孫向陽(yáng)，仇光宏，黃 明，肖連華，張 龍

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063300；2.燕山大學(xué)，河北秦皇島 066000）

離心復(fù)合鑄造軋輥[1]由于其收縮特性[2]，芯部會(huì)出現(xiàn)縮松甚至縮孔等問(wèn)題[3]，這樣就造成探傷過(guò)程出現(xiàn)輥身底波衰減[4-6]至10%f.s 以下的情況；筆者公司前期生產(chǎn)離心復(fù)合鑄鐵軋輥過(guò)程中，底波衰減軋輥占比30%以上，這就意味著離心復(fù)合鑄鐵軋輥存在30%的廢品，造成公司嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；為直觀地了解芯部收縮變化情況[7-9]以及降低因不斷生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢品，筆者公司引進(jìn)了數(shù)值模擬技術(shù)[10-13]解決底波衰減問(wèn)題。

1 建立軋輥鑄造工藝的3D 模型和數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

根據(jù)實(shí)際施工的二維圖，使用Solidworks2018版建立包括砂箱、輥模、砂型、保溫罩以及軋輥三層不同材質(zhì)的實(shí)體等[14]3D 模型（圖1），然后將文件轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入Procast2018 版建立網(wǎng)格模型[15-16]。

2 測(cè)試Procast 鑄造模擬流程

2.1 前處理：模擬參數(shù)設(shè)置

在完成網(wǎng)格模型后，需要多次完整運(yùn)行計(jì)算流程，來(lái)檢查網(wǎng)格模型的準(zhǔn)確性，確保流程通暢不出錯(cuò)[17]。在測(cè)試流程時(shí)，所用參數(shù)均為常規(guī)重力鑄造通用參數(shù)，與實(shí)際工藝情況不一定相符。圖2 是測(cè)試所用參數(shù)總表。

圖2 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置總覽

2.2 模擬計(jì)算

計(jì)算采用的是配備有英特爾32 核心CPU 和24G 內(nèi)存的工作站。如圖3 所示，是計(jì)算過(guò)程的監(jiān)控窗口，可實(shí)時(shí)了解當(dāng)前計(jì)算進(jìn)度，并通過(guò)計(jì)算步長(zhǎng)周期（DT）的走勢(shì)來(lái)判斷計(jì)算是否正常。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程監(jiān)控窗口

2.3 后處理：查看計(jì)算結(jié)果并輸出

Procast 后處理[18]功能較多，可輸出澆注和凝固過(guò)程溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、固相率、凝固時(shí)間、縮松縮孔等參數(shù)的云圖和動(dòng)畫(huà)，并且可以輸出任意一點(diǎn)的溫度、凝固時(shí)間、縮孔比例等參數(shù)的變化曲線。圖4 展示了測(cè)試流程時(shí)所輸出的軋輥鑄造工藝數(shù)值模擬的溫度場(chǎng)和縮孔位置。

圖4 數(shù)值模擬的后處理輸出結(jié)果

3 收集實(shí)際工藝數(shù)據(jù)

完整跟蹤了兩次軋輥鑄造過(guò)程，收集了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的澆注溫度、澆注速度、輥模溫度等參數(shù)，并測(cè)量了凝固過(guò)程中保溫罩外殼，以及去掉保溫罩后輥模和冒口箱外表面中部的降溫曲線。圖5 展示了鑄造過(guò)程中輥模外表面溫度曲線以及取點(diǎn)位置。

圖5 輥模外表面中間位置溫度曲線

4 校準(zhǔn)并驗(yàn)證數(shù)值模型

利用測(cè)得的實(shí)際鑄造工藝曲線和數(shù)值模型，調(diào)整模擬過(guò)程參數(shù)設(shè)置，使模擬結(jié)果更接近真實(shí)情況。圖6 顯示了調(diào)整參數(shù)后的軋輥模擬后輸出結(jié)果，與實(shí)際情況更加符合。圖7 是輥模外表面中部附近保溫罩外殼溫度擬合狀態(tài)。可以看到，溫度變化趨勢(shì)一致。

圖6 根據(jù)實(shí)際工藝參數(shù)進(jìn)行的模擬結(jié)果

圖7 輥模中部保溫罩外表面溫度曲線擬合

5 制定工藝參數(shù)優(yōu)化方案

表1 鑄造工藝對(duì)中心縮孔影響歸路的數(shù)值模擬方案

針對(duì)軋輥鑄造工藝參數(shù)對(duì)縮松、縮孔位置影響規(guī)律進(jìn)行分析制定工藝優(yōu)化參數(shù)數(shù)值模擬方案。

6 工藝方案數(shù)值模擬及結(jié)論

最后根據(jù)模擬結(jié)果分析影響軋輥性能的主要工藝參數(shù)以及確定參數(shù)優(yōu)化方向，研究在保證軋輥正常使用情況下，減小或消除縮松、縮孔面積，或?qū)⑵潋?qū)趕到非質(zhì)量關(guān)鍵區(qū)域的方法。

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）各鑄造參數(shù)對(duì)輥身中心縮孔體積的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

（2）最佳的鑄造參數(shù)組合是澆注溫度1390℃，澆注時(shí)間180s，停轉(zhuǎn)溫度1150℃，冒口高度2m。

7 基于數(shù)值模擬的實(shí)際生產(chǎn)工藝優(yōu)化及結(jié)果

基于上述的數(shù)值模擬結(jié)論，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化各項(xiàng)鑄造工藝參數(shù)并實(shí)際投入生產(chǎn)，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)際生產(chǎn)底波衰減數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的試驗(yàn)，底波衰減率得到明顯的降低，由優(yōu)化前的30%降低至目前的3.3%，降低非常明顯，取得顯著效果。

圖8 鑄造數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中輥身縮孔體積數(shù)據(jù)匯總

8 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的解剖分析及數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，輥身底波衰減問(wèn)題從根本上來(lái)說(shuō)是芯部收縮造成的縮松或者縮孔問(wèn)題。

（2）解決芯部收縮造成的縮松或者縮孔，主要有兩種方法：一是降低縮松面積，二是將縮松或者縮孔轉(zhuǎn)移至非輥身位置；通過(guò)數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，缺陷位置轉(zhuǎn)移存在較大難度或者成本浪費(fèi)，所以主要解決縮松面積降低的問(wèn)題。

（3）基于數(shù)值模擬技術(shù)通過(guò)不斷的數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出了工藝優(yōu)化方案，并在解決底波衰減問(wèn)題方面取得了顯著的效果，底波衰減率由30%降低至3.3%。