低压铸造中加盖钢包热分析研究

郑 鹏，冉 迪

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

低压铸造中加盖钢包热分析研究

郑 鹏，冉 迪

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

钢包作为低压铸造的设备，其热量损失和温度分布影响低压铸造的保温性能和密封效果，根据铸件材料用量，设计并建立加盖钢包的三维有限元模型，分析钢包耐火层导热系数和厚度对热量损失和温度分布的影响。结果表明：工作层与永久层的导热系数对钢包热量损失和温度分布有一定影响，厚度对其影响不大；绝热层的厚度对热量损失和温度分布影响较大；包壁是热量损失的主要部位。通过选取合理的耐火层导热系数与绝热层厚度，将绝热层应用到包盖，可减少钢包的热量损失，降低钢包密封处的温度，有利于密封圈的选取。

钢包；结构尺寸；导热系数；热量损失；温度场

0 前言

低压铸造是在装有金属液的密闭钢包中施加气体压力，金属液通过升液管被压入到模具型腔内，保压一段时间后凝固，以形成铸件的一种方法。其中保温性能和密封效果是影响低压铸造的主要因素。

钢包作为低压铸造中的盛钢容器，其压铸过程中的保温性能直接影响钢水温度变化[1]，通过计算钢包外表面的热量损失可体现其保温性能优劣，在低压铸造冲压之前与冲压过程中应尽量减少钢水的热量损失，否则由于热量损失过多，钢水会在升液管中凝结堵塞，无法填充到模具型腔内。为保证低压铸造顺利进行，应尽量减少钢包的热量损失。

为了保证铸件在压力下结晶，组织致密、轮廓清晰、表面光洁，具有较高的力学性能，需要在低压铸造过程中对钢包与钢包盖进行密封，而包沿的温度分布直接影响着密封效果。为了降低密封圈材料的选取难度，减小温度对密封圈寿命的影响，应尽可能降低包沿密封处的温度。

近几年来，对钢包温度场研究逐渐成熟，由于耐火层材料及尺寸对钢包温度场的影响较小[2]，更多学者已将新型钢包的保温性能的研究重点集中在绝热层的材料、结构及厚度上[3-6]，为钢包保温性能研究提供了重要的参考。本文在以往钢包设计的基础上[7-10]，针对所需铸件材料的用量，设计出所需的低压铸造钢包，并建立钢包的三维有限元模型，分析钢包耐火层导热系数和厚度对钢包热量损失与温度分布的影响，为低压铸造钢包的设计及密封圈的选取提供依据。

1 钢包结构及其材料物性参数

低压铸造钢包结构尺寸为：内腔深度(H1)1.838 m，总体高度(H2)2.413 m，内径(D内)

1.580 m，锥度为15%，按实际盛钢量折算，有效容积(V)2.613 m3，圆周面积11.705 m2，上口表面积4.019 m2,下底面积1.754 m2。钢包结构如图1所示，结构参数见表1，材料物性参数见表2[11-12]。

图1 钢包结构图Fig.1 Structural diagram of a ladle

部位包壁渣线包底包盖材质厚度/mm材质厚度/mm材质厚度/mm材质厚度/mm工作层铝镁碳质155镁碳质155铝镁碳质240铝镁碳质155永久层微膨胀高铝质50微膨胀高铝质50微膨胀高铝质80微膨胀高铝质50绝热层硬质纤维20硬质纤维20----包壳20g钢板2020g钢板2020g钢板3020g钢板20

表2 钢包材料的物性参数

2 钢包传热数学模型与计算

2.1 假设条件

根据钢包的结构特点，在建立钢包传热数学模型时作如下假设：

(1)钢包包壁视为无限长圆筒壁，包底、包盖为无限大平板的稳态导热；

(2)忽略工作层损蚀，认为每个工作过程工作层的厚度是均匀的；

(3)不考虑钢水的热分层现象，认为钢水的温度分布均匀；

(4)忽略钢水与工作层、包衬等各层耐火材料及包壁之间接触热阻。

2.2 边界条件

根据钢包的实际工作情况及传热特点，忽略钢水热分层、工作层与钢水接触热阻，耐火层内侧与钢水直接接触，热量将从耐火层内侧传递到耐火层外侧，然后只接触传导包壁[15]，因此可视工作层内壁温度为钢水温度；钢水液面距包盖内壁距离为300 mm，钢水未接触到包盖，钢水液面对钢包内壁及包盖内壁进行辐射，经分析，辐射对未接触钢水的内壁温度的提升至1 000 ℃、包盖内壁提升至1 100 ℃；钢包壳与周围空气进行自然对流散热；包壳通过辐射向周围环境散热，由于辐射换热为高度非线性计算，需要花费大量的计算时间，本文采用简化形式，即将辐射换热转化为对流换热形式。

自然对流换热系数αc，求解公式[13-14]：

(1)

Nu=C(GrPr)n

(2)

(3)

式中，Nu为努塞尔数；λ为周围空气的导热系数，W/(m·K)-1；d为钢包的高度，m；Gr为格拉晓夫数，Pr为普朗特数，取周围空气平均温度的普朗特系数；C、n为常数，根据周围空的流态取不同的经验数值；ν为空气的运动粘度，m2/s；tw为壁面温度，℃；ta为周围空气温度，℃。

辐射换热系数αr为

(4)

式中，ε为包底、包壁外表面的黑度系数；c0为黑体辐射系数，c0=5.67 W/(m2·K4)。

3 温度场的计算结果及分析

3.1 耐火材料导热系数对钢包温度分布的影响

钢包内衬有不同的耐火材料，其导热系数也不尽相同，导热系数的大小直接影响到钢包温度场的合理分布，所以，通过分析不同导热系数对钢包温度场的影响，可合理的选择内衬材料，减少钢包的热量损失及温度应力对钢包的破坏。

当设定钢液温度为1 600 ℃，工作层、永久层、保温层、钢包壳的导热系数分别为1.15 W/(m·℃)、0.5 W/(m·℃)、0.157 W/(m·℃)和50 W/(m·℃)，包壁周围空气温度为35 ℃时，包壁、包盖、包底的最高温度达到221.96 ℃、223.81 ℃、195.87 ℃时基本稳定，热量损失为49 969.2 W，其中包壁占74.87%，包盖占17.32%，包底占7.81%，可见包壁为主要的热量损失部位，钢包的平均热通量为2 435.15 W/m2。

3.1.1 工作层导热系数的影响

图2为在不同工作层导热系数条件下，包壁在纵截面高度方向的温度分布曲线。从图2中可以看出，在其他条件不变的情况下，随着工作层导热系数的不断增加，包壳表面的温度不断上升，当工作层的导热系数达到5 W/( m·℃)时，包壁的最高温度接近340 ℃。图3为不同工作层导热系数钢包热量损失，可以看出随着工作层的导热系数由5 W/(m·℃)降低到1.15 W/(m·℃)，钢包的热量损失减少40.28%；随着工作层导热系数的不断增大，导热系数对热量损失的影响逐渐减小。

图2 不同工作层导热系数包壳表面温度Fig.2 Cladding surface temperature in different thermal conductivity of working layer

图3 不同工作层导热系数钢包热量损失Fig.3 Ladle heat loss in different thermal conductivity of working layer

3.1.2 永久层导热系数的影响

图4为在不同永久层导热系数条件下，包壁在纵截面高度方向的温度分布曲线。永久层导热系数由0.5 W/(m·℃)上升到4 W/(m·℃)时，随着永久层导热系数的增加，钢包表面温度受导热系数的影响逐渐减小，包壁的最高温度从221.96℃上升到280.90℃，当永久层的导热系数超过2 W/(m·℃)时，对钢包表面的温度几乎无影响；图5为不同工作层导热系数钢包热量损失，可以看出，永久层导热系数由4 W/(m·℃)降低到0.5 W/(m·℃)，热量损失减少27.28%，当永久层的导热系数超过2 W/(m·℃)时，对钢包的热量损失影响不大。

图4 不同永久层导热系数包壳表面温度Fig.4 Cladding surface temperature in different thermal conductivity of permanent layer

图5 不同永久层导热系数钢包热量损失Fig.5 Ladle heat loss in different thermal conductivity of permanent layer

3.2 耐火材料厚度对钢包温度分布的影响

通过计算发现，在其他条件完全相同时，仅改变工作层或永久层的厚度对钢包的温度分布及热量损失影响不大，但由于绝热层的导热系数较小，厚度的改变对钢包的热状态影响较大。当绝热层的厚度d分别为5 mm、10 mm、15 mm和20mm，其余的耐火材料厚度不变，图6为不同绝热层厚度包衬节点的温度。区域①是工作层；区域②和③分别是永久层和绝热层；区域④是包壳，从图中可以看出，由于各层材料的厚度、材质和物性参数的不同，各层内的温度梯度也不同，当绝热层厚度增加后，工作层和永久层的温度梯度下降，绝热层的温度梯度升高，包壳的温度显著降低。随着绝热层厚度的增加，钢包工作层、永久层的温度呈递增趋势，在绝热层厚度为20 mm时，工作层、永久层、包壁的平均温度分别为1275 ℃、860 ℃、235 ℃，而在绝热层为5 mm时，工作层、永久层、包壁的平均温度分别为1 180 ℃、680 ℃、325 ℃，耐火层厚度的改变对钢包的温度分布影响较大。

图6 不同绝热层厚度包衬节点的温度Fig.6 The nodes temperature in different thickness of insulation blanket

图7为不同绝热层厚度包壁表面温度分布，可以看出，随着绝热层厚度的不断增加，包壁表面的温度不断降低，当绝热层厚度为由5 mm增加到10 mm时，最高温度由314.75 ℃降低到298.74 ℃，温降约16 ℃；由10 mm增加到15 mm时，温降约65 ℃；由15 mm增加到20 mm时，温降约20 ℃。可见绝热层厚度在10～15 mm之间变化，对钢包温度场及热量损失影响较大，当绝热层达到20 mm时，包壁表面的最高温度仅为221.91 ℃，通过包壁表面减少的热量损失可达40.94%，即16 841 W。

图7 不同绝热层厚度包壳表面温度Fig.7 Cladding surface temperature in different thickness of insulation blanket

3.3 密封包沿处的温度分析

由于低压铸造钢包密封处的温度约在150 ℃，增加了橡胶密封圈的选取难度，通过上述绝热层对钢包温度及保温性能的分析，绝热层厚度对钢包的温度影响较大，可通过改变包沿附近处绝热层的厚度，并将绝热层应用至包盖，改变保温层在耐火层中的位置等，可降低包沿处的温度。图8为改进后包衬节点的温度分布，区域①是工作层；区域②和③分别是永久层和绝热层；区域④是包沿，从包盖中绝热层厚度分别是5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的温度曲线图中可看出，随着绝热层厚度的不断增加，包沿密封处的温度不断降低，当绝热层的厚度为5 mm时，密封处的温度为163.53 ℃；厚度为10 mm时，密封处的温度为155.42 ℃；厚度为15 mm时，密封处的温度为133.25 ℃；厚度为20 mm时，密封处的温度为125.92 ℃；绝热层由10 mm增加到15 mm时，对密封处的影响最大，温降为22.17 ℃。当厚度在其他范围变化时，对温度的影响很小；而当绝热层厚度为20 mm，改变绝热层在耐火层中的位置，绝热层与外壁距离分别为225 mm、250 mm、275 mm时包沿密封处的温度分布曲线，由图可看出，不同位置的绝热层对密封处的温度没有影响，而仅改变了耐火层内衬温度分布。

图8 包沿密封处温度Fig.8 Temperature along the seal

4 结论

(1)钢包工作层、永久层的导热系数对钢包有一定的影响，随着耐火层导热系数的增加，导热系数对钢包热量损失及温度分布的影响逐渐减小，当工作层导热系数大于3 W/(m·℃)时，对钢包的热量损失影响减小，当永久层导热系数大于2 W/(m·℃)时，对包壳的温度场及热量损失几乎无影响。

(2)钢包的热损失主要是通过包壁散失造成的，而影响包壁热损失的主要因素是绝热层的厚度，绝热层的厚度的增加，有效的减小了包壁的热量损失及平均温度，绝热层由5 mm增加到20 mm，包壁平均热量损失及温度分别减少了40.94%和31.77%，约16 841 W和90℃，其中绝热层厚度在10～15mm时，对钢包的热量损失影响最大，钢包的绝热层的合理厚度应大于15 mm，可有效提高钢包的保温性能。

(3)将绝热层应用至钢包盖中，减小了钢包密封处的温度，其中绝热层的厚度在10～15 mm时，对密封处的温差影响最大，温差为22.17℃，所以包盖绝热层的厚度应大于15 mm；包盖绝热层的位置对钢包密封处的温度无影响，而仅改变了耐火层内衬温度分布。

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The study on thermal analysis of ladle in low pressure casting

ZHENG Peng, RAN Di

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Ladle as an equipment which used to fill steel in low pressure casting, its heat loss and temperature distribution influencing thermal insulation performance and sealing effect in low pressure casting, according to the casting material consumption, designing and building with three-dimensional finite element model of ladle, analyzing the refractory layer coefficient of thermal conductivity and thickness of ladle, which influence the heat loss and temperature distribution of ladle. The results show that: the thermal conductivity of the working layer and permanent layer has a certain influence on heat loss and temperature distribution of the ladle, but thickness has little effect; while the thickness of the insulating layer has greater impact on heat loss and temperature distribution; and the containment wall is the main part of heat loss. By choosing reasonable refractory layer coefficient of thermal conductivity and the thickness of the insulating layer, and applying insulating layer to package cover, which can reduce the heat loss of the ladle and lower the temperature of the ladle seal, it is also conducive to the selection of sealing ring.

ladle; structure size; thermal conductivity; heat loss; temperature field

2016-01-06；

2016-02-08

沈阳市科技计划项目(F12-219-8-00).

郑鹏(1964-)，男，辽宁辽阳人，汉族，教授，博士，从事机械设计、有限元分析等方面的研究。

TG769.2

A

1001-196X(2016)06-0044-05