低壓鑄造是在裝有金屬液的密閉鋼包中施加氣體壓力，金屬液通過(guò)升液管被壓入到模具型腔內(nèi)，保壓一段時(shí)間后凝固，以形成鑄件的一種方法。其中保溫性能和密封效果是影響低壓鑄造的主要因素。
鋼包做為低壓鑄造中的盛鋼容器，其壓鑄過(guò)程中的保溫性能直接影響鋼水溫度變化，通過(guò)計(jì)算鋼包外表面的熱量損失可體現(xiàn)其保溫性能優(yōu)劣，在低壓鑄造沖壓之前與沖壓過(guò)程中應(yīng)盡量減少鋼水的熱量損失，否則由于熱量損失過(guò)多，鋼水會(huì)在升液管中凝結(jié)堵塞，無(wú)法填充到模具型腔內(nèi)。為保證低壓鑄造順利進(jìn)行，應(yīng)盡量減少鋼包的熱量損失。
為了保證鑄件在壓力下結(jié)晶，組織致密、輪廓清晰、表面光潔，具有較高的力學(xué)性能，需要在低壓鑄造過(guò)程中對(duì)鋼包與鋼包蓋進(jìn)行密封，而包沿的溫度分布直接影響著密封效果。為了降低密封圈材料的選取難度，減小溫度對(duì)密封圈壽命的影響，應(yīng)盡可能降低包沿密封處的溫度。
近幾年來(lái)，對(duì)鋼包溫度場(chǎng)研究逐漸成熟，由于耐火層材料及尺寸對(duì)鋼包溫度場(chǎng)的影響較小，更多學(xué)者已將新型鋼包的保溫性能的研究重點(diǎn)集中在絕熱層的材料、結(jié)構(gòu)及厚度上，為鋼包保溫性能研究提供了重要的參考。本文在以往鋼包設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)所需鑄件材料的用量，設(shè)計(jì)出所需的低壓鑄造鋼包，并建立鋼包的三維有限元模型，分析鋼包耐火層導(dǎo)熱系數(shù)和厚度對(duì)鋼包熱量損失與溫度分布的影響，為低壓鑄造鋼包的設(shè)計(jì)及密封圈的選取提供依據(jù)。
1鋼包結(jié)構(gòu)及其材料物性參數(shù)
低壓鑄造鋼包結(jié)構(gòu)尺寸為：內(nèi)腔深度(H1)1.838m,總體高度(H2)2.413m,內(nèi)徑(D內(nèi))1.580m，錐度為15%，按實(shí)際盛鋼量折算，有效容積(V)2.613m3，圓周面積11.705m2，上口表面積4.0192，下底面積1.754m2。
2鋼包傳熱數(shù)學(xué)模型與計(jì)算
2.1假設(shè)條件
根據(jù)鋼包的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立鋼包傳熱數(shù)學(xué)模型時(shí)作如下假設(shè)：
(1)鋼包包壁視為無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁，包底、包蓋為無(wú)限大平板的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱;
(2)忽略工作層損蝕，認(rèn)為每個(gè)工作過(guò)程工作層的厚度是均勻的。
(3)不考慮鋼水的熱分層現(xiàn)象，認(rèn)為鋼水的溫度分布均勻;
(4)忽略鋼水與工作層、包襯等各層耐火材料及包壁之間接觸熱阻。
2.2邊界條件
根據(jù)鋼包的實(shí)際工作情況及傳熱特點(diǎn)，忽略鋼水熱分層、工作層與鋼水接觸熱阻，耐火層內(nèi)側(cè)與鋼水直接接觸，熱量將從耐火層內(nèi)側(cè)傳遞到耐火層外側(cè)，然后只接觸傳導(dǎo)包壁,因此可視工作層內(nèi)壁溫度為鋼水溫度;鋼水液面距包蓋內(nèi)壁距離為300mm,鋼水未接觸到包蓋，鋼水液面對(duì)鋼包內(nèi)壁及包蓋內(nèi)壁進(jìn)行輻射，經(jīng)分析，輻射對(duì)未接觸鋼水的內(nèi)壁溫度的提升至1000℃、包蓋內(nèi)壁提升至1100℃;鋼包殼與周?chē)諝膺M(jìn)行自然對(duì)流散熱;包売通過(guò)輻射向周?chē)h(huán)境散熱，由于輻射換熱為高度非線(xiàn)性計(jì)算，需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，本文采用簡(jiǎn)化形式，即將輻射換熱轉(zhuǎn)化為對(duì)流換熱形式。
3溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析
3.1耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼包溫度分布的影響
鋼包內(nèi)襯有不同的耐火材料，其導(dǎo)熱系數(shù)也不盡相同，導(dǎo)熱系數(shù)的大小直接影響到鋼包溫度場(chǎng)的合理分布，所以，通過(guò)分析不同導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼包溫度場(chǎng)的影響，可合理的選擇內(nèi)襯材料，減少鋼包的熱量損失及溫度應(yīng)力對(duì)鋼包的破壞。
當(dāng)設(shè)定鋼液溫度為1600℃，工作層、永久層、保溫層、鋼包売的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.15\V/(m?℃),0.5W/(m?℃),0.157W/(m?℃：)和50W/(m?℃),包壁周?chē)諝鉁囟葹?5℃時(shí)，包壁、包蓋、包底的最高溫度達(dá)到221.96℃、223.81℃、195.87℃時(shí)基本穩(wěn)定，熱量損失為49969.2W,其中包壁占74.87%,包蓋占17.32%,包底占7.81%,可見(jiàn)包壁為主要的熱量損失部位，鋼包的平均熱通量為2435.15W/m2.
3.1.1工作層導(dǎo)熱系數(shù)的影響
在其他條件不變的情況下，隨著工作層導(dǎo)熱系數(shù)的不斷增加，包売表面的溫度不斷上升，當(dāng)工作層的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5W/(m?℃)時(shí)，包壁的最高溫度接近340℃。圖3為不同工作層導(dǎo)熱系數(shù)鋼包熱量損失，可以看出隨著工作層的導(dǎo)熱系數(shù)由5W/(m?℃)降低到1.15W/(m?℃)，鋼包的熱量損失減少40.28%;隨著工作層導(dǎo)熱系數(shù)的不斷增大，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱量損失的影響逐漸減小。
3.1.2永久層導(dǎo)熱系數(shù)的影響
永久層導(dǎo)熱系數(shù)增加，隨著永久層導(dǎo)熱系數(shù)的增加，鋼包表面溫度受導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸減小，包壁的最高溫度從221.96℃上升到280.90℃，當(dāng)永久層的導(dǎo)熱系數(shù)超過(guò)2W/(m?℃)時(shí)，對(duì)鋼包表面的溫度幾乎無(wú)影響。
3.2耐火材料厚度對(duì)鋼包溫度分布的影響
通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在其他條件完全相同時(shí)，僅改變工作層或永久層的厚度對(duì)鋼包的溫度分布及熱量損失影響不大，但由于絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)較小，厚度的改變對(duì)鋼包的熱狀態(tài)影響較大。當(dāng)絕熱層的厚度d分別為5mm、10mm、15mm和20mm，其余的耐火材料厚度不變。
區(qū)域1是工作層，區(qū)域2和3分別是永久層和絕熱層，區(qū)域4是包殼，從圖中可以看出，由于各層材料的厚度，材質(zhì)和物性參數(shù)的不同，各層內(nèi)的溫度梯度也不同，當(dāng)絕熱層厚度增加后，工作層和永久層的溫度梯度下降，絕熱層的溫度梯度升高，包殼的溫度顯著降低。隨著絕熱層厚度的增加，鋼包工作層、永久層的溫度呈遞增趨勢(shì)，在絕熱層厚度為20mm時(shí)，工作層、永久層、包壁的平均溫度分別為1275℃、860℃、235℃，而在絕熱層為5mm時(shí)，工作層、永久層、包壁的平均溫度分別為1180℃、680℃、325℃，耐火層厚度的改變對(duì)鋼包的溫度分布影響較大。
3.3密封包沿處的溫度分析
由于低壓鑄造鋼包密封處的溫度約在150℃，增加了橡膠密封圈的選取難度，通過(guò)上述絕熱層對(duì)鋼包溫度及保溫性能的分析，絕熱層厚度對(duì)鋼包的溫度影響較大，可通過(guò)改變包沿附近處絕熱層的厚度，并將絕熱層應(yīng)用到包蓋，改變保溫層在耐火層中的位置等，可降低包沿處的溫度。圖8為改進(jìn)后包襯節(jié)點(diǎn)的溫度分布，區(qū)域1是工作層，區(qū)域2和3是永久層和絕熱層，區(qū)域4是包沿，從包蓋中絕熱層厚度分別是5mm、10mm、15mm、20mm的溫度曲線(xiàn)圖中可看出，隨著絕熱層厚度的不斷增加，包沿密封處的溫度不斷降低，其對(duì)應(yīng)的密封處的溫度分別為163.53℃、155.42℃、133.25℃、125.92℃，絕熱層由10mm增加到15mm時(shí)，對(duì)密封處的影響最大，溫降為22.17℃.當(dāng)厚度在其他范圍變化時(shí)，對(duì)溫度的影響很小;而當(dāng)絕熱層厚度為20mm時(shí)，改變絕熱層在耐火層中的位置，絕熱層與外壁距離分別為225mm、250mm、275mm時(shí)包沿密封處的溫度分布曲線(xiàn)，由圖可看出，不同位置的絕熱層對(duì)密封處的溫度沒(méi)有影響，而僅改變了耐火層內(nèi)襯溫度分布。
4結(jié)論
1.鋼包工作層、永久層的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼包有一定的影響，隨著耐火層導(dǎo)熱系數(shù)的增加，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼包熱量損失及溫度分布的影響逐漸減小，當(dāng)工作層導(dǎo)熱系數(shù)大于3時(shí)，對(duì)鐵骨錚錚包的熱量損失影響減少，當(dāng)永久層導(dǎo)熱系數(shù)大于2時(shí)，對(duì)包殼的溫度場(chǎng)及熱量損失幾乎無(wú)影響。
2.鋼包的熱損失主要是通過(guò)包壁散失造成的，而影響包壁熱損失的主要原因是絕熱層的厚度，絕熱層厚度的增加，有效的減少了包壁的熱量損失及平均溫度，絕熱層由5mm增加到20mm，包壁平均熱量損失及溫度分別減少了40.94%和31.77%，約16841W和90℃，其中絕熱層厚度在10~15mm時(shí)，對(duì)鋼包的熱量損失影響最大，鋼包的絕熱層的合理厚度應(yīng)大于15mm，可有效提高鋼包的保溫性能。
3.將絕熱層應(yīng)用至鋼包蓋中，減小了鋼包密封處的溫度，其中絕熱層的厚度在10~15mm時(shí)，對(duì)密封處的溫差影響最大，溫差為22.17℃，所以包蓋絕熱層的厚度應(yīng)大于15mm;包蓋絕熱層的位置對(duì)鋼包密封處的溫度無(wú)影響，而僅改變了耐火層內(nèi)襯溫度分布。
