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【技术】加盖钢包 在低压铸造中的应用及热分析研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2018/8/23     浏览次数:    

低压铸造 是在装有金属液的密闭钢包中施加气体压力,金属液通 过升液管被压入到模具型腔内,保压一段时间后凝固,以形成铸 件的一种方法。其中保温 性能和密封效果是影响低压铸造的主要因素。

钢包做为 低压铸造中的盛钢容器,其压铸过 程中的保温性能直接影响钢水温度变化,通过计算 钢包外表面的热量损失可体现其保温性能优劣,在低压铸 造冲压之前与冲压过程中应尽量减少钢水的热量损失,否则由于 热量损失过多,钢水会在 升液管中凝结堵塞,无法填充 到模具型腔内。为保证低 压铸造顺利进行,应尽量减 少钢包的热量损失。

为了保证 铸件在压力下结晶,组织致密、轮廓清晰、表面光洁,具有较高的力学性能,需要在低 压铸造过程中对钢包与钢包盖进行密封,而包沿的 温度分布直接影响着密封效果。为了降低 密封圈材料的选取难度,减小温度 对密封圈寿命的影响,应尽可能 降低包沿密封处的温度。

近几年来,对钢包温 度场研究逐渐成熟,由于耐火 层材料及尺寸对钢包温度场的影响较小,更多学者 已将新型钢包的保温性能的研究重点集中在绝热层的材料、结构及厚度上,为钢包保 温性能研究提供了重要的参考。本文在以 往钢包设计的基础上,针对所需 铸件材料的用量,设计出所 需的低压铸造钢包,并建立钢 包的三维有限元模型,分析钢包 耐火层导热系数和厚度对钢包热量损失与温度分布的影响,为低压铸 造钢包的设计及密封圈的选取提供依据。

1钢包结构 及其材料物性参数


低压铸造 钢包结构尺寸为:内腔深度(H1)1.838m,总体高度(H2)2.413m,内径(D内)1.580m,锥度为15%,按实际盛钢量折算,有效容积(V)2.613m3,圆周面积11.705m2,上口表面积4.0192,下底面积1.754m2。钢包结构如图1所示,结构参数见表1,材料物性参数见表2。

图1钢包结构图

表1钢包的材质与厚度

表2钢包材料的物性参数

2钢包传热 数学模型与计算


2.1假设条件

根据钢包的结构特点,在建立钢 包传热数学模型时作如下假设:

(1)钢包包壁 视为无限长圆筒壁,包底、包盖为无 限大平板的稳态导热;

(2)忽略工作层损蚀,认为每个 工作过程工作层的厚度是均匀的。

(3)不考虑钢 水的热分层现象,认为钢水 的温度分布均匀;

(4)忽略钢水与工作层、包衬等各 层耐火材料及包壁之间接触热阻。

2.2边界条件

根据钢包 的实际工作情况及传热特点,忽略钢水热分层、工作层与 钢水接触热阻,耐火层内 侧与钢水直接接触,热量将从 耐火层内侧传递到耐火层外侧,然后只接触传导包壁,因此可视 工作层内壁温度为钢水温度;钢水液面 距包盖内壁距离为300mm,钢水未接触到包盖,钢水液面 对钢包内壁及包盖内壁进行辐射,经分析,辐射对未 接触钢水的内壁温度的提升至1000℃、包盖内壁提升至1100℃;钢包壳与 周围空气进行自然对流散热;包売通过 辐射向周围环境散热,由于辐射 换热为高度非线性计算,需要花费 大量的计算时间,本文采用简化形式,即将辐射 换热转化为对流换热形式。

自然对流换热系数,求解公式:

式中,Nu为努塞尔数;λ为周围空气的导热系

数,W/(moK)-1,d为钢包的高度,m;Gr为格拉晓夫数,Pr为普朗特数,取周围空 气平均温度的普朗特系数;C、n为常数,根据周围 空的流态取不同的经验数值;ν为空气的运动粘度,m2/s;tw为壁面温度,为周围空气温度℃。

辐射换热系数αr为

式中,ε为包底、包壁外表 面的黑度系数;c0为黑体辐射系数,C0=5.67W/(m2oK4)。

3温度场的 计算结果及分析


3.1耐火材料 导热系数对钢包温度分布的影响

钢包内衬 有不同的耐火材料,其导热系 数也不尽相同,导热系数 的大小直接影响到钢包温度场的合理分布,所以,通过分析 不同导热系数对钢包温度场的影响,可合理的 选择内衬材料,减少钢包 的热量损失及温度应力对钢包的破坏。

当设定钢液温度为1600℃,工作层、永久层、保温层、钢包売的 导热系数分别为1.15\V/(mo℃),0.5W/(mo℃),0.157W/(mo℃:)和50W/(mo℃),包壁周围空气温度为35℃时,包壁、包盖、包底的最高温度达到221.96℃、223.81℃、195.87℃时基本稳定,热量损失为49969.2W,其中包壁占74.87%,包盖占17.32%,包底占7.81%,可见包壁 为主要的热量损失部位,钢包的平均热通量为2435.15W/m2.

3.1.1工作层导 热系数的影响

图2为在不同 工作层导热系数条件下,包壁在纵 截面高度方向的温度分布曲线。从图2中可以看出,在其他条 件不变的情况下,随着工作 层导热系数的不断增加,包売表面 的温度不断上升,当工作层 的导热系数达到5W/(mo℃)时,包壁的最高温度接近340℃。图3为不同工 作层导热系数钢包热量损失,可以看出 随着工作层的导热系数由5W/(mo℃)降低到1.15W/(mo℃),钢包的热量损失减少40.28%;随着工作 层导热系数的不断增大,导热系数 对热量损失的影响逐渐减小。

图2不同工作 层导热系数包壳表面温度

图3不同工作 层导热系数钢包热量损失

3.1.2永久层导 热系数的影响

图4为在不同 永久层导热系数条件下,包壁在纵 截面高度方向的温度分布曲线。永久层导热系数增加,随着永久 层导热系数的增加,钢包表面 温度受导热系数的影响逐渐减小,包壁的最高温度从221.96℃上升到280.90℃,当永久层 的导热系数超过2W/(mo℃)时,对钢包表 面的温度几乎无影响。

(图4  不同永久 层导热系数包壳表面温度)

3.2耐火材料 厚度对钢包温度分布的影响

通过计算发现,在其他条 件完全相同时,仅改变工 作层或永久层的厚度对钢包的温度分布及热量损失影响不大,但由于绝 热层的导热系数较小,厚度的改 变对钢包的热状态影响较大。当绝热层的厚度d分别为5mm、10mm、15mm和20mm,其余的耐 火材料厚度不变,图6为不同绝 热层厚度包衬节点的温度。

图6  不同绝热 层厚度包衬节点的温度

区域1是工作层,区域2和3分别是永 久层和绝热层,区域4是包壳,从图中可以看出,由于各层材料的厚度,材质和物 性参数的不同,各层内的 温度梯度也不同,当绝热层厚度增加后,工作层和 永久层的温度梯度下降,绝热层的 温度梯度升高,包壳的温度显著降低。随着绝热 层厚度的增加,钢包工作层、永久层的 温度呈递增趋势,在绝热层厚度为20mm时,工作层、永久层、包壁的平 均温度分别为1275℃、860℃、235℃,而在绝热层为5mm时,工作层、永久层、包壁的平 均温度分别为1180℃、680℃、325℃,耐火层厚 度的改变对钢包的温度分布影响较大。

3.3密封包沿 处的温度分析

由于低压 铸造钢包密封处的温度约在150℃,增加了橡 胶密封圈的选取难度,通过上述 绝热层对钢包温度及保温性能的分析,绝热层厚 度对钢包的温度影响较大,可通过改 变包沿附近处绝热层的厚度,并将绝热 层应用到包盖,改变保温 层在耐火层中的位置等,可降低包沿处的温度。图8为改进后 包衬节点的温度分布,区域1是工作层,区域2和3是永久层和绝热层,区域4是包沿,从包盖中 绝热层厚度分别是5mm、10mm、15mm、20mm的温度曲 线图中可看出,随着绝热 层厚度的不断增加,包沿密封 处的温度不断降低,其对应的 密封处的温度分别为163.53℃、155.42℃、133.25℃、125.92℃,绝热层由10mm增加到15mm时,对密封处的影响最大,温降为22.17℃.当厚度在 其他范围变化时,对温度的影响很小;而当绝热层厚度为20mm时,改变绝热 层在耐火层中的位置,绝热层与 外壁距离分别为225mm、250mm、275mm时包沿密 封处的温度分布曲线,由图可看出,不同位置 的绝热层对密封处的温度没有影响,而仅改变 了耐火层内衬温度分布。

图8包沿密封处温度

4结论


1.钢包工作层、永久层的 导热系数对钢包有一定的影响,随着耐火 层导热系数的增加,导热系数 对钢包热量损失及温度分布的影响逐渐减小,当工作层 导热系数大于3时,对铁骨铮 铮包的热量损失影响减少,当永久层 导热系数大于2时,对包壳的 温度场及热量损失几乎无影响。

2.钢包的热 损失主要是通过包壁散失造成的,而影响包 壁热损失的主要原因是绝热层的厚度,绝热层厚度的增加,有效的减 少了包壁的热量损失及平均温度,绝热层由5mm增加到20mm,包壁平均 热量损失及温度分别减少了40.94%和31.77%,约16841W和90℃,其中绝热层厚度在10~15mm时,对钢包的 热量损失影响最大,钢包的绝 热层的合理厚度应大于15mm,可有效提 高钢包的保温性能。

3.将绝热层 应用至钢包盖中,减小了钢 包密封处的温度,其中绝热层的厚度在10~15mm时,对密封处 的温差影响最大,温差为22.17℃,所以包盖 绝热层的厚度应大于15mm;包盖绝热 层的位置对钢包密封处的温度无影响,而仅改变 了耐火层内衬温度分布。

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