楊洪洲　王　話　李金全

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鑄造分公司，遼寧110000)

?

空氣冷卻系統(tǒng)在組合橫梁前部鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

楊洪洲王話李金全

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鑄造分公司，遼寧110000)

本文針對(duì)組合橫梁前部等大壁厚鑄件在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的粘砂、裂紋問題，制定了特殊工藝及操作措施，合理引入空氣冷卻系統(tǒng)，解決了粘砂問題，避免了因處理粘砂而產(chǎn)生次生裂紋。

大壁厚鑄件；粘砂；裂紋；空氣冷卻系統(tǒng)

空氣冷卻系統(tǒng)是對(duì)后壁鑄件熱節(jié)激冷的一種拓展，冷鐵的激冷效果不明顯，與鋼水接觸的瞬間就會(huì)達(dá)到熱飽和，失去作用。為了持續(xù)導(dǎo)出厚大熱節(jié)處的熱量，在該鑄造工藝中，我們引入了空氣冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到持續(xù)激冷的效果，防止了粘砂、裂紋等缺陷。

1　組合橫梁前部鑄件的技術(shù)要求

組合橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。 該鑄件主體尺寸長2 810mm、寬2 350mm、高1 600mm，材質(zhì)為ZG35SiMnMo，要求所有加工部位進(jìn)行2級(jí)超聲檢測(cè)。

2　組合橫梁前部的技術(shù)難點(diǎn)

鑄件熱節(jié)最厚大部位壁厚達(dá)700mm，與之銜接部位壁厚不均，減重孔部位極易產(chǎn)生粘砂，易產(chǎn)生和次生裂紋，生產(chǎn)難度極大。我公司在前期生產(chǎn)的一件組合橫梁前部，由于厚大熱節(jié)處激冷效果不好，在清理粘砂時(shí)，產(chǎn)生了裂紋，導(dǎo)致報(bào)廢，給公司帶來了巨大的損失，同時(shí)也耽誤了工期。

3　組合橫梁技術(shù)問題攻關(guān)

3.1避免鑄件粘砂的方法

圖1　組合橫梁前部立體圖Figure 1　The space diagram ofthe front of composite beam

避免鑄件粘砂的常規(guī)方法有：

(1)增強(qiáng)面砂幢實(shí)度；

(2)在熱節(jié)或圓角處加外冷鐵；

(3)砂型粉刷涂料；

(4)降低澆注溫度；

(5)圓角及厚大熱節(jié)處放鉻鐵礦砂。

3.2空氣冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用與計(jì)算

在生產(chǎn)組合橫梁前部的過程中，合理地使用了避免鑄件粘砂的常規(guī)方法，但效果并不理想，方形孔粘砂嚴(yán)重，導(dǎo)致組合橫梁前部報(bào)廢。為了避免鑄件的這一缺陷，我們引入了空氣冷卻方式。

激冷厚大熱節(jié)處的鋼水，厚大熱節(jié)處鋼水凝固所需要的時(shí)間長，該處外冷鐵由于長時(shí)間與鋼水接觸，很快會(huì)達(dá)到熱飽和，便失去了作用。由能量守恒定律：

(1)

式中，ΔU=U2-U1為系統(tǒng)的內(nèi)能增量；Q為此過程中系統(tǒng)從環(huán)境所吸收的熱量；W為此過程中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境所做的功。ΔU與過程無關(guān)，只決定于始態(tài)和終態(tài)。假設(shè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境所做的功W=0，那么ΔU=Q=cmΔT。由外冷鐵的質(zhì)量m決定，鋼液與外冷鐵的熱交換ΔU的數(shù)值很不理想。

鋼液凝固期間，砂芯必須長時(shí)間承受高溫鋼液的灼燒和侵蝕。既要防止粘砂，同時(shí)又要保持砂芯具有良好的潰散性、不燒結(jié)。由于凝固時(shí)間較長，基體組織晶粒粗大，對(duì)其力學(xué)性能極為不利。從上述幾點(diǎn)來看，采用冷鐵，其冷卻能力不足，容易形成熱飽和，必須采用強(qiáng)制冷卻技術(shù)。

強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)鑄件內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。冷卻介質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷卻介質(zhì)為壓縮空氣。

圖2　組合橫梁前部方形孔芯的冷卻結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2　Sketch of cooling structure of square core at the front of composite beam表1　熱阻參數(shù)Table 1　Parameters of thermal resistance

δ1δ2δ3λ1λ2λ3103601231.61.729.3

空氣冷卻工藝計(jì)算：工藝計(jì)算的目的是求解出強(qiáng)制冷卻的冷卻程度，并進(jìn)行相應(yīng)的定量計(jì)算。δ3為外套管厚度；送風(fēng)速度ω=2.6m/s。

(2)

式中，R為熱阻率，單位為K/W；λ為熱導(dǎo)率，單位為W/(m·K)；δ為厚度，單位為m；F為導(dǎo)熱截面面積，單位為m2；其中R1、R2、R3、λ1、λ2、λ3、F1、F2、F3分別為t1、t2、t3時(shí)的熱阻、熱導(dǎo)率和面積，如表1所示。影響t2的主要因素是δ2范圍內(nèi)砂芯的厚度和熱導(dǎo)率的大小。 由能量守恒定律：

(3)

式中，t1溫度為1 550℃，t4內(nèi)冷壁溫度為700℃。帶入公式(3)中計(jì)算，可得出Q=3 953.48W/m2，即冷卻管所通過的比熱流量為3 953.48W/m2。對(duì)于強(qiáng)制冷卻，由Nusselt準(zhǔn)則有：

(4)

式中，Nuf為Nusselt準(zhǔn)則系數(shù)；d為冷卻管內(nèi)徑；α為傳熱系數(shù)；λf為空氣熱導(dǎo)率。

由于冷卻壁面的傳熱處于平衡狀態(tài)：

(5)

將公式(4)和公式(5)聯(lián)合整理得：

(6)

冷卻管內(nèi)外溫差Δt=850℃，計(jì)算得出Nuf=1.592。

根據(jù)流體在管內(nèi)受迫對(duì)流傳熱的準(zhǔn)則，方程有：

(7)

式中，Ref為雷諾準(zhǔn)則數(shù)；Prf為普朗特準(zhǔn)則數(shù)0.696；ε1為管長修正系數(shù)1.08；ε2為溫差修正系數(shù)0.302。

由公式(7)計(jì)算得出Ref=903。

由雷諾準(zhǔn)則[1]：

(8)

得出冷卻介質(zhì)空氣流速ω=1.739m/s

由計(jì)算測(cè)得，采用10mm鋼管單管送風(fēng)ω=2.6m/s，完全符合理論計(jì)算值。根據(jù)鑄件凝固時(shí)

間確定空氣冷卻工藝。鑄件全部凝固時(shí)間為48h，空氣冷卻工藝為：從澆注結(jié)束后，立即開始送風(fēng)，連續(xù)送風(fēng)18h，之后結(jié)束空氣冷卻。

4　生產(chǎn)驗(yàn)證

鑄件打磨后，超聲檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求。事實(shí)證明：引用空氣冷卻系統(tǒng)保證了鑄件質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了成本。在造型過程中減少了外冷鐵的用量，在清理過程中，節(jié)約了氣刨過程中煤氣的使用量，同時(shí)減少了一次熱處理次數(shù)。

5　結(jié)語

我公司應(yīng)用了空氣冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)的兩件組合橫梁前部，經(jīng)檢測(cè)，均達(dá)到了技術(shù)協(xié)議要求。證明采用空氣冷卻系統(tǒng)的鑄造工藝是可行的。

[1]李弘英. 鑄造工藝設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2.

編輯陳秀娟

ApplicationofAirCoolingSystemduringProductionofCastingsatFrontofCompositeBeam

YangHongzhou,WangHua,LiJinquan

Thespecialprocessandtheoperationmeasureshavebeenpreparedforburnt-onsandandthecrackappearedduringtheproductionprocessoflargethick-wallcastingsatthefrontofcompositebeam.Byreasonablyapplyingtheaircoolingsystem,theissueofburnt-onsandhasbeensolved,soastoavoidthesecondarycracksduetoremovingtheburnt-onsand.

largethick-wallcasting;burnt-onsand;crack;aircoolingsystem

2016—02—18

楊洪洲(1988—)，本科，助理工程師，從事專業(yè)鑄造。

TG24A