兩個優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞:

鋼錠;鋼錠模;數(shù)值模擬;優(yōu)化設(shè)計

我公司現(xiàn)有下注鋼錠和真空鋼錠兩大類鋼錠，下注鋼錠系列采用冒口浮游式能達(dá)到各錠型間無縫銜接，真空鋼錠系列由于新老鋼錠模設(shè)計理念不同，造成各系列間存在空缺錠型。在當(dāng)今重機行業(yè)幾乎全面虧損的大環(huán)境下，我公司開展“鋼錠及其模具的優(yōu)化設(shè)計研究”來完善真空鋼錠錠型，彌補空缺，以提高鋼錠利用率，達(dá)到降低成本的目的。本文主要介紹125t級鋼錠及其模具的設(shè)計及優(yōu)化方案。

1背景

我公司真空鋼錠系列在103tCK和143tCK之間存在錠型空缺，而我公司承制的高中壓轉(zhuǎn)子類鍛件、加氫筒體類鍛件和核電類鍛件中部分鍛件選用的鋼錠錠型在125t左右，選擇143tCK系列(覆蓋范圍125t～143t)鋼錠利用率極低，成本居高不下。針對這一情況，我們對125t級鋼錠及其模具進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。

2鋼錠設(shè)計

合理分配鋼錠三大部分重量，能有效促進(jìn)鋼中夾雜物上浮，減少二次縮孔出現(xiàn)的幾率。鋼錠冒口部分的鋼水用來補充錠身的收縮，冒口過小，會造成錠身的縮孔與疏松，過大則會降低鋼錠利用率。冒口部分組織結(jié)構(gòu)較松，其內(nèi)縮孔的形成是因為鋼由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的體積收縮造成收稿日期:2022—11—19的［1］。我公司結(jié)合自有鋼錠模設(shè)計經(jīng)驗同時借鑒國外先進(jìn)理念，制定了125tCK鋼錠三部分比例。新老125t錠型各部分比例對比見表1。125tCK系列鋼錠在錠身比例上有很大的提高，這為提高鋼錠利用率提供了先決條件。125tCK系列鋼錠錠身主要參數(shù)見表2．125tCK系列采用底部揚臺浮游方式來調(diào)節(jié)錠型，通過調(diào)節(jié)揚臺伸入錠身的高度來調(diào)節(jié)錠身高度，實現(xiàn)鋼錠重量的可調(diào)節(jié)性，盡可能滿足鍛造選用鋼錠的合適度，進(jìn)一步提高鋼錠利用率。

3鋼錠模設(shè)計

鋼錠模外形通常有圓形、多邊形、波紋形，我公司此次鋼錠模設(shè)計采用波紋形外形。為避免脫模時鋼錠模冒口與錠身粘連導(dǎo)致鋼錠模冒口下沿?fù)p壞而影響正常使用，特增加冒口圈設(shè)計，一旦發(fā)生損壞情況，也只需更換冒口圈，這也可在一定程度上節(jié)約模具費用。鋼錠模示意圖見圖1。

4數(shù)值模擬

按照前文所述參數(shù)，經(jīng)數(shù)學(xué)計算，確定125tCK鋼錠及其模具的精確尺寸。鋼錠及其模具典型參數(shù)見表3。利用Anycasting軟件進(jìn)行模擬計算。鋼錠充型凝固數(shù)值模擬初始條件輸入見表4。利用Anycasting軟件，對125t鋼錠的充型過程、凝固過程進(jìn)行了模擬。在模擬過程中，對兩批次發(fā)熱劑加入量、發(fā)熱劑發(fā)熱值等參數(shù)進(jìn)行了一定范圍的調(diào)整，模擬了不同發(fā)熱劑加入量、不同發(fā)熱劑發(fā)熱值下鋼錠的凝固狀況，以期發(fā)現(xiàn)發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值對鋼錠凝固的影響效果。(1)充型過程溫度分布充型結(jié)束時鋼錠(鋼液)溫度分布見圖2。模擬結(jié)果顯示，125t鋼錠充型全程比較平穩(wěn)，液面沒有出現(xiàn)大幅度震蕩，鋼液靠近鋼錠模的部位溫度下降最多可達(dá)70℃。(2)凝固過程溫度變化凝固98%時鋼錠溫度分布見圖3。模擬結(jié)果顯示，充型結(jié)束21h40min后，鋼錠整體有98%已經(jīng)凝固，這一數(shù)據(jù)為確定鋼錠脫模時間提供了輔助依據(jù)。(3)凝固順序和收縮缺陷預(yù)測鋼錠孤立液相區(qū)見圖4。最后凝固的區(qū)域為孤立的液相區(qū)域，也就是我們通常所說的熱核點，這部分區(qū)域容易形成縮孔、疏松或者致密性不足等缺陷。從圖4可看出，125t鋼錠熱核點區(qū)域位于冒口部分，沒有延伸到錠身部分。

經(jīng)后處理分析，最后熱核點位于冒口下沿往上300mm以上的中心區(qū)域，這充分說明125t鋼錠冒口對錠身的補縮效果良好，為后續(xù)進(jìn)一步提高錠身比例(降低冒口重量)提供了支撐依據(jù)。Anycasting軟件通過組合缺陷參數(shù)(即Niya-ma判據(jù))來預(yù)測鋼錠缺陷出現(xiàn)的可能性，如圖5所示。Niyama判據(jù)值越大，表示該區(qū)域存在缺陷的可能性越大，反之則越小。模擬過程中常設(shè)置其參數(shù)值為0．001～0．01之間。對于碳鋼類，一般設(shè)置為0．005～0．01之間;對于合金鋼類，一般設(shè)置為0．001～0．005之間。本次模擬以合金鋼作為充型液，故分別模擬了參數(shù)值為0．001和0．005兩種情況。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)參數(shù)值設(shè)置為0．001時，鋼錠冒口存在縮孔可能，鋼錠錠身中上部中心存在疏松可能。當(dāng)參數(shù)值設(shè)置為0．005時，鋼錠冒口仍存在縮孔可能，但鋼錠錠身中上部中心疏松可能范圍就有很大程度的減少。已有研究表明，在高溫變形過程中，通過合理制定變形工藝可使孔洞閉合，通過高溫下的原子擴散和再結(jié)晶可使其進(jìn)一步焊合，從而改善材料的力學(xué)性能［2－5］。鍛造過程可在一定尺度范圍內(nèi)鍛合鋼錠中存在的長孔型缺陷和短孔型缺陷［6］。鋼錠的缺陷預(yù)判可為鍛造工序壓實方案提供一定的參考意見。截面顯示縮孔見圖6。模擬結(jié)果顯示，鋼錠冒口存在縮孔可能，鋼錠錠身無明顯疏松傾向。綜合Niyama判據(jù)和殘余熔體判據(jù)結(jié)果可以看出，125t鋼錠可能出現(xiàn)縮孔的位置位于冒口下沿往上300mm以上的中心區(qū)域，在錠身部分無顯著疏松區(qū)域。(4)發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值對鋼錠凝固的影響效果本次模擬中，通過調(diào)整發(fā)熱劑加入量和發(fā)熱值來觀察不同輸入值對鋼錠凝固的影響效果。

模擬結(jié)果表明，發(fā)熱劑發(fā)熱值一定的前提下，第一批發(fā)熱劑加入量為(0．5～0．8)kg/t鋼，兩批次發(fā)熱劑加入總量在(2．5～3．0)kg/t鋼范圍內(nèi)，能充分的、持續(xù)的向鋼錠供熱，保證冒口部分鋼水緩慢凝固。同時，發(fā)熱劑發(fā)熱值變化對鋼錠凝固有很大的影響，我們應(yīng)該選取發(fā)熱值≥7350J/kg的發(fā)熱劑。(5)小結(jié)綜合分析125t鋼錠模擬充型過程、凝固過程以及軟件對鋼錠缺陷的預(yù)判，我們認(rèn)為，125t鋼錠及其模具設(shè)計參數(shù)合理，能夠滿足生產(chǎn)需求。同時我們也提出該系列可在一定范圍內(nèi)降低冒口高度來降低冒口重量和提高錠身比例，達(dá)到提高鋼錠利用率的降本目的。

5優(yōu)化方案

結(jié)合125tCK鋼錠及其模具的模擬結(jié)果，我們提出了兩個優(yōu)化方案作為降本措施:(1)在保證鋼錠熱核點區(qū)域(最后熱核點)位于冒口部分的前提下，盡可能降低冒口高度，減少冒口部分重量，提高錠身比例;(2)CK系列中錠型調(diào)整時，冒口比例相應(yīng)調(diào)整，盡可能保持錠身比例不變。經(jīng)進(jìn)一步數(shù)值模擬，優(yōu)化方案一提出的“盡可能降低冒口高度”，最大可降低高度為800mm，即冒口重量可減少4t，錠身比例可提高2．6%。優(yōu)化方案二即在錠型調(diào)整時，保證冒口比例基本不變，但在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)125tCK錠型調(diào)整至106t以下，冒口高度降至800mm以下，鋼錠熱核點區(qū)域下降至錠身部分。

6生產(chǎn)實例

125tCK鋼錠系列自2022年開始使用以來，共生產(chǎn)鋼錠80支，檢測合格75支，合格率94%。使用125tCK鋼錠模生產(chǎn)的鋼錠分產(chǎn)品類別統(tǒng)計結(jié)果見表5。

7結(jié)論

(1)我公司自行設(shè)計的125tCK系列鋼錠及其模具各尺寸參數(shù)經(jīng)數(shù)值模擬輔