144 北京科技大学学报 第34卷 表1主管道90°弯管的化学成分（质量分数） Table 1 Composition of the casting primary coolant9 bent pipes C Si Mn P Cr Ni Cu Co B ≤0.040 ≤1.50 ≤1.50 ≤0.025 ≤0.03519.00-21.008.00-11.00 ≤1.00 ≤0.20 ≤0.0010 针对铸钢件侧明冒口，存在如下关系时能够实 图2为弯管充型结束时的温度场分布.可见， 现有效补缩：Me:M、:MR=1:1.1:1.4o.式中，Me 充型刚结束时，浇口杯和冒口内的钢液温度高于铸 为铸件被补缩部位的模数，M、为冒口颈的模数，Ms 件.整个浇注系统满足顺序凝固的原则，浇注系统 为冒口的模数.计算可得)管腹、管背和管顶部明 设置较为合理. 冒口的理论直径分别为500、460和480mm.采用保 2.2弯管凝固的固相率分析 温冒口以代替普通冒口，依据保温冒口与普通冒口 预测铸钢件缩孔、缩松的方法和判据包括等温 的模数关系M=M/(1.3~1.4),选择M=Mg/ 曲线法)、临界固相率法[0)、收缩量法、多热节 1.3时可得)上述管腹、管背和管顶部保温冒口的 法回、Niyama准则]和温度梯度法等.本文采 设计直径分别为385mm、354mm和369mm.保温冒 用临界固相率法预测弯管铸钢件的缩孔和缩松.临 口高度以及冒口颈高度和长度的设计值计算见文献 界固相率值大多为0.5~0.8[0，本文选取0.7 [7].表2汇总了设计的保温冒口主要参数 作为临界固相率值.图3所示为第一次改进工艺下 表290°弯管铸件设计冒口的主要参数[7 弯管凝固过程的分析图，图中深灰色部分的固相率 Table 2 Key parameters of the risers used in the casting primary coolant 大于0.7.可见：凝固进行到13742s(图3(a))和 90°bent pipes 14742s(图3(b))时，管腹的两个侧冒口颈与铸件 骨口位置 冒口 目口 骨口颈 冒口颈 目口 连接处出现了较大的孤立液相（如白色箭头所示）· 数量直径/mm高度/mm 长度/mm高度/mm 原因可能是：冒口模数偏小，冒口颈长度偏长，导致 管腹冒口 3 385 212 400 956 冒口补缩距离偏短，冒口内的钢液无法补缩铸件. 顶骨口 4 354 400 图3(a)中红色箭头所示为顶冒口出现的孤立液相. 管背冒口 5 369 186 250 943 该孤立液相的具体位置可由软件的缩孔缩松预测功 能来判断. 2弯管铸造工艺第一次改进 图4为弯管凝固结束后的缩孔缩松预测图.图 4(a)中白色箭头所示的缩孔缩松位于管腹冒口颈 计算发现，弯管铸件工艺出品率偏低，原因之一 与铸件连接处.这与上述分析的管腹两个侧冒口颈 是冒口尺寸偏大.为此，计算机第一次模拟时主要 与铸件连接处出现较大的孤立液相（图3）结果相 减小了各冒口的直径和高度，特别是减小了管腹冒 符.图4(b)红色箭头所示的顶冒口缩孔缩松位置 口的直径以及管腹冒口颈的高度和长度（见表3）， 在冒口根部与铸件连接处，表明顶冒口补缩液量 冒口数量维持不变 不足. 表3第一次改进工艺选取的冒口主要参数 3 弯管铸造工艺第二次改进 Table 3 Key parameters of the risers used for the first optimization 冒口 冒口 目口颈 冒口颈 冒口 在计算机模拟第一次改进工艺基础上，适当增 冒口位置 数量直径/mm高度/mm长度/mm高度/mm 大管腹冒口模数和顶冒口高度，缩短管腹冒口颈长 管腹冒口3 350 186 328 810 度，进行了弯管铸造工艺的第二次改进.改进后冒 顶目口 4 340 267 口主要工艺参数如表4所示 管背冒口 5 340 181 270 807.5 表4第二次改进选取的冒口主要参数 2.1充型速度场分析 Table 4 Key parameters of the risers used for the second optimization 图1所示为改进工艺后弯管不同时刻的充型过 冒口 月口 骨口颈 冒口颈 骨口 冒口位置 程图.可见，充型刚开始，钢液通过直浇道进入铸 数量直径/mm高度/mm长度/mm高度/mm 型，直浇道底端钢液流速较大（图1(a)).随着钢液 管腹冒口 3 360 191 278 864.5 不断流入，钢液在型腔内液面平稳上升（图1(b)和 顶骨口 4 340 317 (c)),最终充满整个弯管（图1(d山）). 管背冒口 340 181 270 859.5北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 表 1 主管道 90°弯管的化学成分( 质量分数) Table 1 Composition of the casting primary coolant 90° bent pipes % C Si Mn S P Cr Ni Cu Co B ≤0. 040 ≤1. 50 ≤1. 50 ≤0. 025 ≤0. 035 19. 00 ～21. 00 8. 00 ～11. 00 ≤1. 00 ≤0. 20 ≤0. 001 0 针对铸钢件侧明冒口，存在如下关系时能够实 现有效补缩: MC ∶ MN ∶ MR = 1∶ 1. 1∶ 1. 4 ［6］． 式中，MC 为铸件被补缩部位的模数，MN为冒口颈的模数，MR 为冒口的模数． 计算可得［7］管腹、管背和管顶部明 冒口的理论直径分别为 500、460 和 480 mm． 采用保 温冒口以代替普通冒口，依据保温冒口与普通冒口 的模数关系 MRI = MR /( 1. 3 ～ 1. 4) ，选择 MRI = MR / 1. 3 时可得［7］上述管腹、管背和管顶部保温冒口的 设计直径分别为385 mm、354 mm 和369 mm． 保温冒 口高度以及冒口颈高度和长度的设计值计算见文献 ［7］． 表 2 汇总了设计的保温冒口主要参数． 表 2 90°弯管铸件设计冒口的主要参数［7］ Table 2 Key parameters of the risers used in the casting primary coolant 90° bent pipes 冒口位置 冒口 数量 冒口 直径/mm 冒口颈 高度/mm 冒口颈 长度/mm 冒口 高度/mm 管腹冒口 3 385 212 400 956 顶冒口 4 354 — — 400 管背冒口 5 369 186 250 943 2 弯管铸造工艺第一次改进 计算发现，弯管铸件工艺出品率偏低，原因之一 是冒口尺寸偏大． 为此，计算机第一次模拟时主要 减小了各冒口的直径和高度，特别是减小了管腹冒 口的直径以及管腹冒口颈的高度和长度( 见表 3) ， 冒口数量维持不变． 表 3 第一次改进工艺选取的冒口主要参数 Table 3 Key parameters of the risers used for the first optimization 冒口位置 冒口 数量 冒口 直径/mm 冒口颈 高度/mm 冒口颈 长度/mm 冒口 高度/mm 管腹冒口 3 350 186 328 810 顶冒口 4 340 — — 267 管背冒口 5 340 181 270 807. 5 2. 1 充型速度场分析 图 1 所示为改进工艺后弯管不同时刻的充型过 程图． 可见，充型刚开始，钢液通过直浇道进入铸 型，直浇道底端钢液流速较大( 图 1( a) ) ． 随着钢液 不断流入，钢液在型腔内液面平稳上升( 图 1( b) 和 ( c) ) ，最终充满整个弯管( 图 1( d) ) ． 图 2 为弯管充型结束时的温度场分布． 可见， 充型刚结束时，浇口杯和冒口内的钢液温度高于铸 件． 整个浇注系统满足顺序凝固的原则，浇注系统 设置较为合理． 2. 2 弯管凝固的固相率分析 预测铸钢件缩孔、缩松的方法和判据包括等温 曲线法［8--9］、临界固相率法［10--11］、收缩量法、多热节 法［12］、Niyama 准则［13］和温度梯度法［14］等． 本文采 用临界固相率法预测弯管铸钢件的缩孔和缩松． 临 界固相率值大多为 0. 5 ～ 0. 8 ［10--11］，本文选取 0. 7 作为临界固相率值． 图 3 所示为第一次改进工艺下 弯管凝固过程的分析图，图中深灰色部分的固相率 大于 0. 7． 可见: 凝固进行到 13 742 s( 图 3( a) ) 和 14 742 s( 图 3( b) ) 时，管腹的两个侧冒口颈与铸件 连接处出现了较大的孤立液相( 如白色箭头所示) ． 原因可能是: 冒口模数偏小，冒口颈长度偏长，导致 冒口补缩距离偏短，冒口内的钢液无法补缩铸件． 图 3( a) 中红色箭头所示为顶冒口出现的孤立液相． 该孤立液相的具体位置可由软件的缩孔缩松预测功 能来判断． 图 4 为弯管凝固结束后的缩孔缩松预测图． 图 4( a) 中白色箭头所示的缩孔缩松位于管腹冒口颈 与铸件连接处． 这与上述分析的管腹两个侧冒口颈 与铸件连接处出现较大的孤立液相( 图 3) 结果相 符． 图 4 ( b) 红色箭头所示的顶冒口缩孔缩松位置 在冒口根部与铸件连接处，表明顶冒口补缩液量 不足． 3 弯管铸造工艺第二次改进 在计算机模拟第一次改进工艺基础上，适当增 大管腹冒口模数和顶冒口高度，缩短管腹冒口颈长 度，进行了弯管铸造工艺的第二次改进． 改进后冒 口主要工艺参数如表 4 所示． 表 4 第二次改进选取的冒口主要参数 Table 4 Key parameters of the risers used for the second optimization 冒口位置 冒口 数量 冒口 直径/mm 冒口颈 高度/mm 冒口颈 长度/mm 冒口 高度/mm 管腹冒口 3 360 191 278 864. 5 顶冒口 4 340 — — 317 管背冒口 5 340 181 270 859. 5 ·144·