基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证

综上分析确定方案2为最佳的设计方案。通过对上 述3种方案进行比较，确定了采用方案2进行模具制造。 在实际生产中采用新设计的钢锭模铸出的钢锭消除了 缩孔、疏松缺陷 （图4c）。
（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
表1 钢锭模结构设计主要尺寸
Table 1 Main dimension design of steel ingot mold
方案 1 2 3
A/mm 1 300 1 380 1 300
轴及对称面上的传热为绝热条件，其他各边界传热按
下式处理。
-λ
T X
=h（T-T∞）
（3）
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目 （2011CB012900）。 收稿日期：2013-12-10收到初稿，2014-01-05收到修订稿。 作者简介：徐亚东 （1976-），副研究员，工学博士，博士后，主要从事冶金技术及数值模拟研究。E-mail：xuyadong2005@
逐步推进。轴向上和径向上散热相比而言，钢锭在凝 钢锭模锥度设计可以延迟冒口完全凝固时间，使在凝
固过程中的散热以钢锭侧壁为主，通过钢锭底面的散 固过程中冒口补缩时间大大增加，利于消除锭身在凝
热则相对较弱；具体表现为在不同时刻的温度场分布 固过程中的缺陷。
等温线呈“U”字形分布。由凝固刚结束时的温度场
图3为三种不同设计方案条件下钢锭内部缩孔、疏
２ 钢锭模结构设计及模拟结果
针对原15 t钢锭模在凝固过程中出现较严重二次缩 孔的问题，设计2种新的不同参数的钢锭模以改善质 量，避免钢锭中的缺陷。
3种设计方案如图1和表1所示，表1中设计参数的 位置参照图1，其中方案1是原工艺。
利用三维绘图软件Pro/E绘制钢锭模的各个部件，
（a） 俯视
（b） 正视
中的完全凝固时间为26 621.4 s，新设计的方案2中冒口 完全凝固时间显著延长，冒口完全凝固时间为43 555.7 s。可见通过对钢锭模优化设计 （主要是锥度设计）， 可以改变钢液在钢锭模内凝固过程中温度场的分布，
不断推进，径向上则是从钢锭模内壁开始向钢锭中心 使最后凝固的部位移至钢锭冒口部位，另外通过改变
q=hin （Tsteel-Tmol）d
（4）
材料的物性参数包括：钢锭及钢锭模的密度、导
热系数、比热或热焓，钢的凝固固液相变温度区间和
凝固潜热及热膨胀系数等。材料的物性参数随温度的
变化而变化。物性参数影响材料的传热分析结果。
本文以钢种H13为例，利用AnyCasting软件内置材
料数据库可得到该材料的液相线温度和固相线温度分
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。
关键词：凝固模拟；优化设计；钢锭 中图分类号：TG261 文献标识码：A 文章编号：1001-4977 （2014） 03-0249-04
Steel Ingot Mold's Taper Design and Validation Based on Solidification Simulation
（c） 方案3
（a） 方案1
（b） 方案2 图3 三种设计方案缺陷预测模拟结果 Fig. 3 Simulation results of defects prediction of the three design schemes
（c） 方案3
（a） 方案1中冒口线下500 mm处横剖
（b） 方案1中冒口线下700 mm处横剖
线，图中显示在合型过程中，系统压力变化比较平稳 [12]。从试验结果可以看出，本次设计的大型压铸机压 射实时控制系统完成了压射速度的控制显示功能，主 板、传感器、液晶显示均能可靠工作。性能参数上达 到了设计要求，硬件和软件具备一定的抗干扰能力。
６ 结语
本研究结合常用的卧室冷室压铸机实际特点，并 借鉴了国内外某些较先进控制系统的优点，试设计了 一套以S3C2440A芯片为硬件核心的压铸机控制系统， 并完成了整个监控系统的数据显示、曲线显示、报警 和保存历史数据等应用程序的功能实现。在系统的软 硬件平台搭建设计完成之后，又进行整机的组装测试， 经试验验证，本设计的大型压铸机压射实时控制系统 完成了压射速度的控制显示功能，主板、传感器和液 晶显示均能可靠工作，性能参数上均达到了设计要求。
军工、核电、重机及风电等高端装备制造对钢锭 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360MN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 及尺寸等工艺参数和发热材料等辅助工艺[1-6]。
钢锭凝固过程是一个涉及高温凝固的复杂过程， 钢锭制备过程中难以直接观察和控制。在分析钢锭凝 固过程中缺陷形成及分布规律的基础上，优化钢锭模 几何尺寸及生产工艺是钢锭质量的重要保证。钢锭缩 孔、疏松的形成依赖于钢液在钢锭模中的凝固顺序， 钢锭模的锥度和高径比在很大程度上决定着钢液在钢 锭模中的凝固顺序。本研究以常用的15 t钢锭模为研究 对象，采用数值模拟方法研究易于形成缩孔的 （Cr-Ni-Mo体系） 高合金钢钢锭的凝固。通过模拟分 析，进行钢锭模结构优化设计。
利用AnyCasting自带的分析程序进行分析，预测 结 果 表 明 在 方 案 1 中 缺 陷 位 置 分 布 在 冒 口 下 220~900 mm的中心区域，缺陷直径约为180~200 mm。为验证 模拟结果的可靠性，现场对方案1制备的钢锭分别在冒
口线500 mm处和700 mm处进行横剖分析。同时对方案 2制备的钢锭在冒口线进行横剖分析，剖面结果见图4。 可见实际解剖结果与模拟预测一致。
XU Ya-dong1,2, SHEN Hou-fa2, LEI Bing-wang1, HU Yong-ping1, HAN Fei1
（1. Inner Mongolia North Heavy Industry Group Co., Ltd., Baotou 014033, Inner Mongolia, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China）
图4 方案2和方案1横剖照片
Fig. 4 Photograph of the across sections of scheme 1 and scheme 2
（c） 方案2中冒口线下横剖 （下转第 ２５６ 页）
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图9 压射曲线图 Fig. 9 Ejection curve diagram
分布曲线可以明显地看出，方案2的温度分布比较合 理，表现为“U”字形开口较大，基本上满足顺序凝
松预测结果。通过对三种设计方案的温度场及缺陷预 测结果分析可以发现：方案2中锭身部位没有缩孔，缩
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徐亚东等：基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证
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孔集中形成于冒口部位。而在方案1、3中，钢锭在凝 固过程中形成一个高温区较长的孤立液相区，此处钢 液无法得到有效补缩，容易形成较大的缩孔。
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基于凝固模拟的钢锭模锥度设计与验证
徐亚东1，2，沈厚发2，雷丙旺1，胡永平1，韩 非1
（1. 内蒙古北方重工业集团公司，内蒙古包头 014033；2. 清华大学材料学院，北京 100084）
摘要：采用铸造模拟软件对生产过程中易出现缩孔、疏松的15 t钢锭进行了凝固模拟分析，预测了缩孔、疏松的位
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式中：h为边界上的传热系数，W·m-2·K-1；T、T∞分别
为边界单元和环境的温度。考虑到钢锭因凝固收缩引
起的钢锭与锭模之间的气隙对凝固传热的影响，将钢
锭与钢锭模之间的界面热阻 （1/hi）n 引入传热模型中，
钢锭与钢锭模界面的热流计算公式如下：
为时间，s；H为焓，J·kg-1；T是温度，K；q是源项，
包括发热剂散失的热量，W·kg-1。
对于存在液固相变的钢锭凝固而言，式 （1） 中的