臥式離心復(fù)合軋輥鑄造過程溫度場模擬

■ 孟效軻，蒲遠(yuǎn)忠，劉紅才

在離心復(fù)合軋輥生產(chǎn)過程中，復(fù)合層處良好的冶金熔合是獲得合格軋輥的保證。熔合深度過薄則結(jié)合不良，使用過程中易發(fā)生輥套剝落；熔合深度過厚則造成工作層材料的浪費(fèi)，且易導(dǎo)致工作層厚度不均。實(shí)際生產(chǎn)中，停機(jī)時間往往通過現(xiàn)場觀察測溫曲線獲得，而充芯溫度則根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定。本文希望模擬離心復(fù)合鑄造軋輥成形過程，對軋輥的工藝制訂提供量化的設(shè)計(jì)依據(jù)。

一、模型的建立

1. 分析模型

以1580高鉻鑄鐵工作輥為研究對象。工作層澆注溫度1400～1450℃，輥身金屬型轉(zhuǎn)速550～600r/min，17～22min澆注中間層，澆注溫度1380～1430℃；32～38min停機(jī)，40～45min澆注芯部鐵液，澆注溫度1400～1450℃。無損檢測重熔深度25～30mm。幾何模型如圖1所示。

2. 前提假設(shè)

由于工作層及中間層澆注時間較短，金屬液充型過程對整體凝固過程影響較小，為簡化模型，假定工作層及中間層瞬間充滿。

3. 模擬關(guān)鍵問題的處理

（1）金屬型外表面及工作層材料內(nèi)表面與大氣之間換熱系數(shù)的確定 鑄型-空氣換熱主要由兩部分組成，即輻射換熱和對流換熱。旋轉(zhuǎn)體系中的對流換熱與旋轉(zhuǎn)邊界層的流動特性密切相關(guān)。當(dāng)流體的旋轉(zhuǎn)速度較低或物體的表面溫度與流體的平均溫度之差較大時對流占優(yōu)勢；當(dāng)流體的旋轉(zhuǎn)速度足夠大時自然對流的影響很小，換熱主要取決于由旋轉(zhuǎn)形成的強(qiáng)制對流換熱。可根據(jù)鑄型的旋轉(zhuǎn)速度推算出流動的雷諾數(shù)，從而確定相應(yīng)的換熱系數(shù)。本文中根據(jù)轉(zhuǎn)速等設(shè)置金屬型外表面換熱系數(shù)為180W/m2·K。

（2）涂料層對換熱的影響 離心鑄造軋輥為避免金屬型激冷作用，需要在金屬型內(nèi)壁噴涂料。涂料厚度一般為0.5～3.5mm。涂料厚度對金屬型與工作層材料的換熱產(chǎn)生較大的影響。離心復(fù)合軋輥鑄造過程的重力系數(shù)一般為80～120，因此離心層鐵液對涂料會產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力，接觸壓力的大小也對換熱系數(shù)產(chǎn)生較大影響。隨著凝固的進(jìn)行，凝固的工作層收縮，工作層與金屬型之間將產(chǎn)生間隙。這間隙大幅延緩了工作層的散熱過程。隨著凝固厚度的增加，間隙逐漸增大，換熱系數(shù)也相應(yīng)減小。

圖1 幾何模型示意

綜合考慮以上因素，確定金屬型與工作層界面換熱系數(shù)隨時間變化如圖2所示。

二、結(jié)果及分析

1. 工作層及中間層溫度場模擬結(jié)果

澆注中間層、停機(jī)及澆注心部時的溫度場如圖3所示。由圖可知，工作層及中間層由內(nèi)向外溫度逐漸降低，屬單向凝固，內(nèi)表面溫度最高。

現(xiàn)場對工作層內(nèi)表面及金屬型外表面進(jìn)行了測溫。工作層凝固期間測溫結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖4所示。

由圖4可知，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相符。澆注中間層時，工作層剛完成凝固。若澆注時間提前，工作層未完成凝固，則一方面造成工作層材質(zhì)的浪費(fèi)，另一方面易形成工作層厚度不均。而工作層凝固后，由于無結(jié)晶潛熱的釋放，工作層溫度迅速降低，延后中間層澆注時間則易造成結(jié)合不良。

中間層凝固期間測溫結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖5所示。由圖5中可以看出，中間層凝固完成即可停機(jī)。停機(jī)過早，中間層未完成凝固，易發(fā)生滴落。停機(jī)后，輥身模需與上下輥頸箱組裝，組裝時間為10min左右。由圖4看出，澆注心部時，中間層內(nèi)表面溫度約980℃。若停機(jī)時間過晚，中間層溫度進(jìn)一步降低，可能造成結(jié)合不良，在使用中形成工作層剝落。

2. 重熔深度分析

澆入心部材料后，高溫的心部材料重熔掉部分中間層，從而形成冶金熔合。心部材料充型后其對中間層部分的重熔深度考慮兩種模型：一種是充滿型腔后即關(guān)閉流動計(jì)算，只考慮傳熱；另一種是充滿型腔后考慮金屬液流動對凝固過程的影響。由中間層內(nèi)表面向外每隔7mm選取特征點(diǎn)，作每點(diǎn)的溫度曲線，兩種模型的結(jié)果對比如圖6所示。

圖2 界面處換熱系數(shù)設(shè)置

圖3 不同時刻工作層及中間層溫度場

圖4 工作層凝固期間實(shí)測溫度與模擬結(jié)果對比

圖5 中間層凝固期間實(shí)測溫度與模擬結(jié)果對比

由圖6可知，若不考慮流動對凝固過程的影響，則心部材料對中間層的重熔深度為17～23mm。而考慮流動對凝固的影響時，則重熔深度在23～30mm，與無損檢測結(jié)果相符。分析認(rèn)為，充型完畢后，型腔中鐵液并未靜止，而是存在自然對流?？拷虚g層處，存在著一定的速度分布，該處的低溫鐵液在對流作用下代之以心部的高溫鐵液。高溫鐵液不斷侵蝕離心層，最終心部材料熔掉中間層，并實(shí)現(xiàn)冶金熔合。

圖6 中間層重熔深度分析

三、結(jié)語

（1）工作層完成凝固后即可澆注中間層，中間層完成凝固后即可停機(jī)。

（2）澆入心部材料后的凝固過程中，型腔中存在自然對流。在對流作用下，高溫鐵液不斷侵蝕中間層材料，并最終形成冶金熔合。