CN108108529B - 一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法 - Google Patents

一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法，包括步骤：1）设计标准铸件结构；2）设计铸造工艺方案，并成型铸件；3）对标准铸件表面的不同位置取样，并按顺序编号后做金相分析，分别得出各试样的二次枝晶间距数据；4）计算各试样二次枝晶间距对应的冷却速率；5）对铸造工艺方案进行温度场数值模拟分析，并设置初始界面换热系数，提取糊状区冷却速率；6）根据反算原理，将实验计算的冷却速率与模拟的冷却速率进行拟合反算，求解出符合要求的界面换热系数。该方法可以在省略测温过程的情况下有效地测量、反算出界面换热系数，且实施方便、准确度高，同时也是各类铸造方法界面换热系数的通用方法。

Description

一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法
技术领域
本发明涉及铸造过程界面换热系数的理论测量方法，具体地讲是一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法。
背景技术
近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟仿真技术已经成为铸造过程控制、工艺设计与优化的重要手段。其中，界面换热系数作为铸造过程温度场数值模拟的重要设定参数具有重要意义。界面换热系数的准确与否直接关系着流场、温度场、应力场模拟的准确性，影响着铸件缺陷及性能的预测与优化。
目前，常规的界面换热系数测量理论方法主要是通过工艺实验设计测取铸件及型壳等多点温度，然后与数值模拟温度场进行温度拟合，并不断调整界面换热系数，反算出实际界面换热系数。此类方法在埋放热电偶、测温等方面成本过高、过程繁琐、操作不易。因此，界面换热系数的有效测量成为铸造模拟仿真研究中急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法，该方法可以在省略测温过程的情况下有效地测量、反算出界面换热系数，且实施方便、准确度高，同时也是各类铸造方法界面换热系数的通用方法。
实现本发明的技术方案是：一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）设计标准铸件结构，该标准铸件结构具有结构简单、成型方便、取样容易的特点；
2）设计上述标准铸件的铸造工艺方案，并按照铸造工艺方案成型铸件；
3）对标准铸件表面的不同位置取样，并按顺序编号后做金相分析，分别得出各试样的二次枝晶间距数据；
4）计算各试样二次枝晶间距对应的冷却速率；计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为二次枝晶间距；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为相应合金对应的常数，对于不同的合金材料，
Figure 760810DEST_PATH_IMAGE006
各不相同；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为冷却速率；
5）对铸造工艺方案进行温度场数值模拟分析，并设置初始界面换热系数，提取糊状区冷却速率；
6）根据反算原理，将实验计算的冷却速率与模拟的冷却速率进行拟合反算，求解出符合要求的界面换热系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
（2）
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
分别为模拟得到的冷却速率与试验得到的冷却速率；j是式样顺序编号；J是试样总数；
所述步骤6）中，求解出符合要求的界面换热系数是指精度收敛，就是反复计算界面换热系数，直至其小于某一值，即结束计算。
所述步骤3）中所述其中不同位置取样，取样数量越多，最终得到的界面换热系数更加准确。
所述步骤1）中，标准铸件结构为圆柱体结构。
所述步骤2）中，铸造工艺方案采用阶梯式浇注系统并快速充型，保证充型过程减少温度损失。
所述步骤2）中，浇注合金过热度ΔT=30℃，以减小凝固前温度场扰动。
所述步骤2）中，也可以采用一带二的组树方式，并分别在两铸件不同位置上进行取样，取样总数量不少于四个。
所述通过浇注方案改良及铸件结构设计，以冷却速率反推温度曲线，从而反算界面换热系数。
本发明的有益效果是:
1、使用本方法测量界面换热系数可以省略埋放热电偶测温的过程，节约了成本，降低了测量难度。
2、使用本方法可适应各类铸造方法。
3、本发明实施方便、准确度高，客观的经济效益及社会效益显著。
附图说明
图1是本发明实施例界面换热系数测量方案组树图；
图2是本发明实施例操作方案流程图。
图中代号含义：1-铸件；2-浇口杯；3-直浇道；4-内浇道。
具体实施方式
本实施例采用熔模精密铸造的方法成型铸件。铸件结构为Φ20×80的圆柱体，铸件及浇注系统组树图参见图1。
本发明包括以下顺序步骤：
1）设计Φ20×80的圆柱体结构铸件1，该铸件结构具有结构简单、成型方便、取样容易等特点；
通常而言，铸型-铸件界面具有不规则的形状，界面上不同位置的换热系数不尽相同，给测量带来困难，因而一般测定界面换热系数时会采用圆柱形或平板形铸件，以减小界面换热系数的不均匀造成的影响。
2）设计熔模精密铸造工艺方案，通过铸件及浇注系统采用一带二的组树方式组树，并成型铸件1。浇注合金过热度ΔT=30℃，模壳预热温度1050℃，浇注速度5Kg/s。
所述浇注系统为阶梯式浇注系统，由浇口杯2、直浇道3、内浇道4构成。
铸造工艺方案采用阶梯式浇注系统并快速充型，保证充型过程减少温度损失。
3）对铸件1不同位置，取样金相分析得出二次枝晶间距数据。其中，取样数量越多，最终得到的界面换热系数更加准确。本实施例在每个铸件上各取2个试样，总共4个试样。
4）计算各试样二次枝晶间距对应的冷却速率；
Figure 415914DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中：
Figure 811123DEST_PATH_IMAGE004
为二次枝晶间距；
Figure 563178DEST_PATH_IMAGE006
为相应合金对应的常数，对于不同的合金材料，
Figure 385641DEST_PATH_IMAGE006
各不相同；
Figure 652674DEST_PATH_IMAGE008
为冷却速率；
式（1）由本领域常用公式变换而来，常用公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为二次枝晶间距；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为系数，对于不同的合金材料，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
各不同，可选用系数明确的合金材料进行浇注，如碳钢；
Figure 738659DEST_PATH_IMAGE008
为冷却速率。
5）对铸造工艺方案进行温度场数值分析，并设置初始界面换热系数h=500，得出糊状区冷却速率。
6）根据反算原理，将实验计算的冷却速率与模拟的冷却速率进行拟合反算，求解出符合要求的界面换热系数。其原理如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
计算以极小化为目标求取界面换热系数h。
Figure 345221DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 338585DEST_PATH_IMAGE014
分别为模拟得到的冷却速率与试验得到的冷却速率；j是式样顺序编号；J是试样总数；
求解出符合要求的界面换热系数是指精度收敛，就是反复计算界面换热系数，直至其小于某一值，即结束计算，确定目标界面换热系数。
通过以上方法计算出铸型-铸件的界面换热系数后，可用相同方法计算模壳与不同厚度保温棉的界面换热系数（如熔模铸造常常会需要包裹不同厚度保温棉来改变温度场分布）。
也可以通过浇注方案改良及铸件结构设计，以冷却速率反推温度曲线，从而反算界面换热系数，同样属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）设计标准铸件结构；
2）设计上述标准铸件的铸造工艺方案，并按照铸造工艺方案成型铸件；
3）对标准铸件表面的不同位置取样，并按顺序编号后做金相分析，分别得出各试样的二次枝晶间距数据；
4）计算各试样二次枝晶间距对应的冷却速率；计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为二次枝晶间距；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为相应合金对应的常数，对于不同的合金材料，
Figure 291237DEST_PATH_IMAGE006
各不相同；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为冷却速率；
5）对铸造工艺方案进行温度场数值模拟分析，并设置初始界面换热系数，提取糊状区冷却速率；
6）根据反算原理，将实验计算的冷却速率与模拟的冷却速率进行拟合反算，求解出符合要求的界面换热系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（2）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别为模拟得到的冷却速率与试验得到的冷却速率；j是式样顺序编号；J是试样总数。
2.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤6）中，求解出符合要求的界面换热系数是指精度收敛，就是反复计算界面换热系数，直至其小于某一值，即结束计算。
3.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤3）中所述不同位置取样，取样数量越多，最终得到的界面换热系数更加准确。
4.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤1）中，标准铸件结构为圆柱体结构。
5.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤2）中，铸造工艺方案采用阶梯式浇注系统并快速充型，保证充型过程减少温度损失。
6.根据权利要求1或5所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤2）中，浇注合金过热度ΔT=30℃，以减小凝固前温度场扰动。
7.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：所述步骤2）中，采用一带二的组树方式，并分别在两铸件不同位置上进行取样，取样总数量不少于四个。
8.根据权利要求1所述简便测量铸造界面换热系数的反算方法，其特征在于：通过浇注方案改良及铸件结构设计，以冷却速率反推温度曲线，从而反算界面换热系数。
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