基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证
ZL102凝固过程瞬态温度场的模拟与验证
铸造过程数值模拟技术正逐渐成为铸造工艺设计 和优化的主要工具， 而凝固过程温度场的数值模拟是
１ 凝固过程数值模拟数学模型
其核心内容之一， 是预测缩孔、缩松、热裂和宏观偏 析等铸造缺陷 的基础［１－２］。自２０世纪６０年代以 来， 各国 学者围绕材料参数、初始条件、边界条件和结晶潜热 的处理方法， 各种数值算法的具体实现等问题， 对凝 固过程温度场的数值模拟开展了一 系列研究［３－７］。对于 凝固过程温度场的数值模拟， 目前的研究重点是如何 进 一 步 提 高 模 拟 精 度 和 计 算 效 率［８］。 笔 者 针 对 一 具 体 砂 型铸造工艺方案， 利用有限单元法进行凝固过程温度 场的数值模拟。模拟过程充分考虑材料和边界条件等 模拟参数的非线性特征， 采用等价比热容法处理结晶 潜热。同时， 对该铸造工艺进行测温实验， 测温曲线
开始浇注时， 砂型的初始温度为３０．０ ℃， ＺＬ１０２的 浇注温度为６８０．０ ℃， 三个热电偶的测量温度 （ 分别用 ＴＣ１Ｍ、ＴＣ２Ｍ和ＴＣ３Ｍ表示） 曲线如图２所示。
３ 温度场的数值模拟
３．１ 数值模拟已知条件 为保证模拟精度， 充分考虑了材料参数的非线性
特征， ＺＬ１０２和干砂型的密度、导热系数和比热容均随 温度变化， 具体数值如表１所示。ＺＬ１０２的固相线温度 为Ｔｓ＝５７４．０ ℃， 液相线温度为ＴＬ＝５８０．０ ℃， 结晶潜热为 Ｌ＝４８０．０ ｋＪ／ｋｇ。另 外 ， 砂 型 表 面 与 外 界 空 气 的 对 流 换 热系数为１５．０ Ｗ／ｍ２Ｋ。
ｃｐｅ＝ｃｐ－
Ｌ
"ｆｓ "Ｔ
（ ７）
若结晶潜热在凝固区间均匀释放， 则固相率ｆ（ｓ Ｔ） 与 温度Ｔ的关系满足式 （ ６） ， 此时等价比热容的表达式为：
利用凝固模拟技术优化铸造工艺实例
２０ ０ ３ ０ ９）
摘要： 采用有限元模拟仿真软件对铝合金汽车座椅骨架低压铸造工艺进行数值模拟 ， 研究了低压铸造加压工 艺中的充型压力、 充型加压速率及增压压力对铸件缩松缩孔的影响。模拟结果表 明： 充型压力和充型加压速率的
提高， 有助于提高薄壁件的充型能力 ； 对于特定的薄壁件， 存在一个临界增压速率， 使得缩松缩孔率最小。 另外， 随 着增压压力的提高 ， 缩松缩孔率减小。 关键词： 铝合金 ； 低压铸造 ； 大型薄壁件； 数值模拟； 缩松缩孔 中图 类号： ９ ． ９ 文献标识码： ； 分 Ｔ ３ １９ ； Ｐ Ａ 文章编号： ０ ６ ９ ５ （ Ｏ ） ６ ３ ｌ ０ — ６ ８２ 儿 ０ — 低压铸造具有经济性好 ，充型能力强 ，平稳可控
图 １ 下 圆梁 原 工 艺
图 ２ 下 圆梁第二次改进方案
收稿 日期 ：０ １ ０ — ２ ２１－７２ 文章编号 ：０ １ １２ ２ １ － １
把改进方案二确定为最终工艺方案 ，经生产实践
证 明 ， Ｉ下 没有 出现缩 孔及 缩松 缺陷 。 冒＝ Ｉ 用凝 固模 拟技
作者简介 ： 翁玉珍（ ９ ６ ）女 ， １ ６ 一 ， 工程师 ， 从事铸造技术工作
３０ｍ ， ５ ｃ 因此还 需进 一步 改进 工艺 。
个实例 ， 明其实际应用效果 。 说
１ Ｙ ４０ Ｐ ０ ０下 圆梁
Ｙ ４０ Ｐ ００下 圆梁 ， 铸件重 ２ｔ尺寸 ：５０ ｍ １８ ９， ２ ０ｍ ｘ ２０ ｍ ｘ ９ ０ ｍ。 ｍ １０ ｍ 该件的特点就是厚大。 原工艺 ： 保温冒口 ９ ０ ｍｘ６ ０ ｍｘ５ ０ ｍ一个 ；内冷铁用 ｏ ２ ｍ 圆 ８ｍ １０ ｍ １６ ｍ ｌｍ 钢 ， 圆钢之 间的距离为 ｌＯ ｍ， 两 Ｏ ｍ 圆钢上 、 下层交错均 匀分布 ， 冷铁 （ 圆钢 ） 距离铸件周边 １０ ｍ； ０ｍ 工艺 出品 率 ６． 采用该工艺生产时 ， ２ ％。 ６ 铸件 冒口下部常出现缩 孑、 Ｌ缩松和裂纹问题 。采用 Ｃ Ｅ模拟软件对该工艺进 Ａ
5.55t双锥度方型钢锭模设计
２０ ０ ８年 ， 口用 ２ ０ｍ ５ ｍ 高 档铁 路 出 ５ ｍ ｘ ０ｍ ２ 用 车轴 坯用 钢 ， 用 的是 经 ５ １ 钢 锭模 改 进 后 使 ．７ ｔ 的 ５ ５ ｔ 型钢 锭 生产 。２ ０ ． 方 ０ ９年 初 ， 户变 更 标 用
图 １ 两 种 锭 型 外 观 比较
Ｆｉｕ ｅ １ Ａｐ ａａ ｃｅ ｃ ｍｐａｉｏ ｆｔ ｎ ｏ ｙ ｅ ｇ ｒ ｐｅ ｒ ｎ ｏ ｒｓ ｎ ｏ ｗｏ ｉｇ ｔｔｐ ｓ
坯 探伤 质量符 合 标准要 求 ， 计 了 ５５ 锭 型 。 设 ．５ｔ
１ 设 计思 路
表 １ 两 种 锭 型 主 要 设计 参数 比较
部以下的锥度 ， 能够提高钢锭中部的致密度 ， 降低疏松 、 缩孔 缺陷 ， 有利 于夹杂物 的上浮 ， 达到提 高钢锭冶金质
量 的 目的 。
关键词 ： 锥度 ； 锭 ； 双 钢 设计
中 图 分 类 号 ：Ｆ７ Ｔ７ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ５ Ｄｏ ｂ ｅ Ｔａ ｅ ｑ ａ ｅ Ｉ ｇ ｔ ｓｇ ｆ５． ５ｔ ｕ ｌ ｐ ｒ Ｓ ｕ ｒ ｎ ｏ
Ｔａ ｅ １ Ｍ ａ ｎ ｄｅ ｉｎ ａｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｃ ｍ ｐａｒｓ ｎ ｂｌ ｉ ｓｇ ｐ ａ ｔｒ ｏ ｉｏ ｏ ｗｏ ｎ ｔｔ ｐｅ ｆｔ ｉ ｇｏ ｙ ｓ
由于 探 伤 质 量 标 准 更 严 ， ２ ０ ｍ ×２ ０ 原 ５ ｍ ５ ｍ ｍ普 通车 轴 坯 用 锭 型 已 不适 用 。因 此 ， 锭 型 新
空心钢锭凝固过程缺陷的模拟研究
空心钢锭凝固过程缺陷的模拟研究张博;朱花;赵晓东;何文武;陈慧琴【摘要】利用有限元软件ProCAST对65t空心钢锭底注式凝固过程进行了数值模拟.根据实验条件和实验结果,分析确定了最终凝固位置在距离内壁35％壁厚处时的内壁界面换热系数为400 W/m2·K.采用相同的锭型、浇注方式和边界条件对4.2 t Mn18Cr18N空心钢锭进行了模拟研究,分析了不同浇注温度和浇注速度下的凝固过程.结果表明,在浇注温度为1 415℃,浇注速度为25 kg/s条件下,实现了顺序凝固,最终凝固位置在冒口内,钢锭内没有出现宏观缩孔疏松,冒口根部下方靠近钢锭内壁处存在条状的显微缩松.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】7页(P35-41)【关键词】空心钢锭;数值模拟;凝固;缩孔缩松【作者】张博;朱花;赵晓东;何文武;陈慧琴【作者单位】太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TG111传统的空心钢锭是由实心钢锭经过多道机械加工工序得到的，例如镦粗、冲孔等。
传统制造技术存在许多弊端，例如能耗高、工序繁琐、材料利用率低、生产周期长等。
为了解决这些弊端，空心钢锭制造技术应运而生。
法国、日本、德国等多个国家在这一技术上取得了突出的成绩。
空心钢锭制造技术与传统制造技术相比具有缩短工艺流程、降低生产成本以及提高生产效率等一系列的优势[1-4]。
早期由于技术手段的不发达，主要采取实物解剖的方法对钢锭进行研究，虽然结果准确，但是存在费用高、浪费大、实验周期长等缺点，阻碍了钢锭的研发生产。
计算机技术的飞速发展，使得模拟仿真技术成为研究钢锭质量与性能的一种全新手段，如今该技术已基本成熟，进入了实用化阶段。
基于钢水凝固收缩数值模拟优化设计连铸结晶器锥度
基于钢水凝固收缩数值模拟优化设计连铸结晶器锥度
蔡少武;王同敏;李军;许菁菁;罗大伟;李廷举
【期刊名称】《特种铸造及有色合金》
【年(卷),期】2008(0)S1
【摘要】利用ANSYSTM软件建立了结晶器内钢水凝固传热及弹塑性应力分析有限元模拟模型。
传热边界条件采用修正热流密度函数,考虑了气隙的影响,采用了温度依赖的材料热物性参数、力学性能和屈服函数。
在二次开发的基础上,利用多场间接耦合的方式对4种圆坯和2种方坯(不同钢种及工况)的凝固收缩变形过程进行数值模拟。
以铸坯边界的凝固收缩曲线为依据,完成抛物线型连续锥度结晶器型腔的设计。
【总页数】4页(P107-110)
【关键词】结晶器;抛物线型锥度;凝固收缩;数值模拟
【作者】蔡少武;王同敏;李军;许菁菁;罗大伟;李廷举
【作者单位】大连理工大学材料科学与工程学院及三束材料改性国家重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TF777
【相关文献】
1.马钢大圆坯连铸结晶器内钢水流动与凝固过程的数学模拟 [J], 骆小刚;吴耀光;彭世恒;仇圣桃;张建平
2.FTSC薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热的数学模拟 [J], 曹立军;朱立光;薛勇强
3.用凝固收缩模拟优化方钢坯连铸结晶器 [J], T.;M.;Wang;乔林锁;高志国;
4.板坯连铸结晶器内钢水流场和传热凝固数值模拟 [J], 李广海;赵连刚
5.钢连铸圆坯结晶器锥度数值模拟优化 [J], 蔡少武;王同敏;李军;许菁菁;杜艳艳;曹志强;李廷举
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400t级大型钢锭的凝固过程模拟及试制
400t级大型钢锭的凝固过程模拟及试制
桑宝光;殷文齐
【期刊名称】《一重技术》
【年(卷),期】2013(000)002
【摘要】利用 Procast 软件包对大型钢锭凝固过程进行计算机模拟，确定合理的
铸造工艺。
通过对实际生产的大型钢锭进行解剖分析，没有发现宏观缩孔疏松缺陷，表明工艺设计合理，生产的钢锭满足使用要求。
【总页数】5页(P53-57)
【作者】桑宝光;殷文齐
【作者单位】一重集团大连设计研究院有限公司工程师，辽宁大连 116600;一重
集团大连设计研究院有限公司高级工程师，辽宁大连 116600
【正文语种】中文
【中图分类】TG26
【相关文献】
1.大型垂直定向凝固钢锭凝固过程数值模拟 [J], 徐建辉;孙利刚
2.不同冷却条件下的钢锭凝固过程模拟 [J], 李玉华;常福华;刘孝义
3.钢锭模设计对大型锻造钢锭的凝固和内部质量的影响 [J], 田代晃一;胡承宗（译）
4.530 t特大型真空钢锭凝固过程热传递特性研究 [J], 吴穷
5.帽口保温砖结构对大型钢锭凝固过程的影响分析 [J], 宫惠爽
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基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证
（a） 方案1
（b） 方案2 图2 三种设计方案模拟结果的温度场分布 Fig. 2 Temperature filed distribution of the three design schemes
B/mm 1 200 1 200 1 100
C/mm 300 280 270
D/mm 315 330 320
E/mm 1 920 1 890 2 010
注：方案1为旧模具；方案2、3为拟新设计的模具。
固的原则，最后凝固的部位集中在冒口附近。而方案1 （旧模具） 和方案3中的凝固顺序则不合理，具体表现 为“U”字形开口较小，同时高温区域过长，冒口部 位的钢液难以对锭身部位进行充分补缩，致使最后凝 固区域进入钢锭本体，从而易在凝固过程中在锭身部 位形成二次缩孔及疏松等缺陷。
同时由图2可以看出，三种设计方案中钢锭完全凝
然后进行装配，将装配体各组件生成STL格式的文件 固时间 （特别是冒口完全凝固时间） 有着较大的差别，
导入AnyCasting铸造模拟软件的前处理模块中，完成 方案1中的完全凝固时间为30 181.2 s，新设计的方案3
初始条件、边界条件及物性参数的设置。分别对3组设 计方案进行充型和凝固过程的数值模拟，凝固过程中 得到的温度分布见图2。三种设计方案中钢液凝固过程 的趋势基本一致，轴向上都是由钢锭底部向钢锭顶部
图1 钢锭模结构与主要尺寸标识
Fig. 1 Steel ingot mold structure and marks of main dimension
大型钢锭凝固过程三维数值模拟
大型钢锭凝固过程三维数值模拟李文胜;沈丙振;周翔;沈厚发;柳百成【摘要】开发了大型钢锭凝固过程三维模拟程序.利用本程序对53 t钢锭的凝固过程进行了模拟,预测的钢锭和锭模中典型测试点的冷却曲线、钢锭完全凝固时间及冒口一次缩孔形状等与商用有限元软件ProCAST的计算结果吻合良好.【期刊名称】《大型铸锻件》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】大型钢锭;凝固;温度场;数值模拟【作者】李文胜;沈丙振;周翔;沈厚发;柳百成【作者单位】清华大学机械工程系,北京100084;中信重工机械股份有限公司,河南471039;中信重工机械股份有限公司,河南471039;清华大学机械工程系,北京100084;清华大学机械工程系,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TG156.3随着电力、冶金、石化、船舶等工业领域重大装备中锻件的大型化，使用的钢锭也在向超大型化方向发展。
大型钢锭中通常存在缩孔、缩松等缺陷。
由于实验研究代价高，因此数值模拟成为认识这些缺陷和优化钢锭设计的重要途径[1、2]。
文献中有关钢锭凝固过程传热现象的数学模型多为二维或轴对称模型[1,3～6]。
实际上，钢锭的传热是三维的，目前的计算条件也可以满足大型钢锭三维计算的要求。
最近，文献[7、8]利用商用有限元软件ProCAST[9]对钢锭凝固过程进行了三维模拟。
但是，文献[7]仅对实测的缩孔形状进行了比较，而文献[8]预测的凝固时间与实测差别较大。
显然，模拟结果的准确性及软件的实用性，取决于模型与方法的准确性，同时也取决于材料物性参数、界面换热系数等基本参数是否符合实际。
本文开发了大型钢锭凝固三维模拟程序FT-INGOT，同时通过与ProCAST计算结果的比较与验证，得出了53 t钢锭冷却曲线、凝固时间和一次缩孔形状。
图1 53 t钢锭尺寸与测试点位置的示意图Figure 1 Dimension of 53-ton ingot and locations for temperature comparison1 研究对象本文研究对象为53 t钢锭。
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摘 要 ：采用铸造模拟软件对生产过程中易出现缩孔 、 疏松的１ ５ ｔ 钢锭进行了凝固模拟分析，预测了缩孔 、疏松的位
置及大小 ，模 拟结果 与实际解剖 结果一致 。在凝 固模 拟的基础 上 ，设计 了一系列新 的钢锭模 ，根 据模拟结 果较好 的 钢锭模进行 了模具制作 ，在生产 中，新钢锭模 取得 了良好 的效果 。
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ４ ＶＯ １ ． ６ ３ ＮＯ ． ３
铸
造
・２ ４ ９・
Ｆ ＯＵＮ ＤＲ Ｙ
基 于凝 固模拟 的钢锭模锥度 设计 与验证
徐 亚 东・ 一 ，沈厚发 ，雷丙 旺 ，胡永 平 ，韩 非
（ １ ．内蒙古北方重工业集 团公 司，内蒙古 包头 ０ １ ４ ０ ３ ３ ；２ ． 清华大学材料 学院，北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
ＸＵ Ｙａ — ｄ ｏ ｎ ｇ 。 ， Ｓ ＨＥ Ｎ Ｈｏ ｕ — ｆ ａ ２ ， Ｌ ＥＩ Ｂｉ ｎ ｇ — ｗａ ｎ ｇ ， ＨＵ Ｙｏ ｎ ｇ — ｐ ｉ ｎ ｇ ， ＨＡＮ Ｆ ｅ ｉ
（ １ ． Ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｍｏ ｎ ｇ ｏ ｌ ｉ ａ Ｎｏ ｒ ｔ ｈ Ｈｅ ａ ｖ ｙ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｂ ａ ｏ ｔ ｏ ｕ ０ １ ４ ０ ３ ３ ， Ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｍｏ ｎ ｇ ｏ ｌ ｉ ａ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
质 量 提 出了更 高 的要求 。缩 孔 、疏松 仍然 是 特定 钢种 钢 锭 的 主要 内部 缺 陷 。随 着 ３ ６ ０ ＭＮ 模 锻 压机 的建 设 ， 传 统 的钢 锭模 结构 设计 正 在融合 计 算机 辅助 分析 。为
了避 免缩孔 、疏松 ，必 须优 化设 计钢 锭模 与 冒 口形状
关 键词 ：凝 固模 拟 ；优化设 计 ；钢锭 中图分 类号 ：Ｔ Ｇ２ ６ １ 文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ ０ １ — ４ ９ ７ ７（ ２ ０ １ ４ ）０ ３ — ０ ２ ４ ９ — ０ ４
Ｓｔ ｅ ｅｌ Ｉ ｎ ｇ ｏ ｔ Ｍｏ ｌ ｄ ’ Ｓ Ｔａ ｐ ｅ ｒ Ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ａ ｎ ｄ Ｖａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ Ｓｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
曼！ ２ ： Ａ Ｖ 升口
（ １ ）
及 尺寸等 工艺参数 和发热材 料等辅助 工艺 。
钢 锭 凝 固过 程 是 一个 涉 及 高 温凝 固 的复 杂 过 程 ， 式中 ： ｐ 为密度 ，ｋ ｇ ・ ｍ。 。 ；Ａ 为导 热 系数 ，Ｗ ・ ｍ・ Ｋ ；ｔ 为时 间 ，ｓ ；Ｈ为焓 ，Ｊ ・ ｋ ｇ ；堤 温度 ，Ｋ；ｇ 是 源项 ， 包括 发热剂散 失的热量 ，ｗ ・ ｋ ｇ 一 。
军 工 、核 电 、重 机及 风 电等 高端装 备 制造 对 钢锭
程 中的数学 模型 ，对 钢锭 的凝 固过 程做 下处 理 ：① 凝 固过 程 的潜热 释放 按热 焓法 处理 ；②钢 液 流动对 传 热 的影响采用 等价导热 系数 法处理 。
建立 的钢 锭凝 固传热 三维非稳态 数学模 型如下 ：
ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｔ ｆ ｗａ ｒ ｅ ． Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｒ ｉ ｎ ｋａ ｇ ｅ ｎｄ ａ ｐ ｏ ｒ ｏ ｓ ｉ ｙ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ
ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｗｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ； ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｔ
Ａｂ ｓ ｌ ￣ｃ ｔ ： Ａ １ ５ ｔ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ￣ｉ ｎ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｓ ｈ ｒ ｉ ｎ ｋ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｏ ｒ ｏ ｓ ｉ ｔ ｙ ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｔ ｆ ｅ ｎ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｗａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ