铸钢托轮铸造工艺模拟

艺出品率较低，经济效益差[2]。为此，本文根据该铸 件结构和材料特点、技术要求等，采用现代设计理论 对铸钢托轮进行合理的铸造工艺设计，并利用Z-Cast 软件对铸件的凝固过程进行数值模拟，提出改进的措 施，达到优化铸造工艺方案的目的[3，4]。
2 初始方案的模拟计算
2.1 初始方案的确定 结合铸件的尺寸和结构特点，确定加工余量、拔
关键词 大型托轮铸钢件 数值模拟 凝固 工艺优化
Simulation and Optimization of Casting Process for R2178 21-2A Large-scale Cast-steel Riding Wheel
Mi Guofa Dong Cuifen Zhao Dawei （College of Material Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000）
c t=14053s
a 凝固 50％时的温度分布
d t=20173s
图 4 凝固时间分布图
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b 凝固 100％时的温度分布
图 6 凝固过程温度场模拟
制造技术研究
航天制造技术
图 7 为改进方案后铸件各部分凝固时间的模拟结 果。铸件各部分的凝固时间分布和温度场分布的模拟 过程相一致。铸件实现了顺序凝固，且将最后凝固区 引向冒口（t=40409s 时），铸件各部分均得到充分补 缩，确保了铸件的质量。
研究[J]. 铸造，2004，53 (9)：732～735 11 郭庆. 铸件凝固过程的温度场模拟及缩孔、变形和热裂缺陷预测[D].
河北工业大学材料加工系，2002 12 王春乐. 铸钢件缩孔缩松预测方法及判据浅析[J]. 山西wenku.baidu.com械，2003，
(4)：8～10
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参考文献
1 曹挺立. 大型托轮铸造工艺方案的改进[J]. 机械工人，2006，(12) 2 王纪敏. 大型铸钢托轮的铸造[J]. 河北科技大学学报，2000，20(3)：1～
3 3 赵恒涛，米国发，等. 铸造充型及凝固过程模拟研究概况. 航天制造技
术，2007，(2)：28～33 4 弓兴隆. 计算机数值模拟技术在铸件生产中的应用[J]. 航天制造技术，
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是向铸件内部推移。最终在铸件内部形成孤立的液相 区，形成缩孔和缩松等缺陷，如图 4d，当 t＝20173s 时。从图中可以看出铸件各部分的凝固时间和温度场 的模拟基本相似。且在图 5 中铸件缺陷分布图中得到 了验证。
2009 年 2 月第 1 期
a t=1133s b t= 5213s
4 结束语
通过对托轮铸钢件铸造工艺的设计和模拟，直观 并准确地反应了铸件凝固过程温度场变化、凝固时间 的分布以及缺陷的预测。依据原始方案模拟分析结果 进行工艺改进，通过使用保温冒口和添加补贴，使铸 件在整体上形成了有利于补缩的凝固顺序，并且有效 地对最后凝固区域进行了补缩；消除了关键部位的缩 孔缺陷，最终获得了优质托轮铸钢件。
2.2 凝固过程数值模拟及结果分析 采用 Pro/E 软件建立铸件和浇注系统的几何实体
造型，并将几何实体存储为 STL 格式，作为下一步网 格剖分的基础。图 1 为铸件、浇注系统、冒口及出气 孔的三维造型。
采用韩国生产技术研究院、韩国 Cubictek 有限 公司和沈阳铸造研究所合作开发的 Z-Cast 铸造工艺 数值模拟分析系统对该铸钢托轮的铸造工艺进行模 拟。该系统的流动分析模块采用 SOLA-VOF 算法并 引入体积函数处理自由表面，该方法具有收敛性好、 计算时间短、节省内存单元、可以非常方便地处理充 型过程中的自由表面等，该系统在换热计算和流量修 正等方面进行了改进；凝固分析模块采用有限差 （FDM）方法，用温度回复法计算潜热，提高了计算 速度[9，10]。图 2 为铸件实体模型剖分并将网格消隐后 显示出的铸件外形，采用等步长的方法进行剖分，剖 分的总单元数为 10080000。
作者简介：米国发（1966-），教授，铸造专业；研究方向：凝固技术与合金铸造。 收稿日期：2008-09-09
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航天制造技术
模斜度、收缩率等参数；同时为确保铸件充型平稳， 避免浇不足等缺陷，本文采用底注式浇注系统[5～8]。 考虑到铸件机械性能和组织致密度要求高，需使铸件 顺序凝固，同时保证其厚大部位处得到充分补缩，避 免内部出现缩孔、缩松等缺陷。因而本文采用侧面外 冷铁，并在凝固温度较高的热节处设置冒口，为减少 铸件不必要的加工和修整，冒口采用位于在铸件上侧 且与铸件中心孔同轴的环形明冒口。如图 1 所示。
铁的激冷作用下，铸件与冷铁接触的部位的温度相 对较低，内部温度较高，铸件表面的温度比其内部 温度下降的要快，铸件由外向内顺序凝固。但是由 于冒口区温度也随之下降，因此把铸件的最后凝固 区引到铸件内部的厚大部位处，因而易形成缩孔 （松）等缺陷[11，12]。
图2 有限差分网格
图1 铸件、浇注系统、冒口及 出气孔的三维造型
2000，24， (12)：21～27 5 荣科，姜希尚，谢明师. 铸造手册－铸造工艺第5卷[M]. 机械工业出版
社，2000：47～408 6 叶荣茂. 铸造工艺手册简明手册（哈尔滨工业大学）[M]. 机械工业出
版社，1997：1～235 7 杨国杰，张振斌，张武城. 铸造工程师手册[M]. 机械工业出版社，1997：
根据实际的浇注工艺参数进行浇注工艺参数的 设 定 ： 铸 件 的 材 料 为 ZG35CrMo ， 浇 注 温 度 为 1540±5℃，铸型的材料为水玻璃自硬砂，初始温度为 25℃，外界环境的温度和冷铁温度均为 25℃。根据 以上所设定的条件和具体参数，应用 Z-Cast 软件对 铸件的凝固过程进行数值模拟。图 3 分别为铸件凝 固 50％和 100％时的温度场。从图中可以看出，在冷
Abstract The numerical simulation software Z-Cast is used to simulate the temperature and the time distribution during the solidification process of cast-steel riding wheel. According to the results of simulation, the original casting technique is optimized.Using of the insulated riser is a valid way to change the solidification order, then a favorable order of solidification is formed, which is of great use of feeding. In order to create feeding channels effectively, the pads are added without any influence on the performance. By doing so the final solidifying zone could be fed effectively. The actual casting technique is modified based on the analysis and solution mentioned above synthetically. The shrinkage on the key position of casting is eliminated and high quality large-scale cast-steel riding wheel is obtained.
Key words large-scale cast-steel riding wheel numerical simulation solidification technology optimization
1 引言
托轮是回转窑的关键部件，主要起支撑作用，在 水泥和冶金矿山机械中得到广泛应用。由于托轮在工 作条件下需承受高温、高压和高度疲劳及高冲击应 力，因此对其内部质量和机械性能的要求较高[1]。由 于R2178 21-2A型托轮属铸钢厚大件，体收缩率大， 最大轮廓尺寸为Ф1700mm，最大壁厚可达860mm， 最小壁厚为150mm。在焦作矿山机械厂的实际生产中 常在热节区出现缩孔（松）和裂纹等缺陷，且铸造工
铸件表面质量好；对铸件的关键部位进行加工没有出 现上述缺陷，且铸件的致密性良好，机械性满足了使 用要求。改进后的工艺符合生产要求。
图 8 改进方案铸件缺陷分布图
a t=2172s
b t=16077s
c t=24332s
d t= 40409s
图 7 改进方案凝固时间分布图 从图 8 可以看出，在改进后方案模拟结果中，托 轮铸钢件的最终缺陷集中在冒口区，消除了其内部缩 孔、缩松等缺陷，表明改进后的方案是合理可行的。 改进工艺后进行生产实验，浇注工艺合理可行，
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2009 年 2 月第 1 期
R2178 21-2A 型铸钢托轮铸造工艺模拟及优化
米国发 董翠粉 赵大为 （河南理工大学材料科学与工程学院，焦作 454000）
摘要 利用 Z-Cast 软件对铸钢托轮凝固过程的温度场和时间分布进行模拟，依据模拟 分析结果对原工艺加以改进。通过采用添加保温冒口方法，改变铸件不合理的凝固顺序， 使铸件在整体上形成了有利于补缩的凝固顺序；在不影响铸件使用性能的前提下添加补贴， 建立补缩通道，有效地对最后凝固区域进行了补缩。通过改进工艺，最终消除了关键部位 的缩孔缺陷，获得了优质的大型铸钢托轮件。
改进方案后铸件凝固过程温度场分布如图 6 所 示。分析图 6 可知，铸件表面由于温度较低，优先凝 固，在保温冒口的作用下，铸件底部的温度也明显低 于冒口区。铸件由外到内，由下到上逐次凝固，将铸 件最终凝固高温区引向冒口。同时，补贴的使用增加 了冒口的补缩范围，可确保铸件得到充分的补缩。因 而，铸件凝固过程的温度分布较初始方案更为合理。
a 凝固 50％时的温度分布
b 凝固 100％时的温度分布
图 3 凝固过程温度场模拟 图 4 为铸件各部分凝固时间的模拟结果。深颜色 显示的部位表示铝合金仍处于液态或半固态，没有完 全凝固；浅灰色表示已经完全凝固。当 t=1133s 时铸 件的外围、浇注系统及冒口均开始凝固。当 t=5213s 和 t=14053s 时，可以看出由于冒口的补缩距离和模数 太小，导致铸件最后凝固区并没有转移到冒口中，而
373～620 8 王文清，李魁盛. 铸造工艺学[M]. 北京：机械工业出版社，2002：2～
5 9 米国发，赵恒涛，等. Al-Si合金(A357)重力铸造充型及凝固过程模拟[J].
河南理工大学学报(自然科学版)，2007，26(5)：479～483 10 吴玉娟，侯峻玲，于宝义，等. 高压开关罐体低压铸造凝固数值模拟
图 5 初始方案铸件缺陷分布图
3 改进后的工艺模拟
3.1 工艺改进 为使铸件凝固温度场分布合理并将最后凝固区
转移到冒口中，因此，在不影响铸件使用的情况下， 对铸造工艺进行以下两方面的改进：改用保温冒口， 从而增大冒口的模数，改变其凝固时间，使铸件的凝 固温度场重新分布；在冒口下设置锥形补贴，增加冒 口的补缩范围且便于机加工去除。 3.2 数值模拟及结果分析