卧式离心复合轧辊铸造过程温度场模拟

■ 孟效轲，蒲远忠，刘红才

在离心复合轧辊生产过程中，复合层处良好的冶金熔合是获得合格轧辊的保证。熔合深度过薄则结合不良，使用过程中易发生辊套剥落；熔合深度过厚则造成工作层材料的浪费，且易导致工作层厚度不均。实际生产中，停机时间往往通过现场观察测温曲线获得，而充芯温度则根据以往生产经验确定。本文希望模拟离心复合铸造轧辊成形过程，对轧辊的工艺制订提供量化的设计依据。

一、模型的建立

1. 分析模型

以1580高铬铸铁工作辊为研究对象。工作层浇注温度1400～1450℃，辊身金属型转速550～600r/min，17～22min浇注中间层，浇注温度1380～1430℃；32～38min停机，40～45min浇注芯部铁液，浇注温度1400～1450℃。无损检测重熔深度25～30mm。几何模型如图1所示。

2. 前提假设

由于工作层及中间层浇注时间较短，金属液充型过程对整体凝固过程影响较小，为简化模型，假定工作层及中间层瞬间充满。

3. 模拟关键问题的处理

（1）金属型外表面及工作层材料内表面与大气之间换热系数的确定 铸型-空气换热主要由两部分组成，即辐射换热和对流换热。旋转体系中的对流换热与旋转边界层的流动特性密切相关。当流体的旋转速度较低或物体的表面温度与流体的平均温度之差较大时对流占优势；当流体的旋转速度足够大时自然对流的影响很小，换热主要取决于由旋转形成的强制对流换热。可根据铸型的旋转速度推算出流动的雷诺数，从而确定相应的换热系数。本文中根据转速等设置金属型外表面换热系数为180W/m2·K。

（2）涂料层对换热的影响 离心铸造轧辊为避免金属型激冷作用，需要在金属型内壁喷涂料。涂料厚度一般为0.5～3.5mm。涂料厚度对金属型与工作层材料的换热产生较大的影响。离心复合轧辊铸造过程的重力系数一般为80～120，因此离心层铁液对涂料会产生较强的压力，接触压力的大小也对换热系数产生较大影响。随着凝固的进行，凝固的工作层收缩，工作层与金属型之间将产生间隙。这间隙大幅延缓了工作层的散热过程。随着凝固厚度的增加，间隙逐渐增大，换热系数也相应减小。

图1 几何模型示意

综合考虑以上因素，确定金属型与工作层界面换热系数随时间变化如图2所示。

二、结果及分析

1. 工作层及中间层温度场模拟结果

浇注中间层、停机及浇注心部时的温度场如图3所示。由图可知，工作层及中间层由内向外温度逐渐降低，属单向凝固，内表面温度最高。

现场对工作层内表面及金属型外表面进行了测温。工作层凝固期间测温结果与模拟结果对比如图4所示。

由图4可知，模拟结果与实测结果相符。浇注中间层时，工作层刚完成凝固。若浇注时间提前，工作层未完成凝固，则一方面造成工作层材质的浪费，另一方面易形成工作层厚度不均。而工作层凝固后，由于无结晶潜热的释放，工作层温度迅速降低，延后中间层浇注时间则易造成结合不良。

中间层凝固期间测温结果与模拟结果对比如图5所示。由图5中可以看出，中间层凝固完成即可停机。停机过早，中间层未完成凝固，易发生滴落。停机后，辊身模需与上下辊颈箱组装，组装时间为10min左右。由图4看出，浇注心部时，中间层内表面温度约980℃。若停机时间过晚，中间层温度进一步降低，可能造成结合不良，在使用中形成工作层剥落。

2. 重熔深度分析

浇入心部材料后，高温的心部材料重熔掉部分中间层，从而形成冶金熔合。心部材料充型后其对中间层部分的重熔深度考虑两种模型：一种是充满型腔后即关闭流动计算，只考虑传热；另一种是充满型腔后考虑金属液流动对凝固过程的影响。由中间层内表面向外每隔7mm选取特征点，作每点的温度曲线，两种模型的结果对比如图6所示。

图2 界面处换热系数设置

图3 不同时刻工作层及中间层温度场

图4 工作层凝固期间实测温度与模拟结果对比

图5 中间层凝固期间实测温度与模拟结果对比

由图6可知，若不考虑流动对凝固过程的影响，则心部材料对中间层的重熔深度为17～23mm。而考虑流动对凝固的影响时，则重熔深度在23～30mm，与无损检测结果相符。分析认为，充型完毕后，型腔中铁液并未静止，而是存在自然对流。靠近中间层处，存在着一定的速度分布，该处的低温铁液在对流作用下代之以心部的高温铁液。高温铁液不断侵蚀离心层，最终心部材料熔掉中间层，并实现冶金熔合。

图6 中间层重熔深度分析

三、结语

（1）工作层完成凝固后即可浇注中间层，中间层完成凝固后即可停机。

（2）浇入心部材料后的凝固过程中，型腔中存在自然对流。在对流作用下，高温铁液不断侵蚀中间层材料，并最终形成冶金熔合。