离心铸造碳钢-高铬铸铁复合管有限元模拟研究

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.s1.010 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 离心铸造碳钢一高铬铸铁复合管有限元模拟研究 刘靖 韩静涛吴伟 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:liujing@mater..usth.cdu.cm 摘要采用离心铸造的碳钢一高铬铸铁复合管界面达到了治金结合.利用ANSYS有限元软件对复合管凝固过程外层及内 外层温度场进行了模拟与分析.模拟结果表明：离心浇注外层20钢大约9s后，铸件最低温度为1430℃，已经低于20钢固相 线温度1490℃，由此可见，浇注间隔时间为9s时，可形成规则稳定的过渡层.当外层20钢的温度降至1350℃时，浇注高铬铸 铁，大约30s后，内层的温度已降至1257℃，低于高铬铸铁固相线温度，此时，内层熔体己经完全凝固 关键词离心浇铸：碳钢：铸铁：金属复合：管：有限元法；计算机模拟 分类号TG249.4 Finite element simulation for clad pipes of carbon steel and high chromium cast iron by centrifugal casting LIU Jing,HAN Jing-tao,WU Wei School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liujing@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT The interface of carbon steel and high chromium cast iron clad pipes achieved metallurgical bonding by centrifugal cast- ing.Finite element simulation was used to study the temperature fields of the outer layer and inner/outer layer.The results showed that the minimum temperature of outer layer casting (20 steel)reached 1430C after centrifugal casting for 9s,which is lower than the soli- dus temperature (1490 C).A steady-regular transition layer can be formed when the interval of casting was 9s.When the temperature of 20 steel reduced to 1 350 C,the high chromium cast iron was cast.After 30s,the inner temperature reduced to 1 257 C which is below the solidus temperature of high chromium cast iron,then the solidification finished completely. KEY WORDS centrifugal casting:carbon steel;cast iron:metal clading:pipe:finite element method;computer simulation 高铬铸铁是一种性能优良的抗磨材料，既具有 (3.5MPa)输煤泵内衬及水泥工业用大型粉碎机组 极佳的耐磨性能，又有一定的强度和韧性)，在治 合板中.高铬白口铸铁的韧性虽然优于其他白口铸 金、建材、电力、煤炭等行业得到广泛的应用.对高 铁，但在实际应用中仍易于破碎，而且材料成本较 铬铸铁耐磨性能起主要作用的合金元素是铬和碳， 高，限制了它的应用推广囚.20钢的抗冲击性好， 一般碳含量（质量分数)在2.0%~3.5%之间，铬含 可以有效地保证管件的外形完整因.碳钢一高铬铸 量（质量分数）在13%~36%之间-习.高铬铸铁的 铁复合管的开发既能兼顾高铬铸铁的耐磨性和20 成分范围较宽，目前用的最多的是亚共晶成分高铬 钢的良好塑性，又能节省材料，所以对碳钢一高铬铸 铸铁，铬含量大多在13%~18%，只有在特殊情况 铁复合管进行研究在工业生产上具有重要意义 下（耐热、耐蚀铸件），才达到25%以上0.高铬白 1复合管浇铸工艺 口铸铁由于抗磨性能优良，并且具有相当的韧性和 耐蚀性而日益受到人们的重视.国外己成功地将高 采用卧式离心铸造的方法，先将20钢金属液浇 铬白口铸铁应用于矿山大直径(3.7m)球磨机衬板、 入旋转的型筒中，待其刚刚凝固后，将高铬铸铁金属 大型粉磨机锤头(10.7m)、大型泥浆泵内衬、高压 液浇入旋转的型筒中，在离心力作用下形成空心金 收稿日期：201203-10

第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 离心铸造碳钢--高铬铸铁复合管有限元模拟研究 刘 靖 韩静涛 吴 伟 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: liujing@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用离心铸造的碳钢--高铬铸铁复合管界面达到了冶金结合． 利用 ANSYS 有限元软件对复合管凝固过程外层及内 外层温度场进行了模拟与分析． 模拟结果表明: 离心浇注外层 20 钢大约 9 s 后，铸件最低温度为 1 430 ℃，已经低于 20 钢固相 线温度 1490 ℃，由此可见，浇注间隔时间为 9 s 时，可形成规则稳定的过渡层． 当外层 20 钢的温度降至 1350 ℃时，浇注高铬铸 铁，大约 30 s 后，内层的温度已降至 1 257 ℃，低于高铬铸铁固相线温度，此时，内层熔体已经完全凝固． 关键词 离心浇铸; 碳钢; 铸铁; 金属复合; 管; 有限元法; 计算机模拟 分类号 TG249. 4 Finite element simulation for clad pipes of carbon steel and high chromium cast iron by centrifugal casting LIU Jing ，HAN Jing-tao，WU Wei School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: liujing@ mater． ustb． edu． cn ABSTRACT The interface of carbon steel and high chromium cast iron clad pipes achieved metallurgical bonding by centrifugal cast￾ing． Finite element simulation was used to study the temperature fields of the outer layer and inner/outer layer． The results showed that the minimum temperature of outer layer casting ( 20 steel) reached 1430 ℃ after centrifugal casting for 9 s，which is lower than the soli￾dus temperature ( 1490 ℃ ) ． A steady-regular transition layer can be formed when the interval of casting was 9 s． When the temperature of 20 steel reduced to 1 350 ℃，the high chromium cast iron was cast． After 30 s，the inner temperature reduced to 1 257 ℃ which is below the solidus temperature of high chromium cast iron，then the solidification finished completely． KEY WORDS centrifugal casting; carbon steel; cast iron; metal clading; pipe; finite element method; computer simulation 收稿日期: 2012--03--10 高铬铸铁是一种性能优良的抗磨材料，既具有 极佳的耐磨性能，又有一定的强度和韧性［1］，在冶 金、建材、电力、煤炭等行业得到广泛的应用． 对高 铬铸铁耐磨性能起主要作用的合金元素是铬和碳， 一般碳含量( 质量分数) 在 2. 0% ～ 3. 5% 之间，铬含 量( 质量分数) 在 13% ～ 36% 之间［2--3］． 高铬铸铁的 成分范围较宽，目前用的最多的是亚共晶成分高铬 铸铁，铬含量大多在 13% ～ 18% ，只有在特殊情况 下( 耐热、耐蚀铸件) ，才达到 25% 以上［4］． 高铬白 口铸铁由于抗磨性能优良，并且具有相当的韧性和 耐蚀性而日益受到人们的重视． 国外已成功地将高 铬白口铸铁应用于矿山大直径( 3. 7 m) 球磨机衬板、 大型粉磨机锤头( 10. 7 m) 、大型泥浆泵内衬、高压 ( 3. 5 MPa) 输煤泵内衬及水泥工业用大型粉碎机组 合板中． 高铬白口铸铁的韧性虽然优于其他白口铸 铁，但在实际应用中仍易于破碎，而且材料成本较 高，限制了它的应用推广［5］． 20 钢的抗冲击性好， 可以有效地保证管件的外形完整［6］． 碳钢--高铬铸 铁复合管的开发既能兼顾高铬铸铁的耐磨性和 20 钢的良好塑性，又能节省材料，所以对碳钢--高铬铸 铁复合管进行研究在工业生产上具有重要意义． 1 复合管浇铸工艺 采用卧式离心铸造的方法，先将 20 钢金属液浇 入旋转的型筒中，待其刚刚凝固后，将高铬铸铁金属 液浇入旋转的型筒中，在离心力作用下形成空心金 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.010

增刊1 刘靖等：离心铸造碳钢一高铬铸铁复合管有限元模拟研究 ·55· 属管坯，待凝固冷却后脱模，形成了内层是高铬铸 层流： 铁，外层是20钢的双金属复合管. ③将液相、液固相之间及固相的热物性参数视 参照中华人民共和国建筑工业行业标准JGT 为常数： 95一1999，并根据水泥泵车的要求0，水泥泵车用管 ④铸型外表面为单纯的空气对流冷却，不考虑 的长度设计为3000mm,壁厚为8mm.为保证耐磨 辐射散热，假设铸型外空气保持在恒温25℃：同时 性，内层（耐磨层）壁厚为3mm;为保证输送管具有 忽略铸件内表面对型腔热空气的传热； 一定的强度和韧性，外层（基层）壁厚为5mm. ⑤金属液瞬时充填铸型并与铸型达到同一转 速，即金属液与铸型相对静止； 2离心凝固过程温度场的模拟分析 ⑥不考虑液、固相因热造成的对流流动，在铸件 2.1温度场控制方程的建立 凝固传热过程中只考虑热传导； (1)温度场凝固模拟的简化处理 ⑦不考虑合金的过冷，凝固从液相线温度开始， 影响铸件凝固过程温度场分布的因素很多，在 固相线温度结束. 模拟求解时需进行必要的简化.在建模中，基于以 (2)实验材料. 下假设： 在利用ANSYS软件建模进行数值求解时，考 ①不考虑金属熔体混合物沿铸型轴向的流动和 虑到问题的对称性和求解的精确性，在沿垂直于 传热，简化为二维问题处理： 铸件旋转轴线的圆环状横截面上，取中心角为10° ②不考虑金属熔体混合物凝固时的界面移动， 范围内所包含的铸件和铸型作为研究对象，如图1 金属熔体混合物为不可压缩的牛顿流体，且流动为 所示 (e) d 图1温度场模拟有限元模型.(a)内层高铬铸铁：(b)外层20钢：(c)涂层：(d)铸型 Fig.1 Finite element model (FEM)of the temperature field:(a)inner layer of high chromium cast iron:(b)outer layer of 20 steel:(c)coat; (d)casting mold 产品主要尺寸：复合管内径125mm,壁厚8mm, NODE 2905 N0DE2727 内层壁厚3mm,外层壁厚5mm,长3000mm,金属铸 型的壁厚为90mm,涂料厚1mm. 设备材料：铸型45钢，复合管内层为高铬铸铁， 外层为20钢.各层材料的热物理参数如表1所示， 实验分析所用节点位置如图2所示 表1各层材料的热物理参数 Table 1 Thermophysical parameters of each layer material N0DE2730 密度，pl 导热系数，A/ 比热容，c/ N0DE2669 材料 (kgm3)(Wml.℃)(kg1.℃l) 图2节点位置示意图 Fig.2 Sketch of node position 高铭铸铁（内层） 7570 74 724 20钢（外层） 7830 112 703 (3)温度场初始条件及边界条件 氧化锆（涂层） 6100 0.2 460 ①初始条件 基于瞬时充型假设可知，当浇注开始时，铸型温 45钢（铸型） 7833 130 603 度等于预热温度，铸件温度等于浇注温度，其中预热

增刊 1 刘 靖等: 离心铸造碳钢--高铬铸铁复合管有限元模拟研究 属管坯，待凝固冷却后脱模，形成了内层是高铬铸 铁，外层是 20 钢的双金属复合管． 参照中华人民共和国建筑工业行业标准 JG/T 95—1999，并根据水泥泵车的要求［7］，水泥泵车用管 的长度设计为 3 000 mm，壁厚为 8 mm． 为保证耐磨 性，内层( 耐磨层) 壁厚为 3 mm; 为保证输送管具有 一定的强度和韧性，外层( 基层) 壁厚为 5 mm． 2 离心凝固过程温度场的模拟分析 2. 1 温度场控制方程的建立 ( 1) 温度场凝固模拟的简化处理． 影响铸件凝固过程温度场分布的因素很多，在 模拟求解时需进行必要的简化． 在建模中，基于以 下假设: ①不考虑金属熔体混合物沿铸型轴向的流动和 传热，简化为二维问题处理; ②不考虑金属熔体混合物凝固时的界面移动， 金属熔体混合物为不可压缩的牛顿流体，且流动为 层流; ③将液相、液固相之间及固相的热物性参数视 为常数; ④铸型外表面为单纯的空气对流冷却，不考虑 辐射散热，假设铸型外空气保持在恒温 25℃ ; 同时 忽略铸件内表面对型腔热空气的传热; ⑤金属液瞬时充填铸型并与铸型达到同一转 速，即金属液与铸型相对静止; ⑥不考虑液、固相因热造成的对流流动，在铸件 凝固传热过程中只考虑热传导; ⑦不考虑合金的过冷，凝固从液相线温度开始， 固相线温度结束． ( 2) 实验材料． 在利用 ANSYS 软件建模进行数值求解时，考 虑到问题的对称性和求解的精确性，在沿垂直于 铸件旋转轴线的圆环状横截面上，取中心角为 10° 范围内所包含的铸件和铸型作为研究对象，如图 1 所示． 图 1 温度场模拟有限元模型． ( a) 内层高铬铸铁; ( b) 外层 20 钢; ( c) 涂层; ( d) 铸型 Fig． 1 Finite element model ( FEM) of the temperature field: ( a) inner layer of high chromium cast iron; ( b) outer layer of 20 steel; ( c) coat; ( d) casting mold 产品主要尺寸: 复合管内径 125 mm，壁厚 8 mm， 内层壁厚 3 mm，外层壁厚 5 mm，长 3 000 mm，金属铸 型的壁厚为 90 mm，涂料厚 1 mm． 设备材料: 铸型 45 钢，复合管内层为高铬铸铁， 外层为 20 钢． 各层材料的热物理参数如表 1 所示， 实验分析所用节点位置如图 2 所示． 表 1 各层材料的热物理参数 Table 1 Thermophysical parameters of each layer material 材料 密度，ρ / ( kg·m － 3 ) 导热系数，λ / ( W·m － 1 ·℃ － 1 ) 比热容，c/ ( J·kg － 1 ·℃ － 1 ) 高铬铸铁( 内层) 7 570 74 724 20 钢( 外层) 7 830 112 703 氧化锆( 涂层) 6 100 0. 2 460 45 钢( 铸型) 7 833 130 603 图 2 节点位置示意图 Fig． 2 Sketch of node position ( 3) 温度场初始条件及边界条件． ①初始条件． 基于瞬时充型假设可知，当浇注开始时，铸型温 度等于预热温度，铸件温度等于浇注温度，其中预热 ·55·

·56· 北京科技大学学报 第34卷 温度、浇注温度取决于工艺要求，模拟计算时可在 容法处理结晶潜热，当铸件某单元(，)温度处于液 ANSYS程序中设定 固相线之间时，控制方程可以写成 ②热边界条件 (2) 离心铸造的换热边界条件十分复杂，主要包括 铸件一铸型、铸型一环境空气及铸件内孔一空气之间 式中：c为等效比热容，计算时由程序给定；r为管件 的换热三部分.在ANSYS有限元程序中，铸件一铸 径向：为管件轴向.这样使得不论是在固相区、液 型之间由于气隙而存在热阻，计算时通过给定传热 相区、还是在固一液两相区，选用不同的比热表达形 系数来加以考虑.而铸型一环境之间的对流换热 式所列出的传热方程都成立. (g)可用下式表示： 基于以上分析，就可以采用有限元法，对在固相 9=a（T-T). (1) 区、液相区及固一液两相区的非稳态温度场控制方 式中：为铸型与环境空气之间的传热系数， 程进行离散，利用ANSYS程序求解并获得各种条件 W·m1.℃，由程序给定；Tw为铸型周围环境的平均 下的温度场分布 温度，℃，由程序给定. 2.2复合管外层凝固过程温度场的模拟与分析 ③结晶潜热的处理. 图3、图4为离心凝固过程中，不同时刻外层铸 铸件在凝固过程中会释放出大量的潜热.据有 件(20钢)温度场分布云图.凝固开始阶段(t<10 关文献报道，铸件向铸型传递的热量中，金属过热的 s),铸件的冷却速度很大（约为11℃/s),铸件温度 热量仅占20%左右，凝固潜热占80%网.潜热释放 从1540℃很快下降到1393℃左右.而铸型中的涂 会明显降低铸件的冷却和凝固速度，非稳态热传导 层温度也从200℃很快上升到1300℃左右，与铸件 方程由于潜热的释放，实际变成了具有内热源的温 温度基本一致：由于涂层的传热系数非常小，阻断了 度场，潜热释放对于铸件过程的温度场分布具有重 热流向铸型的传递，故铸型温度上升并不大，约为50 大影响.因此，在铸件凝固传热计算中，对于固液两 ℃.经大约9s后，铸件最低温度为1430℃，己经低于 相区必须考虑凝固潜热的问题.本文采用等效比热 20钢固相线温度1490℃，金属熔体全部凝固完毕. 191器鼎69240340 191780盟692403040 191.467491.141790.81510901390 191.467491.141790.81510901390 341.304640.978940.65212401540 341.304640.978940.65212401540 图3外层铸件和铸型凝固过程各时刻温度场分布云图（单位：℃）.(a)t=0.001s:(b)t=13.673s:(c)t=14.673s:(d)t=30s Fig.3 Maps of the temperature field of outer casting and casting mould during solidification (unit:C):(a)t=0.001s:(b)=13.673s:(c)= 14.673s:(d)t=30s

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 温度、浇注温度取决于工艺要求，模拟计算时可在 ANSYS 程序中设定． ②热边界条件． 离心铸造的换热边界条件十分复杂，主要包括 铸件--铸型、铸型--环境空气及铸件内孔--空气之间 的换热三部分． 在 ANSYS 有限元程序中，铸件--铸 型之间由于气隙而存在热阻，计算时通过给定传热 系数来加以考虑． 而铸型--环境之间的对流换热 ( q) 可用下式表示: q = α0 ( T － TW ) ． ( 1) 式中: α0 为铸型与环境空气之间的传热系数， W·m － 1 ·℃，由程序给定; TW为铸型周围环境的平均 温度，℃，由程序给定． 图 3 外层铸件和铸型凝固过程各时刻温度场分布云图( 单位: ℃ ) ． ( a) t = 0. 001 s; ( b) t = 13. 673 s; ( c) t = 14. 673 s; ( d) t = 30 s Fig． 3 Maps of the temperature field of outer casting and casting mould during solidification ( unit: ℃) : ( a) t = 0. 001 s; ( b) t = 13. 673 s; ( c) t = 14. 673 s; ( d) t = 30 s ③结晶潜热的处理． 铸件在凝固过程中会释放出大量的潜热． 据有 关文献报道，铸件向铸型传递的热量中，金属过热的 热量仅占 20% 左右，凝固潜热占 80%［8］． 潜热释放 会明显降低铸件的冷却和凝固速度，非稳态热传导 方程由于潜热的释放，实际变成了具有内热源的温 度场，潜热释放对于铸件过程的温度场分布具有重 大影响． 因此，在铸件凝固传热计算中，对于固液两 相区必须考虑凝固潜热的问题． 本文采用等效比热 容法处理结晶潜热，当铸件某单元( i，j) 温度处于液 固相线之间时，控制方程可以写成 ρc' T t = λ [ 1 r T r + T2 r 2 +  2 T z 2 ] ． ( 2) 式中: c'为等效比热容，计算时由程序给定; r 为管件 径向; z 为管件轴向． 这样使得不论是在固相区、液 相区、还是在固--液两相区，选用不同的比热表达形 式所列出的传热方程都成立． 基于以上分析，就可以采用有限元法，对在固相 区、液相区及固--液两相区的非稳态温度场控制方 程进行离散，利用 ANSYS 程序求解并获得各种条件 下的温度场分布． 2. 2 复合管外层凝固过程温度场的模拟与分析 图 3、图 4 为离心凝固过程中，不同时刻外层铸 件( 20 钢) 温度场分布云图． 凝固开始阶段( t ＜ 10 s) ，铸件的冷却速度很大( 约为 11 ℃ /s) ，铸件温度 从 1 540 ℃很快下降到 1 393 ℃左右． 而铸型中的涂 层温度也从 200 ℃很快上升到 1 300 ℃左右，与铸件 温度基本一致; 由于涂层的传热系数非常小，阻断了 热流向铸型的传递，故铸型温度上升并不大，约为 50 ℃． 经大约9 s 后，铸件最低温度为1430 ℃，己经低于 20 钢固相线温度 1 490 ℃，金属熔体全部凝固完毕． ·56·

增刊1 刘靖等：离心铸造碳钢一高铬铸铁复合管有限元模拟研究 ·57· 292w30337574n34914n57540 d 12361303137114391506 12361303137114391506 12691337140514721540 12691337140514721540 图4外层20钢凝固过程各时刻温度场分布云图（单位：℃）.(a)t=1.673s;(b)t=4.673s:(c)t=9.673s:(d)t=17.673s Fig.4 Maps of the temperature field of outer 20 steel during solidification (unit:C):(a)t=1.673s:(b)t=4.673s:(c)t=9.673s:(d)t= 17.673s 2.3复合管内外层凝固过程温度场的模拟与分析 1440 金属复合离心铸造时，由于内外层材料不同，熔 N0DE2727 1400 点不同，双金属管温度场有其自身的特点。分别取 sN0DE.2669 NODE_2905、NODE_2727、NODE_2669、和NODE_ ~1360F N0DE2730 2730进行温度场曲线绘制，如图5和6所示.图7 和8为离心凝固过程中，不同时刻双层复合管铸件 及铸型温度场分布云图. 1280F 1500 12406 6 12 18 24 30 时向s 1450 图6节点N0DE_2727、N0DE_2730及N0DE_2669的温度场 1400 比较 NODE_2905 Fig.6 Comparison of the temperature field for NODE_2727,NODE_ 骗1350 2730,andN0DE2669 N0DE2727 1300 升，靠近内层的升温速度要大于远离内层的升温速 1250% 度，如图5所示.当t=1.6s时，外层温度达到最大 6 12 1824 30 时间s 值1389℃，内层温度降至1405℃，见图8(c),显然 内层的降温速度大于外层的升温速度.随后，热量 图5节点NODE2727和NODE2905的温度场比较 Fig.5 Comparison of the temperature field for NODE_2727 and 继续由内层向外层传递，此时内层继续降温，外层己 NODE_2905 不再升温.从图6可以看出，当t>3s后，内外层以 相同的降温速度降温，其中内外层温差在10~15 当外层20钢的温度降至1350℃时，浇注内层 ℃：大约12s后，内层的温度降至1345℃，已低于高 高铬铸铁，其浇注温度为1480℃，外层温度瞬间上 铬铸铁熔点.由7(d)可以看出，30s后，内层的温度

增刊 1 刘 靖等: 离心铸造碳钢--高铬铸铁复合管有限元模拟研究 图 4 外层 20 钢凝固过程各时刻温度场分布云图( 单位: ℃ ) . ( a) t = 1. 673 s; ( b) t = 4. 673 s; ( c) t = 9. 673 s; ( d) t = 17. 673 s Fig． 4 Maps of the temperature field of outer 20 steel during solidification ( unit: ℃ ) : ( a) t = 1. 673 s; ( b) t = 4. 673 s; ( c) t = 9. 673 s; ( d) t = 17. 673 s 2. 3 复合管内外层凝固过程温度场的模拟与分析 金属复合离心铸造时，由于内外层材料不同，熔 点不同，双金属管温度场有其自身的特点． 分别取 NODE_2905、NODE_2727、NODE_2669、和 NODE_ 2730 进行温度场曲线绘制，如图 5 和 6 所示． 图 7 和 8 为离心凝固过程中，不同时刻双层复合管铸件 及铸型温度场分布云图． 图 5 节点 NODE_2727 和 NODE_2905 的温度场比较 Fig． 5 Comparison of the temperature field for NODE _2727 and NODE_2905 当外层 20 钢的温度降至 1 350 ℃ 时，浇注内层 高铬铸铁，其浇注温度为 1 480 ℃，外层温度瞬间上 图 6 节点 NODE_2727、NODE_2730 及 NODE_2669 的温度场 比较 Fig． 6 Comparison of the temperature field for NODE_2727，NODE_ 2730，and NODE_2669 升，靠近内层的升温速度要大于远离内层的升温速 度，如图 5 所示． 当 t = 1. 6 s 时，外层温度达到最大 值 1 389 ℃，内层温度降至 1 405 ℃，见图 8( c) ，显然 内层的降温速度大于外层的升温速度． 随后，热量 继续由内层向外层传递，此时内层继续降温，外层已 不再升温． 从图 6 可以看出，当 t ＞ 3 s 后，内外层以 相同的降温速度降温，其中内外层温差在 10 ～ 15 ℃ ; 大约 12 s 后，内层的温度降至 1 345 ℃，已低于高 铬铸铁熔点． 由 7( d) 可以看出，30 s 后，内层的温度 ·57·

·58· 北京科技大学学报 第34卷 (a 1917n4107591 1913477041907282050194387480 1337 11941480 191385477.744764.10310501337 191.385477.744764.10310501337 334.564620.923907.28211941480 334.564620.923907.28211941480 图7双层管铸件和铸型凝固过程各时刻温度场分布云图（单位：℃）.(a)t=0.041s:(b)t=12.189s:(c)t=13.189s:(d)t=30s Fig.7 Maps of the temperature field of the bilayertube casting and casting mould during solidification (unit:C):(a)=0.041s:(b)=12.189 s;(c)t=13.189s:(d)t=30s (a) ) 12491300.1351.21403,1454 1249130013511403.1454 12741326137714291480 12741326137714291480 d 1249130013511403145 1274 1326 13771429 1480 124927430013263511374n1A0454 1274 1326 14291480 图8复合管内外层凝固过程各时刻温度场分布云图（单位：℃）.(a)t=0.005s:(b)t=0.144s:(c)t=1.663s:(d)t=30s Fig.8 Maps of the temperature field of the inner layer and the outer layer of bilayer tube during solidification (unit:C):(a)t=0.005s:(b)t= 0.144s:(c)t=1.663s:(d)t=30s

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 7 双层管铸件和铸型凝固过程各时刻温度场分布云图( 单位: ℃ ) . ( a) t = 0. 041 s; ( b) t = 12. 189 s; ( c) t = 13. 189 s; ( d) t = 30 s Fig． 7 Maps of the temperature field of the bilayertube casting and casting mould during solidification ( unit: ℃ ) : ( a) t = 0. 041 s; ( b) t = 12. 189 s; ( c) t = 13. 189 s; ( d) t = 30 s 图 8 复合管内外层凝固过程各时刻温度场分布云图( 单位: ℃ ) . ( a) t = 0. 005 s; ( b) t = 0. 144 s; ( c) t = 1. 663 s; ( d) t = 30 s Fig． 8 Maps of the temperature field of the inner layer and the outer layer of bilayer tube during solidification ( unit: ℃) : ( a) t = 0. 005 s; ( b) t = 0. 144 s; ( c) t = 1. 663 s; ( d) t = 30 s ·58·

增刊1 刘靖等：离心铸造碳钢一高铬铸铁复合管有限元模拟研究 ·59· 己低于高铬铸铁固相线温度，为1257℃，此时，内层 White Cast Iron and Research of the Theory of Impact Material Ab- 熔体已经完全凝固. rasion [Dissertation].Beijing:North China Electric Power Uni- versity,2000 3结论 (慈铁军.铬对高铬铸铁组织、性能的影响及冲击磨料磨损机 理研究[学位论文].北京：华北电力大学，2000) 对外层铸件凝固过程温度场的数值模拟结果表 4 Peng X C.Zhang C J.Microstructure and properties of 27%Cr 明：离心浇注外层20钢大约9s后，铸件最低温度为 high chromium cast irons.Mater Mech Eng,2005,29(11):35 1430℃，己经低于20钢固相线温度1490℃，20钢 (彭晓春，张长军.27%C高铬铸铁组织及性能研究.机械工 金属熔体己完全凝固，由此可见，浇注间隔时间为9 程材料，2005,29(11)：35) 5] Chen Z M,Luan Z T,Ye Y F.Application and development of s时，可形成规则稳定的过渡层，为实际生产提供了 moder chromium wear-resistant white cast iron.J.Shandong Inst 理论依据. Technol,2000,14(3):43 对复合管内外层凝固过程温度场的模拟研究结 (陈宗民，栾振涛，叶以富.现代铬系抗磨白口铸铁的应用与发 果表明，当外层20钢的温度降至1350℃时，浇注高 展.山东工程学院学报，2000,14(3)：43) 铬铸铁，大约30s后，内层的温度已降至1257℃，低于 6 Qi J Y.Research and application ofwear-resistant materials a home and abroad.Inf Electr Power,1996(3):29 高铬铸铁固相线温度，此时，内层熔体已经完全凝固 (齐纪渝.国内外耐磨材料的研究与应用.电力情报，1996 (3):29) 参考文献 7]Li W,Wang H F,Zhou P A,et al.Recent development of wear [1]Rao Q C,Zhou Q D,Xing J D,et al.A Study of abrasive resist- resistant materials and wear technology:Review on the 21th centu- ance and fracture toughness of high-Cr white cast iron.J Xian ry China wear resistant materials conference.Foundry,2001,50 Jiaotong Univ,1986,20(1):83 (1):7 (饶启昌，周庆德，邢建东，等.高铬白口铸铁抗磨粒磨损耐磨 (李卫，王洪发，周平安，等.耐磨材料与磨损技术新进展：21 性与断裂韧性的研究.西安交通大学学报，1986,20(1)：83) 世纪全国耐磨材料大会述评.铸造，2001,50(1)：7) Gan ZP.Study on microstructure and distribution of elements in 8] Wang G Q.Practical Engineering Numerical Simulation Technology high chromium cast iron.Res /ron Steel,2003 (4):41 and its Application in the Practice of the ANSYS.Xi'an:Northwest- (甘宅平.高铬铸铁组织及元素分布的研究.钢铁研究，2003 ern Polytechnical University Press,2000 (4):41) (王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西 B3]CiT J.lufluence of Chrome to the Texture Property of High Chrome 安：西北工业大学出版社，2000)

增刊 1 刘 靖等: 离心铸造碳钢--高铬铸铁复合管有限元模拟研究 已低于高铬铸铁固相线温度，为 1 257 ℃，此时，内层 熔体已经完全凝固． 3 结论 对外层铸件凝固过程温度场的数值模拟结果表 明: 离心浇注外层 20 钢大约 9 s 后，铸件最低温度为 1 430 ℃，已经低于 20 钢固相线温度 1 490 ℃，20 钢 金属熔体已完全凝固，由此可见，浇注间隔时间为 9 s 时，可形成规则稳定的过渡层，为实际生产提供了 理论依据． 对复合管内外层凝固过程温度场的模拟研究结 果表明，当外层 20 钢的温度降至 1 350 ℃时，浇注高 铬铸铁，大约 30 s 后，内层的温度已降至 1 257 ℃，低于 高铬铸铁固相线温度，此时，内层熔体已经完全凝固． 参 考 文 献 ［1］ Rao Q C，Zhou Q D，Xing J D，et al． A Study of abrasive resist￾ance and fracture toughness of high-Cr white cast iron． J Xi'an Jiaotong Univ，1986，20( 1) : 83 ( 饶启昌，周庆德，邢建东，等． 高铬白口铸铁抗磨粒磨损耐磨 性与断裂韧性的研究． 西安交通大学学报，1986，20( 1) : 83) ［2］ Gan Z P． Study on microstructure and distribution of elements in high chromium cast iron． Res Iron Steel，2003 ( 4) : 41 ( 甘宅平． 高铬铸铁组织及元素分布的研究． 钢铁研究，2003 ( 4) : 41) ［3］ Ci T J． Iufluence of Chrome to the Texture Property of High Chrome White Cast Iron and Research of the Theory of Impact Material Ab￾rasion ［Dissertation］． Beijing: North China Electric Power Uni￾versity，2000 ( 慈铁军． 铬对高铬铸铁组织、性能的影响及冲击磨料磨损机 理研究［学位论文］． 北京: 华北电力大学，2000) ［4］ Peng X C，Zhang C J． Microstructure and properties of 27% Cr high chromium cast irons． Mater Mech Eng，2005，29( 11) : 35 ( 彭晓春，张长军． 27% Cr 高铬铸铁组织及性能研究． 机械工 程材料，2005，29( 11) : 35) ［5］ Chen Z M，Luan Z T，Ye Y F． Application and development of modern chromium wear-resistant white cast iron． J． Shandong Inst Technol，2000，14( 3) : 43 ( 陈宗民，栾振涛，叶以富． 现代铬系抗磨白口铸铁的应用与发 展． 山东工程学院学报，2000，14( 3) : 43) ［6］ Qi J Y． Research and application ofwear-resistant materials at home and abroad． Inf Electr Power，1996( 3) : 29 ( 齐纪渝． 国内外耐磨材料的研究与应用． 电 力 情 报，1996 ( 3) : 29) ［7］ Li W，Wang H F，Zhou P A，et al． Recent development of wear resistant materials and wear technology: Review on the 21th centu￾ry China wear resistant materials conference． Foundry，2001，50 ( 1) : 7 ( 李卫，王洪发，周平安，等． 耐磨材料与磨损技术新进展: 21 世纪全国耐磨材料大会述评． 铸造，2001，50( 1) : 7) ［8］ Wang G Q． Practical Engineering Numerical Simulation Technology and its Application in the Practice of the ANSYS． Xi'an: Northwest￾ern Polytechnical University Press，2000 ( 王国强． 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践． 西 安: 西北工业大学出版社，2000) ·59·