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重型冶炼铸钢件的铸造进展受力空间探讨

来源:收集整理 秩名 2017-04-26 浏览
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  重型冶炼铸钢件的铸造进展受力空间探讨

  1上板梁铸造工艺基本情况介绍

  本文所要进行模拟的上板梁的基本轮廓尺寸为长12. 56米,宽5. 88米,厚0. 95米,毛重275吨,浇冒口重160吨,总钢水量435吨。上板梁铸造工艺简图。
                                            

  该铸件采用3个小冒口和一个大冒口进行补缩,其中的大冒口是重机公司迄今为止铸造工艺设计中使用过的最大冒口,它是整个铸件冷却最缓慢,偏析最大的部位。生产中采用地坑造型,背砂用水玻璃石英砂,面砂用铬铁矿砂,厚度为30- 50mm.在冒口不易补缩的部位加设冷铁以增大冒口补缩效果,共在侧面和底面放20块挂砂外冷铁。

  此外,在预计应力较大部位加设拉筋,以减少铸件在冷却凝固过程中的局部位置发生热裂和冷裂的可能性。铸件浇注温度为1560 - 1570 ,在地坑中保温大约28天使铸件最高温度小于350打箱起坑。由于铸件凝固、冷却过程中与型腔的热作用时间相当长,实际生产中易产生缩孔缩松,热裂纹等缺陷,尤其是在冒口根部、横向的长凹槽处以及几处大的拐角处容易产生裂纹。给出了上板梁的化学成分。

  2 Procast应力场模拟过程

  Procast是由美国UES公司开发的铸造过程模拟软件,采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法,对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析,它是在所有铸造软件包中集成化程度最高的现代CAD CAE系统。Procast整个软件包含6个模块, Mesh cast用于建立分析时所需的几何体有限元模型,Precast用于设定分析模型的材料性质、边界条件与分析的求解参数, Datacast则是将上一个程序所设定的条件转为可被Procast读取的文件, Procast则为求解的计算器, Viewcast则是将求解后的分析资料输出,为工程师提供图形化的参考信息,应用Procast进行应力场模拟的整个流程。

  2 1有限元分析前处理

  有限元分析前处理包括三维模型的建立,网格的剖分以及模拟参数的设置三部分。在应力场模拟计算前首先需要对整个铸造系统(包括铸件、铸型、冷铁、浇道及冒口)进行三维模型建立,然后再对三维模型进行有限元网格剖分。网格剖分是有限元分析中一个非常重要的环节,它直接影响到计算的精度、计算的效率及计算结果存储空间的占用大小,因此一个合理网格剖分往往可以达到事半功倍的效果。由于本厂计算机性能有限,因此为了缩短模拟时间以在可以接受的计算时间内得到模拟结果,在剖分网格时加大了网格单元尺寸,并且利用Procast的对称面设置功能给整个计算区域设置了对称面,只剖分一半区域进行计算。本文对上板梁铸造模型所剖分得到的有限元网格模型如所示,共划分得到网格单元总数397128个,节点总数83606个。

  有限元网格剖分完成后就要对模拟计算运行所需各类参数的设置,分别包括对模拟体各部分材料的分配、各部分界面条件的设置、边界条件的设置、重力方向及大小的设置、初始条件设定以及具体运行参数的设定。

  2 2应力场模拟结果分析

  ( 1)上板梁凝固冷却后应力分布情况分析

  本文应力场模拟的终止条件是当整个模拟体内最高温度到达350时停止计算,到达此温度时铸件在坑中的保温时间已足够,可以进行打箱落砂。此时铸件在凝固冷却过程中所产生的应力场分布状况已基本确定。整个上板梁的应力场在此刻的分布状况。

  由图可知,凝固冷却过程中产生应力较为集中的部位在长凹槽处、横纵两主体相交拐角处以及冒口根部,尤其是左右两个小冒口根部位置处。

  ( 2)上板梁凝固冷却后变形情况分析

  由于上板梁在凝固冷却过程中会不断的产生收缩,导致铸件在各方向上产生位移,又由于铸件本身结构以及泥芯的阻挡作用而产生应力,当应力超过屈服强度时就产生塑性变形乃至裂纹。5、6分别为上板梁在凝固冷却过程中产生的在长度方向和宽度方向上的位移量分布状况, 7为凝固冷却(新型亚临界提取冷却的预设研讨剖析)后上板梁各部位产生的塑性应变分布状况。

  可以看出整个铸件总体由四周向中间大冒口位置收缩产生位移,但由于铸型以及长条凹槽泥芯的阻挡,在左右两个小冒口根部、横纵两主体相交拐角处、长条凹槽处以及大冒口下的半圆缺口出不易产生位移,因此导致这些部位产生应力集中并发生塑性应变。由此可以看出4 7所显示的结果较为一致、吻合。

  3结论

  从以上对上板梁凝固冷却过程应力、位移和变形分布状况模拟结果分析可以得出如下结论: ( 1)冒口根部尤其是左右两边的小冒口根部由于铸型阻挡产生应力较为集中,因此需要适当加大过渡圆角。

  ( 2)横纵两主体相交拐角处也由于铸型阻挡,不易自由收缩而产生应力集中,应在左右拐角处设置加强筋。

  ( 3)横向长条凹槽处由于长泥芯的阻挡不易自由收缩而产生应力集中,应增加长条泥芯的退让性。

  ( 4)大冒口下半圆缺口处也易收缩受阻产生应力集中,需设拉筋加强。

  通过对上板梁的模拟分析可以看出应用Pro cast有限元分析软件对大型铸钢件进行应力场模拟能够得到与实际情况较为吻合的模拟结果,能对实际生产进行一定的指导作用,从而加快设计进度,优化设计方案,有效帮助工艺设计人员完成最终工艺方案的确定。

  冶炼铸钢件铸造进展的受力空间摹拟探讨

  1上板梁铸造工艺基本情况介绍

  本文所要进行模拟的上板梁的基本轮廓尺寸为长12. 56米,宽5. 88米,厚0. 95米,毛重275吨,浇冒口重160吨,总钢水量435吨。上板梁铸造工艺简图。

  该铸件采用3个小冒口和一个大冒口进行补缩,其中的大冒口是重机公司迄今为止铸造工艺设计中使用过的最大冒口,它是整个铸件冷却最缓慢,偏析最大的部位。生产中采用地坑造型,背砂用水玻璃石英砂,面砂用铬铁矿砂,厚度为30- 50mm.在冒口不易补缩的部位加设冷铁以增大冒口补缩效果,共在侧面和底面放20块挂砂外冷铁。

  此外,在预计应力较大部位加设拉筋,以减少铸件在冷却凝固过程中的局部位置发生热裂和冷裂的可能性。铸件浇注温度为1560 - 1570 ,在地坑中保温大约28天使铸件最高温度小于350打箱起坑。由于铸件凝固、冷却过程中与型腔的热作用时间相当长,实际生产中易产生缩孔缩松,热裂纹等缺陷,尤其是在冒口根部、横向的长凹槽处以及几处大的拐角处容易产生裂纹。给出了上板梁的化学成分。

  2 Procast应力场模拟过程

  Procast是由美国UES公司开发的铸造过程模拟软件,采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法,对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析,它是在所有铸造软件包中集成化程度最高的现代CAD CAE系统。Procast整个软件包含6个模块, Mesh cast用于建立分析时所需的几何体有限元模型,Precast用于设定分析模型的材料性质、边界条件与分析的求解参数, Datacast则是将上一个程序所设定的条件转为可被Procast读取的文件, Procast则为求解的计算器, Viewcast则是将求解后的分析资料输出,为工程师提供图形化的参考信息,应用Procast进行应力场模拟的整个流程。

  2 1有限元分析前处理

  有限元分析前处理包括三维模型的建立,网格的剖分以及模拟参数的设置三部分。在应力场模拟计算前首先需要对整个铸造系统(包括铸件、铸型、冷铁、浇道及冒口)进行三维模型建立,然后再对三维模型进行有限元网格剖分。网格剖分是有限元分析中一个非常重要的环节,它直接影响到计算的精度、计算的效率及计算结果存储空间的占用大小,因此一个合理网格剖分往往可以达到事半功倍的效果。由于本厂计算机性能有限,因此为了缩短模拟时间以在可以接受的计算时间内得到模拟结果,在剖分网格时加大了网格单元尺寸,并且利用Procast的对称面设置功能给整个计算区域设置了对称面,只剖分一半区域进行计算。本文对上板梁铸造模型所剖分得到的有限元网格模型如所示,共划分得到网格单元总数397128个,节点总数83606个。

  有限元网格剖分完成后就要对模拟计算运行所需各类参数的设置,分别包括对模拟体各部分材料的分配、各部分界面条件的设置、边界条件的设置、重力方向及大小的设置、初始条件设定以及具体运行参数的设定。

  2 2应力场模拟结果分析

  ( 1)上板梁凝固冷却后应力分布情况分析

  本文应力场模拟的终止条件是当整个模拟体内最高温度到达350时停止计算,到达此温度时铸件在坑中的保温时间已足够,可以进行打箱落砂。此时铸件在凝固冷却过程中所产生的应力场分布状况已基本确定。整个上板梁的应力场在此刻的分布状况。

  由图可知,凝固冷却过程中产生应力较为集中的部位在长凹槽处、横纵两主体相交拐角处以及冒口根部,尤其是左右两个小冒口根部位置处。

  ( 2)上板梁凝固冷却后变形情况分析

  由于上板梁在凝固冷却过程中会不断的产生收缩,导致铸件在各方向上产生位移,又由于铸件本身结构以及泥芯的阻挡作用而产生应力,当应力超过屈服强度时就产生塑性变形乃至裂纹。5、6分别为上板梁在凝固冷却过程中产生的在长度方向和宽度方向上的位移量分布状况, 7为凝固冷却(新型亚临界提取冷却的预设研讨剖析)后上板梁各部位产生的塑性应变分布状况。

  可以看出整个铸件总体由四周向中间大冒口位置收缩产生位移,但由于铸型以及长条凹槽泥芯的阻挡,在左右两个小冒口根部、横纵两主体相交拐角处、长条凹槽处以及大冒口下的半圆缺口出不易产生位移,因此导致这些部位产生应力集中并发生塑性应变。由此可以看出4 7所显示的结果较为一致、吻合。

  3结论

  从以上对上板梁凝固冷却过程应力、位移和变形分布状况模拟结果分析可以得出如下结论: ( 1)冒口根部尤其是左右两边的小冒口根部由于铸型阻挡产生应力较为集中,因此需要适当加大过渡圆角。

  ( 2)横纵两主体相交拐角处也由于铸型阻挡,不易自由收缩而产生应力集中,应在左右拐角处设置加强筋。

  ( 3)横向长条凹槽处由于长泥芯的阻挡不易自由收缩而产生应力集中,应增加长条泥芯的退让性。

  ( 4)大冒口下半圆缺口处也易收缩受阻产生应力集中,需设拉筋加强。

  通过对上板梁的模拟分析可以看出应用Pro cast有限元分析软件对大型铸钢件进行应力场模拟能够得到与实际情况较为吻合的模拟结果,能对实际生产进行一定的指导作用,从而加快设计进度,优化设计方案,有效帮助工艺设计人员完成最终工艺方案的确定。

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