用铜合金金属型铸造高锰钢衬板的研究.pdf

第6 0 卷第3 期 2 0 08 年8 月 有色金属 N O n f e t t O ∞M e t a l s V o I ．6 0 ．N o ．3 A u g u ．s t2 00 8 用铜合金金属型铸造高锰钢衬板的研究 牛显明1 ，张新子2 ，张海涛2 ，王建卫3 1 ．兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．首钢岷山机械厂，甘肃天水7 4 1 0 0 0 ；3 ．兰州商学院，兰州7 3 0 0 0 0 摘 要为了获得非热处理高锰钢衬板，分析衬板与铜合金金属型之间的传热过程，计算金属型的导热热流密度．设计铜合 金金属型结构和冷却水槽的分布。使用结果表明，铜合金金属型具有使用寿命长、生产成本低的明显优点。 关键词金属材料；锕合金金属型结构设计传热计算；村饭 中图分类号T G 2 4 9 ．3 ；T G 2 4 1 ；T G 2 6 9文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 1 8 0 4 球磨机高锰钢衬板，在水泥、火电、选矿和冶金 等行业是一种重要的易耗件。因此，提高衬板性能 和降低衬板的生产成本，一直是铸造界的重要课题。 借鉴日本等国家使用铬锫镁铜合金⋯1 铸造铸铁件 取得良好效果的启示，基于板坯连铸机结晶器的设 计原理，对高锰钢衬板采用铜合金型铸造进行了传 热分析和设计计算，为优化铜合金金属型结构进行 了理论探索和生产实践。 1 铜合金金属型的传热分析 高锰钢衬板如图1 所示，由于曲率半径为 R 1 5 0 0 m m ，厚度为2 5 r a m ，钢水的浇注速度较快，钢 的导热系数较铜金属型低很多，因此可忽略沿内浇 口方向 x 方向 和横向 Y 方向 的传热，简化为大 平板。金属型内温度分布示意图见图2 。 圄1 衬板简图 F i g ．1 S c h e m eo fb a c k i n gb l o c k 1 ．1 铜合金金属型的导热方程 考虑铜合金金属塑的导热系数为温度的函数则 一般表达式为式 1 ，式中K 。一铜合金型的导热系 数／ w m 1 k ．1 ；～一铜合金型的密度／ k g 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 8 作者简介牛显明 1 9 6 0 一 ．男，陕西宝鸡市人，高级工程师，主要 从事耐热及高导热有色合金的翻备等方面的研究。 m q ；q 。一铜合金型的比热／ J k g 一1 K 一1 ；L 一铜合金型的温度／K ；t 一时间／s 。 a K 。a T ■／a z ／a z I 口。C 朋a L ／a t 1 1 ．2 冷却水的导热方程 冷却水区的控制方程为式 2 ，式中～一冷却 水密度／ k g m - 3 ；刁。一结晶器水缝中冷却水流速 ／ m S ‘1 ；d 。一冷却水缝宽度／I n ；c 衄一冷却水比 热／ J k g 。1 K - 1 ；乙一冷却水温度／K ；t 一时间／ s ；h 。一冷却水传热系数／ k W m - 2 k 一1 。 1 0 。口。d 。c 加a T m ／3 z 一 。 2 ，t [ T 0 ，z ，f 一T 0 z ，f ] 0 2 图2 金属型内温度分布 F i g ．2T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n ga m o n gm e t a lm o u l d 1 ．3 涂料层的导热方程 涂料层的换热可用式 3 表达，式中q 一铸件 和铜合金型界面热流／ w 。m _ 2 ；t m 一。一铸件表 面温度／K ；T 。刊一h 一铜合金型内表面温度／K ；I I l 蹦 一界面总换热系数／ w I T I ‘2 k - 1 。 q 蹦 t 枷一。一T 删一面 3 考虑铜合金型表面对流换热、涂料导热、铸件与 涂料问的界面换热，界面总换热系数 鼬按式 4 确 万方数据 第3 期 牛显明等用铜合金金属型铸造高锰钢衬板的研究1 9 定，式中R l 一铜合金型与涂料间的接触热阻／ m 2 k ‘W - 1 ；R 2 一涂料的热阻／ m 2 k W 一1 ；R 3 一铸 件与涂料间的接触热阻／ m 2 - k W - 1 。 幽6 1 ／ 尺l R 2 尺3 4 1 ．4 铸件的凝固过程 铸件表面的热流密度借用S a v a g e 的经验公式 5 表示[ 2 1 ，式中吼一铸件表面热流密度／ k W m - 2 ；r 一凝固时间／s 。 g f 2 6 8 0 3 3 5 r 2 5 铸件的温度场用式 6 表示，式中口 b 】／b 2 ； f l o 一铸件的初始温度，为铸件的浇注温度儇；b ，一铸 件的蓄热系数／ J I T I - 2 ．K 一1 s 一2 ；b 2 一金属型的蓄热 系数／ J m 一2 K 一1 s 一2 ；a l 一高锰钢的导温系数／ m 2 S ．1 ；r 一凝固时间／S 。对式 6 求导得式 7 。 t t l o { 1 一韶玎{ z ／[ 2 a l r 1 尼] } } ／ 1 叮 ， 6 O t ／O x 一b 2 { t l o e - X ／ 4 a l r ’／ 7 血l r 1 庀} ／ b l b 2 ‘ 7 由式 7 可知，铸件的温度梯度与高锰钢的导温 系数a l ，浇注温度t 1 0 、铜合金型的蓄热系数b 2 和 高锰钢的蓄热系数b l 等有关。’1 此处根据铜合金铸型吸热与铸件的平衡方程式 可推导出凝固层的增长率，即铸件的凝固速度，见式 8 ，式中搴一凝固层厚度／m m ；t 2 0 一金属型表面的 初始温度／I ；t 。一高锰钢的凝固层温度依；L 。一高 锰钢的结晶潜热／ J ‘k g - 1 ；l 。。一高锰钢的密度／ k g 。r l l - 3 ；‘一高锰钢的比热／ J k g 一1 K 一1 。 V s d e ／d r b 2 t m 甜一妇一t 2 0 ／{ r mP f [ L 。 c 。 t l o 一￡， ] } r 一1 应 8 2 铜合金金属型的结构设计 2 。1 铸造高锰钢对金属型的要求 液态充型良好，固态快速冷却，是获得非热处理 高锰钢的必要条件。因此金属型的结构对液态金属 的凝固和固态冷却影响十分重大，同时直接影响着 模具的制造成本和使用寿命。 2 ．1 ．1 满足液态凝固的条件。有足够的凝固速度， 保证过冷度，形成晶粒细小、成份均匀、组织致密的 铸件。铸造一次结晶组织没有重结晶的过程，奥氏 体不能得到细化，对固态快速冷却得到的过冷奥氏 体组织影响很大。因此浇铸后有足够的凝固速度， 保证过冷度，形成成分均匀、晶粒细小的一次组织， 是后续固态冷却保持奥氏体和获得良好性能的重要 条件。 附加s i C a 变质处理，S i ．C a 变质剂对高锰钢变 质处理[ 3 J ，能改善碳化物的生长和形态，减少碳化 物和晶界处微量活性元素硫和氧的含量并改善它们 的分布，变质处理使高锰钢凝固时碳化物团球化，且 分布弥散，将有利于获得铸态高碳高锰钢铸件，变质 处理是获得非热处理高锰钢的重要补充条件。 2 ．1 ．2 满足固态冷却形成单一奥氏体的条件。在 金属凝固形成胚壳后，必须保持一定的冷却速度，保 证碳化物少析出或以球团状析出，弥散分布，使高锰 钢铸件具有较高的力学性能。高锰钢的相图表明， 在金属凝固形成胚壳后，当温度在9 6 0 ℃以上时为 奥氏体相区，9 6 0 ℃以下开始有碳化物析出。如果在 浇注凝固之后，铸件温度高于9 6 0 ℃时，保持以 3 0 ℃俗【4J 的冷却速度快速冷却，即可将奥氏体组织 保持到低温，这样完全可以避开9 6 0 ℃以下的组织 转变，不出现通常的铸态组织，保证碳化物少析出或 以球团状析出，且呈弥散状分布，使高锰钢铸件具有 较高的力学性能。9 6 0 ℃以下的快速冷却是获得非 热处理高锰钢的必要条件。 2 ．2 水冷金属型设计 2 ．2 ．1 金属型壁厚的确定。由于采用水冷金属型， 重点考虑凝固后的快速冷却，在满足液态凝固的前 提下，金属型壁厚应尽可能选薄。根据文献介 绍[ 5 l ，铸件壁厚铸型壁厚 1 1 ，因此选铸型壁厚 为2 5 m m 。从浇注、凝固、冷却至室温，铸件放出的 热量近似值 取c 和I 口为常量 ，Q 放 ‘。“ ／．3 c ‘P c ￡浇 一‘室温 c 。‘口。。＆。L 。 7 0 3 4 ．2 3 7 ．0 5 x 1 3 5 0 2 0 4 ．2 3 7 ．0 5 2 8 0 2 7 8 6 8 5 0 0 J 。 经计算铸件的平均热流密度约为3 0 9 6 ．5 k W ／ m 2 ，此值为公式 5 最大值的1 ．1 5 倍，其原因主要 是高锰钢的比热、结晶潜热均大于碳素钢、其次是铸 件宽窄比例与方坯有差别。 金属型和冷却水吸收的热量近似值，Q 嗳 c 。 刀。。l 。。‘A t 。 c 。‘钌。‘l 。∞’A t ∞ 4 1 3x 8 ．4 6x8 A t 。 4 2 0 0 v 。1 A t 。 6 8 4 8 2 4 0 1 4 7 0 0 0 v 。，式中 A t 。 t m 。蹦一抽一￡。洲一。以 3 0 5 6 0 2 4 5 1 2 ；A t 。 f 曲一叫一f 蝴一h 6 0 2 5 3 5 1 2 。 借用板式连铸结晶器的测试结果【6 】，根据热平 衡原理Q 放 Q 吸，则2 7 8 6 8 5 0 0 6 8 4 8 2 4 0 1 4 7 0 0 0v 。。口。 2 7 8 6 8 5 0 0 6 8 4 8 2 4 0 ／1 4 7 0 0 0 1 4 3 ．5 L 。 万方数据 有色金属 第6 0 卷 2 ．2 ．2 流量。如图3 所示，每型两件衬板，则口。 为2 8 7 L 。总有效冷却时间为1 5 s ，则U 。 秽。／r 2 8 7 ／1 5 1 9 ．1 3 L ／s 。 2 ．2 ．3 流速。设计上型无冷却水槽，水缝宽度为 3 ．5 m m ，下型水槽尺寸为6 m m 1 2 m m 2 5 个 1 8 0 0 m m 2 。因此总过水面积为A 5 0 0 3 ．5 1 8 0 0 3 5 5 0 m m 2 ，贝4 流速可 “。／．4 5 ．3 9 m ／s 。 2 ．3 实际参数 主要参数如表1 所示。 表1 主要参数 T a b l e1M a i np a r a m e t e r s 图3 金属型模具图 F i g ．3 S c h e m eo fm e t a lm o d dc a s t i n g 3结论 1 模具寿命长。用铜合金设计制作的水冷金 属型，在生产线进行中试生产，生产节拍为4 0 ～ 6 0 s ／2 欠，已浇注7 0 0 0 余次。经检测，金属型仍完好 无损，直浇道下部亦无龟裂迹象，型腔尺寸几乎没有 变化。初步证明，选材和结构设计能满足衬板金属 型铸造工艺及机械化自动化铸造生产的要求，进一 步的考核试验仍在进行中，使用寿命预计达2 万次 以上。若考虑每套金属型按加工修复5 次计，总使 参考文献 用寿命将达1 0 万次以上。 2 铸件性能好。高锰钢在二次加热时，奥氏体 比容小于渗碳体，C 原子的扩散速度大于F e 原子。 会形成空穴，经水韧处理后，过冷奥氏体存在缺 陷[ 引。碳化物溶入奥氏体的过程伴随着晶粒的长 大，晶粒长大的方式是晶界迁移和大晶粒吞并小晶 粒。表面组织层发现，表层碳化物溶解后，将留下小 的孔洞⋯8 。而非热处理高锰钢可有效弥补上述缺 陷，且实践证明该工艺生产的高锰钢衬板尺寸精度、 综合力学性能优于其它工艺生产的高锰钢衬板。 3 生产成本低。非热处理高锰钢的开发应用， 由于元造型工序、水韧处理工序，工艺路线短，节约 能源、节省工时。降低成本。综合考虑模具使用寿 命，与砂型铸造水韧处理工艺比较，可降低1 ／3 的生 产成本。 4 存在的不足。在铸型中铸件的实际凝固和 冷却，存在着变形、收缩缝隙而影响了理想传热。因 此计算的水流量和水流速比实际选用值要小。另外 衬板的安装面在上型成形，铸型的冷却侧难以开设 冷却水槽，冷却效果较下型差，而且收缩缝隙存在于 上型，减小了衬板安装面的冷却强度。此外，金属型 水冷水温度控制系统对稳定质量影响较大，理论计 算要与实践相结合，要通过测试、摸索，不断调整参 数，完善控制系统。 [ 1 ] 井村武，川口正敏，田岛宣夫岔匕．金型铸造法仁占弓F C D 材。制造匕毛刃材料特性[ J ] ．铸物，1 9 9 4 ，6 6 1 1 8 5 8 8 6 5 ． [ 2 ] S a m a r a s a k e i aIV ，B r i m a c o m b eJK ．A p p l i c a t i o no fm a t h e m a t i c a lm e t h o df o rt h ei m p r o v e m e n to fb i l l e tq u a l i t y [ C ] ／／S t e e lM a k i n gC o r dP r o e ．I S S A I M E ，1 9 9 1 ，7 4 9 1 1 0 3 ． [ 3 ] 施忠良，李绍雄，尹衍升．非热处理高碳高锰钢凝固研究及应用前景[ J ] ．应用科学学报，1 9 9 5 ，1 3 1 6 4 6 8 ． [ 4 ] 陈希杰．高锰钢[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 9 1 9 3 2 1 9 ．‘ [ 5 ] 特种铸造手册编写组．特种铸造手册下册[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 7 6 6 1 ． [ 6 ] 郭佳，吴钢玮，蔡开科．连铸板坯结晶器温度场数学模型[ J ] ，钢铁，1 9 9 5 ，3 0 4 2 4 2 8 ． [ 7 ] 张增志．耐磨高锰钢[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 2 8 4 2 8 6 。 万方数据 第3 期 牛显明等用铜合金金属型铸造高锰钢衬板的研究 2 1 [ 8 ] 刘俊友，伍燕生，魏立，等．高锰钢中碳化物的形成特征及其高温固溶行为研究[ J ] ．材料工程，2 0 0 3 ， 3 2 4 2 7 ． R e s e a r c ho nA s - c a s tH i g h - m a n g a n e s e - s t e e lB a c k i n gB l o c kF a b r i c a t e dw i t hC o p p e rA l l o yM o u l d N I UX i a n r u i n 9 1 ，Z H A N G Ⅺ雄一z i 2 ，Z H A N GH a i ．t a 0 2 ，W A N GJ i a n w e i 3 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a l sa n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S h o u g a n gM i n s h a nM a c h i n eB u i l d i n gF a c t o r y 。T i a n s h u i7 4 1 0 0 0 ，G a n s u ，C h i n a ； 3 ．L a n z h o uU n i v e r s i t yo fI 甜n a n c ea n dE c o n o m i c s ．L a n Z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a e t T h ep r o c e s sO ft h e r m a lt r a n s m i s s i o nb e t w e e nb a c k i n gb l o c ka n dc o p p e ra l l o ym o u l di sa n a l y z e df o ro b t a i n i n g t h eh i g h m a n g a n e s e - s t e e lb a c k i n gb l o c kw i t h o u th e a t t r e a t m e n t ．T h em o u l dc o n s t r u c t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no f c o o l i n gw a t e rc h a n n e la r ed e s i g n e db a s e do nt h ec a l c u l a t i o no ft h e r m a lf l o wi n t e n s i t yf o rc o p p e ra l l o ym o u l di n h e a tc o n d u c t i o np r o c e s s ．T h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ec o p p e ra l l o ym o u l dh a ss o m eo b v i o u sa d v a n t a g e s ， s u c ha sl o n gs e r v i c el i f e 。l o w e rp r o d u c t i o nc o s ta n ds oo n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o n s t r u c t i o nd e s i g no fc o p p e ra l l o ym o u l d ；c a l c u l a t i o no ft h e r m a lt r a n s m i s s i o n ； b a c k i n gb l o c k 万方数据