【正文】 結(jié)果與分析 17 結(jié)果分析 澆注系統(tǒng) 類型 對集渣效果的影響 從第一組數(shù)據(jù)中，各種澆注系統(tǒng)的類型阻渣率：半封閉＞封閉＞開放 式 。 a)順齒 b)逆齒 c)梯形 d)離心式 圖 不同集渣包仿真過程 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)果與分析 16 4 結(jié)果與 分析 模擬仿真結(jié)果 模擬結(jié)果主要包括：進(jìn)入型腔的粒子數(shù) N0、進(jìn)入集渣包的粒子數(shù) N進(jìn)渣率 K、阻渣率 K0以及集渣包的集渣率 K1，其中： K、 K0、 K1計算如 式 、 、其中 N 為粒子總數(shù)。 a)變截面 b)臺階式 c)頂 雨淋式 d)平直橫澆道 圖 不同橫澆道仿真過程 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 15 不同 集渣包的仿真過程 如圖 不同集渣包充型仿真過程，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為2mm。如圖 為不同澆注系統(tǒng)充填過程，其中綠色粒子為渣團(tuán)，粒子當(dāng)量直徑為 5mm。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 集渣效果數(shù)值模擬 13 圖 粒子設(shè)置 集渣效果仿真過程 為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，在 實驗 設(shè)計 和模擬過程 時，除了需要研究的內(nèi)容，每一組其他 參數(shù) 均保持一致。粒子設(shè)置時需注意粒子直徑不能大于網(wǎng)格的直徑，這是該軟件的一個 不足之處 。 圖 基本 參數(shù) 設(shè)置 由于本實驗涉及到渣團(tuán)，并且渣團(tuán)在整 個 仿真 過程 中是一個關(guān)鍵性因素，因此渣團(tuán)設(shè)置是否合理將影響到整 個 仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。 參數(shù) 基本 設(shè)置包括 Global、Physies（物理參數(shù)）、 Fluids（流體設(shè)置）、 Meshingamp。 FLOW3D三維 幾何 體是利用網(wǎng)格進(jìn)行填充的，設(shè)置網(wǎng)格時，網(wǎng)格的大小要適當(dāng)，如網(wǎng)格尺寸太小整過模擬過程計算會變得很復(fù)雜，導(dǎo)致整過 仿真 時間太長。集渣包的 結(jié)構(gòu)及尺寸詳見表 集渣包 結(jié)構(gòu)及尺寸 。由 于梯形截面比齒形截面大得多 ， 特別是高度 易于 ―調(diào)節(jié) ‖， 夾雜與浮砂易上浮集中在頂部 ， 不容易進(jìn)入內(nèi)澆口吸動作用區(qū)域 ，集 渣 效果較好，并且 梯形集渣包比齒形和離心式更 容易造型，因此用 得更 廣泛。離心式集渣包結(jié)構(gòu)特點：出口截面積需小于入口，方向和液流旋轉(zhuǎn)方向相反 【 1719】 。 離心式集渣包是指金屬液 以 切線方向進(jìn)入圓形集渣包。對于逆齒形集渣包 ， 金屬液流經(jīng)集渣包時 ， 截面積 變大 ，齒形 方向 與流動方向 相反，因此極易產(chǎn)生渦流，渣團(tuán) 隨渦流 卷 入 其中， 最終 停滯在集 渣包內(nèi)。 齒形集渣包通常又分為順齒形和逆齒形。 集渣包的形式 很 多， 對于 不同形式的集渣 包，集渣 效果也不盡相同。 平直截面 紊流弱， 流動平穩(wěn)，充型穩(wěn)定。 頂 注 雨 淋 式 內(nèi)澆道多，液流分布均勻，對型腔沖擊小 。 表 不同 橫澆道結(jié)構(gòu)形式 及尺寸 名稱 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 三 維 幾 何 圖 特 點 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 9 變 截 面 以橫澆道為阻流，充型平穩(wěn)，適用于中大鑄件生產(chǎn) 。 最后將上述三種橫澆道仿真結(jié)果與平直橫澆道模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。橫澆道 截面積的變化僅指面積變化 ，而 截面形狀 保持不 變的，在整過研究過程中，橫澆道截面始終保持為梯形。 表 澆注系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及尺寸 名稱 結(jié)構(gòu)示意圖 三維 幾何 圖 全封閉式 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直=1： ： 2 半封閉 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直=1： ： 開放式 S 內(nèi) ： S 橫： S 直 =2：2： 1 注：三種澆注系統(tǒng) S 內(nèi) 均為 橫澆道 結(jié)構(gòu) 形式設(shè)計 根據(jù)楊屹教授實驗 [12]，橫澆道形式變化 不利于提高橫澆道 集渣 效果 。 半封閉式 ： 取澆口比 S 內(nèi) ： S 橫 ： S 直 =1： ： =： ： ， 經(jīng)計算 直澆道 截面 直徑 d=26mm，橫澆道尺寸 選取及 其他尺寸詳見表 。 在設(shè)計上述三種澆注 系統(tǒng)時，其中內(nèi)澆道 截面 形式為長方形 ， 截面面積 S 內(nèi)=， 查閱文獻(xiàn) [5]取 橫澆道截面為梯形，直澆道 截面 為圓形 。一般來說，開放式金屬液消耗多，不利于清理，常用于非鐵合金、球鐵、鑄鋼等易氧化鑄件 。 開放式又稱非充滿式，金屬液不能充滿所有的組元。 封閉式澆注系統(tǒng)又稱充滿式澆注系統(tǒng)即所有組元都能被金屬液充滿，主要優(yōu)點是可防止金屬液卷入氣體，消耗金屬液少，清理方便，缺點是進(jìn)入型腔的金屬液流速高，易產(chǎn)生噴濺和沖砂，使金屬液發(fā)生擾動、渦流 、氧化。 在 實驗 設(shè)計時，設(shè)計主要包括以下一些內(nèi)容： ① 澆注系統(tǒng)類型 為 封閉、半封閉、開放式三類； ② 橫澆道的形式主要是變截面 、 彎曲 及雨淋式 ； ③ 集渣包主要有鋸齒型 、梯形和 離心式 。 . 實 驗 設(shè)計 內(nèi)容 據(jù)以上所述橫澆道集渣作用影響因素很多，本文就 針對其中 一些 主要的 影響因素來探討橫澆道集渣作用。 澆注過程中流動通常為紊流 Re＞ 2300，根據(jù)上述表 在紊流范圍內(nèi) 選取最大的阻力系數(shù) C=10– 3；設(shè) 最小可被截獲 粒子當(dāng)量直徑為 1mm， 則最小的半徑 R=， 將 上述 數(shù)據(jù)帶入公式 ， 可計算得最小 上浮 速度 Vmin=。 表 參數(shù)選取 流 體 渣團(tuán)密度/g .cm3 粒子數(shù)量/個 壓頭高度/mm 流動類型 內(nèi)澆口截面積 /cm2 澆注溫度 /K 當(dāng)量直徑 /mm %的碳鋼 250 200 紊流 1800 1~7 本文以 %碳鋼進(jìn)行研究 ； 鋼渣的密度一般在 ~， 本文選取平均值 作為鋼渣密度； 鑄造中 流體 流動均為 紊流；查閱 文獻(xiàn) [15]計算得內(nèi)澆口截面積為 ， 壓頭高度 200mm；根據(jù)本文研究情況粒子當(dāng)量直徑取17mm；粒子總數(shù)設(shè)置為 250，且在整個過程保持不變。設(shè)計出研究需要的各種實驗方案，利 用 FLOW3D 進(jìn)行模擬仿真， 并以粒子作為渣團(tuán)， 最后將進(jìn)入型腔的粒子數(shù)作為 實 驗結(jié)果。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 實驗設(shè)計 6 2 實驗設(shè)計 實 驗方法 本文以長方體作為鑄件，鑄件長為 200mm， 寬為 100mm， 高為 100， 如圖 所示。因此 怎樣才能使集渣效果好但又 能 盡量減少浪費金屬液呢？這是本 課題 將研究的重點 ，本文將 進(jìn)一步 對 橫澆道的集渣作用 進(jìn)行 探索 。部分專業(yè)人士對橫澆道集渣效果進(jìn)行 了 研究， 并 得出一些 結(jié)論 ，例如楊屹教授 進(jìn)行了實驗研究 【 12】 ， 根據(jù)他的實驗結(jié)果，認(rèn)為橫澆道需充滿 才能保證集渣效果，同時平直的橫澆道有利集渣。 根據(jù)流體力學(xué)知識，可以推出渣團(tuán)勻速上浮速度： ρρρ 渣C Rg 3 )(8V 0 ?? 式（ ） 式中 R — 渣團(tuán)半徑 ； ρ — 金屬液密度； ρ — 渣團(tuán)密度； g — 重力加速度，等于 ； C — 渣團(tuán)上浮的阻力系數(shù) ,與流體的雷諾數(shù)有關(guān)，詳 見表 。但是其中一個很重要問題是若橫澆道太長、太高會造成浪費金屬液量的浪費，這勢必 增加生產(chǎn)成本，不符合生產(chǎn)要求。 圖 橫澆 道阻渣原理 a 正確 b 錯誤 根據(jù)橫澆道集渣原理 ，如果渣團(tuán) 在進(jìn)入內(nèi)澆口前 能上浮到橫澆道的頂部 或 超過內(nèi)澆道的吸動區(qū)，渣團(tuán)就不至于進(jìn)入型腔， 實現(xiàn)集 渣作用。橫澆道的集渣原理如圖 （ a）所示，由于渣團(tuán)密度比金屬小，渣團(tuán)在浮力作用下上浮，同時隨金屬液作水平運動，如果渣團(tuán)能上浮到橫澆道的頂部或超過內(nèi)澆道的吸動區(qū)，渣團(tuán)就不會進(jìn)入型腔，實現(xiàn)集渣。橫澆道的主要作用是向內(nèi)澆道平穩(wěn)的輸送攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 4 金屬液，除此之外 它 還有一個重要作用就是儲存最初澆入的含氣和渣污的低溫金屬液并阻留渣滓，因此橫澆道又叫捕渣道。目前，在澆注系統(tǒng)設(shè)計中，一般都考慮 “浮渣法”，即 利用渣團(tuán)自身上浮到橫澆道頂部被截獲。其次是過濾網(wǎng)不能太小，因此對于 較 小的夾雜是 無法 去除的。在澆注系統(tǒng)中安置過濾網(wǎng)能有效地預(yù)防夾雜。 鑄件中的夾 雜物 破壞了金屬基體的連續(xù)性，造成 金屬 組織的不均勻性，使金局的力學(xué)性能，特別是金屬的塑性、韌性和疲勞強度受到影響，對金屬的物理化學(xué)性能也產(chǎn)生不良影響 ，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等 ，因此必須盡量降低鑄造夾雜 【 810,20】 。 當(dāng)爐溫達(dá)到 1400—1600℃ 時，爐料熔融 、 礦石中的脈石、焦炭中的 灰分 、 助溶劑和其他不能進(jìn)入生鐵中的雜質(zhì)形成以硅酸鹽和鋁酸鹽為主浮在鐵水上面的熔渣 ，這些熔渣在出鐵水時被拔除，但是無法完全拔除干凈。鋼渣根據(jù)爐型可分為電爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、平爐渣， 是在冶煉金屬的過程中排出的固體廢物，主要成分是鈣、鐵、銅、硅、鎂、鋁、錳、磷等氧化物。目前普遍認(rèn)為鑄造生產(chǎn)中的夾雜主要是冶煉過程和澆注過程中產(chǎn)生 的 。 橫澆道集渣原理 夾 雜缺陷 對鑄件的影響 鑄件中夾 雜物 對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，夾雜物主要是一些 非金屬氧 化物、金屬 氧化物、硫化物、硅酸鹽或氮化物等，其來源甚為復(fù)雜 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 3 FLOW3D 在鑄造方面主要用于金屬液態(tài)流動充型 、 凝固 收縮、應(yīng)力場、二元偏析、表面缺陷追蹤等分析等，并且可以 模擬不同金屬材料 的各種 鑄造過程，如 ：壓鑄、低壓鑄造 、 重力、傾斜重力鑄造 、 消失模鑄造 、 砂模鑄造 、 離心鑄造 、半固態(tài)鑄造等 【 36】 。 FLOW3D 的不足 ：應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域時， 仿真鑄造應(yīng)力場穩(wěn)定性差，并且 材料數(shù)據(jù)庫中的熱物性參數(shù)，如密度、熱導(dǎo)率、比熱、潛熱、熱膨脹系數(shù)等是某一溫度下的常數(shù)，而不是溫 度的函數(shù)，與實際情況偏差較大。 雖然 FLOW3D 的功能強大，優(yōu)勢也很明顯，但仍存在一 些不足之處 [9,14]。 FLOW3D 由 國際知名流體力學(xué)大師 創(chuàng) 作 ， 1985 年發(fā)布 使用。其主要原因： 一方面是由于工廠的模式太過傳統(tǒng)，對于新的信息了解少，新的形勢認(rèn)識不足， 無法對傳統(tǒng)的鑄造進(jìn)行提升 ；另一方面，由于我國這方面起步晚，加之缺少對這方面的人才培養(yǎng)，導(dǎo)致計算 機在鑄造上 的 應(yīng)用型人才 基本 處于空缺狀態(tài)。 傳統(tǒng)鑄造中 多次試生產(chǎn)的過程 將由 模擬仿真代替，這大大減少了試生產(chǎn)所需要的 財力和勞力 ，極大提高了生產(chǎn)效率 ， 從而大大降低生產(chǎn)成本。 我國在這方面起步較晚，但進(jìn)展迅速，目前開發(fā)的模擬軟件有清華 FTSTAR 和華中科技大學(xué)的華鑄 CAE【 6】 。 數(shù)據(jù)顯示 ， 采用計算機模擬仿真技術(shù)可以縮短產(chǎn)品試制周期的 40%，降低生產(chǎn)成本 30%，生產(chǎn)效率提高 25%【 5】 ，因此越來越多的公司加大了對計算機模擬軟件的研究，并取得了不錯的成果 。計算機 應(yīng)用逐步使鑄造 工藝研究從 ―定性 ‖走向 ―定量 ‖、從 ―經(jīng)驗 ‖走向 ―科學(xué) ‖[24]。 在 傳統(tǒng)的 鑄造生產(chǎn)中，一般情況設(shè)計的產(chǎn)品要成功運用于生產(chǎn)或者 設(shè)計出 一個合理的工藝方案，往往都需要經(jīng)驗豐富的工藝設(shè)計人員經(jīng)過多 個 ―設(shè)計 → 試澆→優(yōu)化 ‖循環(huán) ，這樣勢必花費大量 的人力、物力和財力， 同時在新產(chǎn)品的開發(fā)過程會 增加產(chǎn)品的研發(fā)成本和研發(fā)周期， 總之，傳統(tǒng)鑄造 生產(chǎn) 其 成本 較高 ，這已經(jīng)無法 滿足鑄造行業(yè)發(fā)展需求。 目前普遍認(rèn)為橫澆道具有一定的捕獲夾雜物功能即集渣作用，因此 提高橫澆 道集渣 作用可以 減少鑄件的夾雜 類缺陷 ， 這將會大大降低廢品率 ，從而降低生產(chǎn)成本 ，這 也正 是本課題研究的初衷和意義所在。鑄件的缺陷 種類 很多，比如氣孔、夾雜、粘砂 、 澆不到、冷裂、冷隔、變形等 ， 而在這些缺陷中，夾雜類缺陷占較高比例。當(dāng)然由于技術(shù)不斷改進(jìn)，先進(jìn)設(shè)備的使用，砂型鑄造的鑄件質(zhì)量也得到了較大的改善 。 古代 的鑄造方法是以 簡單的 砂型鑄造為主， 由于