工艺因素对硅铁在铁液中熔化过程影响的数值模拟_曾大新

工艺技术　　　　

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工艺因素对硅铁在铁液中熔化过程影响的数值模拟

曾大新1,2,刘伟涛2,苏俊义2

(1.湖北汽车工业学院材料工程系,湖北十堰442002;2.西安交通大学机械工程学院)

摘　要:用数值模拟方法研究了工艺因素对硅铁在铁液中熔化过程的影响。结果表明:硅铁浸入铁液至完全熔化分为两个时期,即铁壳期和熔化期;硅铁自浸入铁液至完全熔化的时间,随着铁液初始温度的升高、硅铁尺寸的减小和硅铁含硅量增加而缩短;如果按照铁壳期和熔化期来划分硅铁浸入铁液至完全熔化的时间,铁液初始温度和硅铁尺寸对铁壳期的影响大,而对熔化期的影响较小。

关键词:硅铁;熔化;数值模拟

中图分类号:TG250.2　　　文献标识码:A　　　文章编号:100123814(2001)0420043202NumericalSimulationofEffectofSomeTechnicalFactorson

MeltingProcessofFerrosiliconinLiquidIron

ZENGDa2xin

1,2

22

,LIUWei2tao,SUJun2yi

(1.MaterialEngineeringDepartment,HubeiAutomotiveIndustriesInstitute;

2.MechanicalEngineeringSchool,Xi’anJiaotongUniversity)

Abstract:Theeffectsoftechnicalfactorsonmeltingprocessofferrosiliconinliquidironarestudiedbyusingnumericalsimulation.Twoseparateperiodsareidentified:theironshellperiodandmeltingperiod,afterimmersionofferrosiliconintoliquidiron.Also,itisshownthattheriseofinitialtemperatureofliquidiron,decreaseofferrosiliconsizeandincreaseofsiliconcontentinferrosiliconaretoshortentimefrominitialimmersionofferrosiliconintoliquidirontoitscompletemelting.Iftwoseparateperiodsareconsideredrespectively,theeffectofinitialtemperatureofliquidiron.andferrosilconsizeontheironshellperiodisgreat,butonmeltingperiodsmall

Keywords:melting;ferrosilicon;numericalsimulation

Ξ

　在工程实际中,固态金属在液态金属中的熔化过程

是非常复杂的,用实验方法对其进行研究非常困难。随着计算流体力学、计算传热学的发展,采用数值方法对其进行模拟,将成为研究和预测固态金属熔化过程的重要手段。硅铁是钢铁熔炼及铸造生产中应用最多的合金添加剂,研究其熔化过程,预测其熔化的时间,对于优化工艺、实现过程的最佳控制具有重要的实际意义。一般情况下,硅铁块在铁液中的熔化过程是熔化机制[1],作者前期建立了硅铁在铁液中熔化过程的数学模型和数值模拟的方法[2],本文采用所建立的数值模拟方法研究工艺因素对硅铁块在铁液中熔化过程的影响。

和糊状区中流体流动、热量和溶质传输的统一方程组。

控制方程以圆柱坐标系下轴对称的形式表示,所建立的连续性方程、动量方程、能量守恒方程和溶质守恒方程见文献[2]。

由于在数学模型上,液相区、固相区及糊状区采用了统一方程,计算不需要跟踪固2液相界面,适于采用固定网格,便于利用通用计算程序。本文的计算在英国CHAM公司的计算流体动力学通用软件PHOENICSShareware1.4的基础上,通过添加相应的计算程序来

完成。控制方程采用控制容积差分法离散,用迭代法耦合求解,其具体细节见文献[2]。

1　硅铁在铁液中熔化过程的数学模型

2　计算条件

计算中假定圆柱形硅铁棒瞬时浸入铁液,在自然对流条件下熔化。因此,所考虑的问题是轴对称二维问题,取计算区域为半径r=114mm,轴向高度z=240mm,采用非均匀的网格剖分,如图1所示。

计算的边界条件是:与空气接触的上表面辐射换热,其热流密度的计算式为:

及数值模拟方法

硅铁在铁液中熔化是一个对流󰃗扩散固2液相变问题,在数学模型的建立上,以对流󰃗扩散固2液相变统一模型为基础,假设所研究的体系是铁基准二元合金,硅是溶质,碳及其它元素只影响铁液的熔点;熔化区域局部保持热力学平衡;固相的运动速度为零。将固相、液相和糊状区(固液两相区)看成是一个连续的介质,考虑硅溶解于铁中产生的混合热,建立起描述固相、液相

Ξ

收稿日期:2001202227

作者简介:曾大新(19622),男,湖南临湘人,副教授,博士。

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　　　　TECHNOLOGY

q=ΕΡ(Ti-4

HotWorkingTechnology　2001No.4

Te)

4

(1)

式中:Ti和Te分别为铁液表面温度和环境温度(K);Ρ

-8

(m2K4);为Stefen2Boltzmamn常数,Ρ=5.6×10W󰃗

“绝热型”边界处Ε为表面的发射率,取0.3。其它边界按

理,即热量和质量没有流入和流出;边界上的速度均按

滑移边界处理。计算所用的热物性参数参见文献[2]。

的铁液发生凝固,形成一层铁壳,随后由于铁液的传热,铁壳又逐渐熔化,在这阶段硅铁只是被加热,没有熔化,把这一阶段称之为铁壳期;硅铁发生熔化的时期,称为熔化期。由于硅溶于铁液时,有很大的溶解混合热产生,导致铁熔化开始后,在其周围的铁液中的温度升高,超出原始铁液的温度,形成一个高温区域,这将加速硅铁的熔化,因此硅铁熔化一旦开始,其速度很快。图2是铁液温度为1400℃时,三个不同时刻温度等值线,可见,在硅铁熔化开始前,温度的分布是从硅铁中心向外逐渐升高(见图2a);硅铁熔化开始后,由于溶解混合热的作用,在硅铁周围的铁液中形成一个高温区域(图2b、c)。3.2　铁液温度对硅铁棒熔化过程的影响3　工艺因素对硅铁熔化过程的影响

3.1　硅铁在铁液中熔化的一般过程

计算结果表明:硅铁浸入铁液至完全熔化分为两

个时期,即铁壳期和熔化期。这与文献[3～5]中所描述的铁合金在液态铁中的熔解行为是一致的。当硅铁刚浸入铁液时,由于硅铁吸收铁液的热量导致硅铁周围　　　图1　计算域和采用的网格系统图2　铁液温度为1400℃时,在不同时刻的温度等值线

　　硅含量为75%、尺寸为<30×120(mm)的硅铁棒在浸入三个不同温度的铁液中后,其熔化体积与时间关系的计算结果如图3a所示,其固液边界(固相包括硅铁及在硅铁上凝固的铁壳)径向位置(半径)随时间变化的计算结果如图3b所示。可以看出,铁液温度对硅铁的熔化有很大的影响,自硅铁浸入铁液至完全熔化的时间随铁液温度升高而缩短,如果按照铁壳期和熔化期来划分硅铁浸入铁液至完全熔化的时间,铁液温度主要是影响铁壳期,而对熔化期的影响较小,铁液温度越高,则铁壳期越短,铁壳的最大厚度越小。

<36×120(mm)的硅铁棒,浸入到1400℃的铁液中后,其熔化体积与时间关系的计算结果如图4a所示,其固液边界径向位置随时间变化的计算结果如图4b所示。计算结果表明:随着硅铁尺寸增大,自硅铁浸入铁液至完全熔化的时间增加;硅铁尺寸对铁壳期影响大,而对熔化期的影响较小,硅铁棒直径为24mm、30

16s和23s,mm和36mm时,铁壳期分别为13.5s、

熔化期分别为3s、4.5s、和6s;硅铁尺寸增大,铁壳厚度略有增加。

图4　尺寸不同的硅铁棒在铁液中熔化体积与时间

图3　铁液温度不同时硅铁棒熔化体积与时间的关系(a)

及固液边界位置随时间的变化(b)

的关系(a)及固液边界位置随时间的变化(b)

3.4　硅铁含硅量对其熔化过程的影响

3.3　硅铁棒尺寸对其熔化过程的影响

硅含量为75%、尺寸分别为<24×120、<30×120、

含硅量分别为65%、75%、85%,尺寸为<30×120(mm)的硅铁棒浸入1400℃的铁液后,(下转第46页)

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　　　　TECHNOLOGY

HotWorkingTechnology　2001No.4

是温挤压的1.5倍;B点工艺力冷挤压是热挤压的1.85倍,是温挤压的1.5倍;最大等效应力冷挤压是热挤压的1.37倍,是温挤压的1.19倍;最大等效应变三种工艺相当。可看出,采用温挤压工艺生产,工艺力和最大等效应力等均比热挤压提高不大,因此当受模具材料和设备能力限制时建议采用此工艺生产。

若先将上下两端预锻成中空圆柱形,然后再分别冷挤出六棱柱和四棱柱,其工艺过程的工艺力曲线、等效应力和等效应变云图的数值与图形均与上述直接冷挤压相差不大。

3　结论图4　直接冷挤压终了时的等效应力(a)、等效应变(b)

圆角,否则模具将会在此处损坏。图4B是该工艺过程等效应变的云图,最大应变也发生在两个拐角处,材料在此处的变形程度剧烈,容易产生缺陷,因此应适当地控制变形速度。

基于上述计算及模拟结果和分析,不难得出下列结论:(1)挤压过程中上、下冲头的上端外缘工作状态最为恶劣,所以此处应设计成合理的圆弧形状,以便减少金属在此处的流动阻力,否则将使模具过度磨损。(2)经与热、冷挤压工艺比较可知,如采用温挤压成形该工件,工艺力及最大等效应力等工艺参数均较热挤压提高不多,因此在受到挤压设备能力或模具材料性能限制时,用温挤压工艺生产套筒扳头比较经济。(3)从模拟结果可以看出,挤压过程中金属首先将位于上部的六棱柱端充满(图2b右),然后再将位于下部的四棱柱端充满。因此如将四棱柱端放于下部,成形的最后阶段金属的流动阻力较大,如果所设计模具的挤压型腔上部不封闭,此时金属会继续向上流动,致使位于下部的四棱柱端不能充满,造成废品。建议将挤压模具设计成四棱端在上,六棱柱端在下的位置来成形。这与某些厂家传统的成形方式正好相反,也是其经常出废品的主要原因。于硅铁的密度随硅含量增加而减小的结果。

2　冷挤压、温挤压、热挤压工艺的比较

我们对同一工件在同样材料和挤压速度的条件下分别进行了冷、温、热挤压工艺的模拟,其结果如表1。表中数据表明,A点的工艺力冷挤压是热挤压的2倍,

表1　对同一工件在同样材料和挤压速度

条件下冷、温、热挤压模拟结果

点工艺力B点工艺力最大等效应力最大等　A(

×105N)(×105N)(×102MPa)效应变冷挤压温挤压热挤压0.480.320.24

0.960.640.52

1.921.621.4

3.313.393.79

备注图3、4

工艺力曲线同图3,等效应力曲线及等效应变曲线同图4

(上接第44页)其熔化体积与时间关系的计算结果如

图5a所示,其固液边界径向位置随时间变化的计算结果如图5b所示。计算中考虑硅含量对硅铁棒密度的影响,其它热物性与75SiFe相同。计算结果显示,硅铁的含硅量增加,在铁液中熔化的时间缩短,这说明硅溶于铁液产生的混合热对硅铁的熔化有很大的影响。图5b显示铁壳的厚度随硅铁中含硅量增加而减小,这是由

4　结论

(1)硅铁浸入铁液至完全熔化分为两个时期,即铁

壳期和熔化期。

(2)硅铁自浸入铁液至完全熔化的时间,随着铁液初始温度的升高而缩短;随着硅铁尺寸的增加而增长;如果按照铁壳期和熔化期来划分硅铁浸入铁液至完全熔化的时间,铁液初始温度和硅铁尺寸对铁壳期的影响大,而对熔化期的影响较小。参考文献:

[1]　曾大新,等.[J].西安交通大学学报,2000,34(5):75.[2]　曾大新,刘伟涛,苏俊义,等.[J].金属学报,2000,36(7):739.[3]　SismanisPG,etal.[J].CanadianMetall.,1988,27(2):123.[4]　ArgyropoulosSA,etal.[J].Metall.Trans.,1984,15B(1):47.

图5　含硅量不同的硅铁棒在铁液中熔化体积与时间

的关系(a)及固液边界位置随时间的变化(b)

[5]　ArgyropoulosSA,etal.[J].CanadianMetall.1979,18(3):267.