鑄鋼件中砂芯發氣的數值模擬
鑄鋼件中砂芯發氣的數值模擬

 

鑄鋼件中砂芯發氣的數值模擬

Numerical Simulation of Core Gas Defects in Steel Castings

L. Xue, Flow Science, Inc., Santa Fe, New Mexico

M.C. Carter, Flow Science, Inc., Santa Fe, New Mexico

A.V. Catalina, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

Z. Lin, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

C. Li, Caterpillar Inc., Champaign, Illinois

C. Qiu, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

 

摘要:砂芯發氣的氣泡被困在金屬中是造成鑄件氣孔缺陷的主要原因之一,在預測鑄件氣孔缺陷時,如果不考慮砂芯發氣會使預測的結果不夠完整。本文結合原理、FLOW-3D 軟件模型及相應的軟件模擬案例來說明 FLOW-3D CAST 作為一個功能強大的模擬工具,可以用來預測砂芯發氣的問題,讓使用者不用進行試驗就能夠快速的設計和了解修改后的變化。

關鍵詞:砂芯發氣;鑄造工藝;模擬技術;數值模擬;凝固;縮孔縮松;氣孔;困氣

 

1   前言

在鑄件中氣孔的形成主要是因為金屬原本夾帶的氫氣或氮氣、在充型過程中卷入的氣體及砂芯發氣所產生的氣體。對于目前預測鑄件氣孔的分析軟件大部分都是觀看卷氣為主,由于砂芯發氣的模擬涉及到復雜的物理模型,所以較難將砂芯發氣建立在鑄件分析中。但是如果不考慮砂芯發氣對氣孔缺陷是不夠完整的。

本文利用 FLOW-3D CAST 這套軟件來嘗試預測砂芯發氣的缺陷問題。此軟件可進行砂芯發氣的模擬,但砂芯發氣的氣體不會被加入在流體的計算中,故無法得知氣體的位置,目前可搭配固相率來觀看結果并推斷可能發生砂芯發氣造成的氣孔缺陷。

 

2   理論

鑄造過程中涉及了各式各樣的物理模型,像是流體力學、熱傳、凝固…等。在FLOW-3D CAST 中使用的一些預測氣孔缺陷功能在下方為各位介紹。

 

3   凝固模型

在軟件中有兩個凝固模型可以被用來預測金屬收縮產生的縮孔。第一個模型是有關流體力學方程的系統,它的分析結果會考慮到金屬的速度及壓力來進行仿真,因此被稱為流體動力學或是第一原理(FP)。第一原理(FP)是預測縮孔較精準的模式但每次的分析要涉及動量和熱能的方程進行計算,所以計算的時間較長。

另一個模型是簡化的收縮模型,它只考慮金屬和模具的能量方程,沒有考慮流體動力方程。這種模型的氣孔形成主要由金屬冷卻及重力影響作為計算,此模型被稱為快速凝固收縮率模型(RSS),可以用來快速的分析鑄件的氣孔。

 

4   微縮孔模型

當固相率達到一定的值時,對金屬的枝晶組織開始產生影響,此時液體的壓力是非常高的。對于微縮孔模型來說是假定在凝固的最終階段微小氣孔的數值,另外在零流動的點上被稱為剛性固相率或是臨界固相率。

體積收縮(ΔV)是由元素密度變化中的質量守恒來進行計算

液、固相的混合密度為固相率的線性函數(fs)

其中,ρliq是液相溫度的密度(fs=0)、ρsol是固相溫度的密度(fs=1)。利用上述兩種關系,在收縮體積ΔS的變化,相對于固相率的變化,Δfs是

其中S是微縮孔的體積分數、fs是固相率

 

根據這個公式最大的縮孔可能為(ρsol-ρliq)/ρsol, 然而最大的微縮孔只發生在臨界固相率以上的凝固

 

5   砂芯發氣模型

在 FLOW-3D CAST 中固體粘結劑的氣體轉換是由阿瑞尼斯(Arrhenius)方程式方程而來:

其中ρb是固體粘結劑密度、Cb是分解速度常數、Eb是結合能、R是氣體常數、T是砂芯溫度

氣體被視為是理想的并且具有特定的常數(Rcg),特定的氣體常數可以從實驗中推斷,從標準的體積(Vstd)和粘結劑(mb),計算公式如下

 

 

 

 

 

砂芯氣體流量的速度( )計算公式如下

其中K是砂的滲透性、μcg是砂芯氣體粘度、pcg是砂芯氣體壓力

砂芯發氣的密度須符合質量轉換方程及理想氣體的假設,計算公式如下

其中 ρcg 是核心氣體密度,T是氣體溫度

 

6   模擬

在模擬中使用的鑄件是一個冒口組件(如圖1所示),使用的熔湯材質為鋼,澆鑄溫度為1853K,鑄件尺寸為0.715m x 0.22m x 0.235m,鑄件重量為136.8公斤。

圖1 模擬中使用的鑄件

Figure1 The geometry of casting/riser assembly used in the simulation

 

砂芯材質使用PUCB (Polyurethane Cold Box),砂芯砂粒直徑為0.18mm、粘結劑的質量分數為1%,砂芯其他參數如表1所示,砂芯和模具有相同的熱導率和密度x比熱,如圖2、圖3所示。

表1 粘結劑和砂芯氣體性質

 

圖2 模具和砂芯的熱導率

 

圖3 模具和砂芯的密度x比熱

 

網格區塊大小為1.1m x 0.65m x 0.6m,分析結束條件設置為固相率等于1,一開始先使用快速凝固收縮率模型(RSS)進行分析確認參數,當參數確定后使用第一原理(FP)進行完整的凝固與砂芯發氣的分析,將分析后的結果進行比對。

 

7   結果

在鑄件中間的橫截面有三個主要的氣孔缺陷,如圖4(a)所示,由快速凝固收縮率模型(RSS)的微縮孔結果可以看出A區和B區有相同的缺陷存在,如圖4(b),這個模型可以快速的找出缺陷位置。另外在第一原理(FP)有更良好的效果,如圖4(c)所示。

圖4 鑄件中截面的氣孔缺陷

(a)實驗的鑄件氣孔位置分布,(b) 快速凝固收縮率模型(RSS)的微縮孔分布,(c) 第一原理(FP) 的微縮孔分布

 

由圖4(c)可看出第一原理(FP)正確的預測區域A和B的微縮孔結果,比快速凝固收縮率模型(RSS)的微縮孔更為準確,這是因為第一原理(FP)有考慮流體的流動,但是快速凝固收縮率模型(RSS)的微縮孔和(RSS)的微縮孔都沒有預測到區域C的氣孔缺陷。在區域C的氣孔缺陷可能來自砂芯的發氣,為了驗證這樣的說法透過凝固的固相率及砂芯發氣的結果進行比較,如圖5、圖6所示。

圖5 砂芯發氣與金屬固相率在t=1337秒的比較

(a)砂芯發氣分布圖,(b)金屬固相率

 

圖5 砂芯發氣與金屬固相率在t=1337秒的比較

(a)砂芯發氣分布圖,(b)金屬固相率

 

8 結論

砂芯發氣的氣泡被困在金屬中是造成鑄件氣孔缺陷的主要原因之一,在預測鑄件氣孔缺陷時,如果不考慮砂芯發氣會使預測的結果不夠完整,在本文中沒有考慮砂芯發氣的比對時,會遺漏某些因砂芯發氣造成的缺陷區域,透過砂芯發氣與凝固的固相率可以找出因砂芯發氣造成的缺陷位置。在這項研究中使用的軟件FLOW-3D CAST是一個功能強大的工具,可以用來預測砂芯發氣的問題,讓使用者不用進行試驗就能夠快速的設計和了解修改后的變化。

注:本文發表于美國鑄造學會,由帕盛博(蘇州)軟件科技有限公司編譯并再次發表。

 

【參考文獻】

1. Lee, P.D., Chirazi, A., See, D., “Modeling Mi

croporosity in Aluminum-Silicon Alloys: A Review,” J. Light Metals, 2000, 1, 15

2. Stefanescu, D.M., “Computer Simulation of Shrinkage Related Defects in Metal Castings - A Review,” Internat. J. Cast Met. Res., 2005, 18, 129

3. Catalina, A.V., Leon-Torres, J.F., Stefanescu, D.M., Johnson, M.L., “Prediction of

Shrinkage-Related Defects in Steel Castings,”

Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Processing, Sheffield, July 2007

4. Carter, M.C., Xue, L., “Simulating the

Parameters that Affect Core Gas Defects in Metal

Castings,” Proceedings of the 117th Metalcasting Congress, St. Louis, April, 2013

5. Starobin, A.J., Hirt, C.W., “FLOW-3D Core Gas Model: Binder Gas Generation and Transport in Sand Cores and Molds,” Santa Fe, New Mexico, USA: Flow Science Inc. TN84.

6. Hirt, C.W., “Modeling Shrinkage Induced

Micro-porosity,” Santa Fe, New Mexico, USA: Flow Science Inc. TN66.

 

幸运彩官网