CN108335359A - 一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造氧化夹渣缺陷领域，并公开了一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法。该方法包括下列步骤：(a)针对铸造充型的铸件，将其划分为铸件内部和表面两个部分，采用网格划分的方法将两个部分分别划分为多个单元；获得铸件内部和表面的每个单元的影响因子的表达式；(b)修正铸件表面单元的当前氧化夹渣密度影响因子；(c)构建假设条件，并根据单元的影响因子的表达式，采用运输方程构建运输过程中氧化夹渣的运动方程，由此实现氧化渣运动的追踪。通过本发明定量化分析铸造充型过程中氧化夹渣缺陷，提高铸造过程数值模拟技术的实用性。

Description

一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法

技术领域

本发明属于铸造氧化夹渣缺陷领域，更具体地，涉及一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法。

背景技术

氧化夹渣是铸件生产(尤其是有色合金铸件)中常见的缺陷。依据氧化夹渣缺陷特征和产生的部位，可以分为初次夹渣(熔炼过程中形成的)和二次夹渣(浇注时产生的)。大量生产试验表明，大部分的铸件氧化夹渣缺陷是由于二次夹渣(多数还伴随卷入空气而呈圆形蜂窝状)不能有效地截留在浇道中，而带入铸型所造成的。由此可见，氧化夹渣缺陷的产生是复杂的物理化学变化过程，并处于气液固多相耦合流动状态。由于目前实验手段只能对铸件最终的氧化夹渣缺陷进行分析，难以直接观测氧化夹渣缺陷的形成和演变过程。因此，进行针对氧化夹渣缺陷的数值模拟研究具有重要的理论和实用价值。

在目前预测铸件氧化夹渣缺陷的领域中，国内外学者提出了较多各具特色的模拟方法，总体上可分为三大类：①判据模型；②标量模型；③欧拉-拉格朗日模型。所谓的判据模型，不直接计算氧化夹渣缺陷，而是考虑影响氧化夹渣的主要因素，并结合已有的数值计算结果，间接地得到氧化夹渣缺陷可能的分布。该模拟方法只能考虑自由表面附近氧化夹渣卷入的累积效应，并未追踪后续氧化夹渣随金属液的流动。所谓的标量模型，是采用标量场来记录氧化夹渣分布，并通过输运方程来计算氧化夹渣缺陷随金属液的流动，从而给出氧化夹渣在铸件内部的分布情况。由于没有考虑氧化膜与铸型壁面之间的粘附现象，因而无法给出壁面上的氧化夹渣缺陷分布。所谓的欧拉-拉格朗日模型，是将宏观的流体模型和离散颗粒动力学模型相结合，即采用欧拉模型计算连续性充型过程，采用离散颗粒代替氧化夹渣，通过离散颗粒与连续性充型过程的耦合，获得氧化夹渣缺陷的运动和分布，采用离散颗粒来等效连续氧化膜的准确性有待进一步验证，同时，复杂情形下需要大量离散颗粒来保证计算精度，而大量粒子所带来的计算效率难以保证，因此，在深入理解氧化夹渣缺陷演化机理的基础上，提出合理全面的氧化夹渣缺陷定量化预测模型，对科学有效地控制氧化夹渣缺陷具有很大的帮助。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，通过构建影响铸件内部和表面氧化夹渣生成的多个影响因子的表达式，然后利用运输方程追踪氧化夹渣的运动，由此解决氧化夹渣运动追踪精度差以及无法追踪复杂情形的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，该追踪方法包括下列步骤：

(a)获取铸件表面和内部的影响因子

针对铸造充型的铸件，将其划分为铸件内部和表面两个部分，采用有限元网格划分的方法将所述两个部分分别划分为多个单元；针对铸造充型过程，确定影响铸件内部和表面氧化夹渣生成的多个影响因子，分别根据化学燃烧的燃烧速率和阿伦尼乌斯型芯发气速率的表达式，获得铸件内部和表面单元的影响因子的表达式，其中，所述多个影响因子包括充型所用的金属液与空气的接触程度，充型温度和单元当前氧化夹渣密度；

(b)修正铸件表面单元的当前氧化夹渣密度影响因子

将与铸件表面接触的壁面采用有限元网格划分的方法划分为多个网格壁面单元，并根据壁面氧化夹渣密度超过临界值便无法继续积累的特性，构建所述壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的表达式；

对于所述铸件表面，构建铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ_facecurrent、修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent以及壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的关系式(一)，由该关系式(一)获得修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent，将该修正后的铸件表面单元当前氧化渣密度χ'_facecurrent代入步骤(a)获得的铸件表面单元当前氧化夹渣因子的表达式中获得修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度影响因子；

(c)氧化夹渣运动的追踪

假设一，对于具有相同的壁面临界氧化夹渣密度值的壁面区域，其氧化夹渣粘附能力和粘附极限一致；

假设二，所述铸件内部的氧化夹渣随充型所用的金属液运动，且不影响所述金属液运动；

假设三，铸件从铸型中取出时，充型过程中粘附在铸型壁面上的氧化夹渣最终会全部粘在铸件表面；

基于所述假设一、二和三，并根据所述铸件内部和表面单元的影响因子的表达式，采用运输方程构建运输过程中氧化夹渣的运动方程，其中，所述铸件表面的单元采用修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度影响因子，由此实现所述氧化渣运动的追踪。

进一步优选地，在步骤(a)中，利用所述多个影响因子，还可构建单元氧化夹渣生成速率S_χ的模型，该模型对于铸件内部和表面单元均适用，该模型优选按照下列表达式进行，

其中，A_χ为单元氧化夹渣生成速率常量，S_α是单元充型所用的金属液与空气的接触程度影响因子，S_T是单元充型温度影响因子，是单元当前氧化夹渣密度影响因子。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述充型所用的金属液与空气的接触程度影响因子S_α优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

S_α＝α(1-α)

其中，α是金属相体积比。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述充型温度影响因子优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

其中，T_solid是单元充型所用的金属液的固相线温度，T_liquid是单元充型所用的金属液的液相线温度，T是单元温度。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述当前氧化夹渣密度影响因子优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

其中，χ_current是单元当前氧化夹渣密度，χ_critical是单元临界氧化夹渣密度。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的表达式优选按照下列表达式，

其中，χ_wallCurrent是当前壁面单元氧化夹渣密度，χ_wallBefore是上一时刻壁面单元氧化夹渣密度，χ_wallCell为壁面相邻单元当前氧化夹渣密度，χ_wallCritical是壁面临界氧化夹渣密度，由实际生产确定的常量。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述构建铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ_facecurrent、修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent以及壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的关系式(一)中，所述关系式(一)优选采用下列表达式，

χ′_facecurrent＝χ_facecurrent-χ_wallcurrent+χ_wallbefore

其中，χ_wallbefore是壁面单元上一时刻氧化夹渣密度。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述采用运输方程构建运输过程中氧化夹渣的运动方程优选采用下列表达式，

其中，χ是关于时间t的单元氧化夹渣密度变量；U为单元充型的速度，对于铸件内部的单元而言，是单元当前氧化夹渣密度，对于铸件表面单元，是修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将金属相体积比、充型温度及当前氧化夹渣密度作为影响氧化夹渣生成速率的影响因子，由此获得的氧化夹渣缺陷生成速率模型计算精度高，准确率高，对科学有效地控制氧化夹渣缺陷具有很大的意义；

2、本发明通过考虑氧化夹渣在壁面上的粘附效应，求解粘附在铸型壁面的氧化夹渣密度，从而获得修正后的铸件表面的氧化夹渣密度，进而获得修正后的当前氧化夹渣密度的影响因子，对不同部位的氧化夹渣分开处理，针对性强，更加精确的反应铸件充型过程中氧化夹渣的真实状态。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的金属相体积比影响因子变化曲线；

图3(a)是按照本发明的优选实施例所构建的充型所用的铜合金金属液充型温度影响因子变化曲线；

图3(b)是按照本发明的优选实施例所构建的充型所用的铝合金金属液充型温度影响因子变化曲线；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的壁面上氧化夹渣粘附和累积过程示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的所采用的低压铸造工艺采用的铸型的几何及网格模型；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的不同部位处壁面氧化夹渣缺陷模拟结果与实际铸件表面形态对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法流程图，如图1所示，将铸件分为铸件表面和铸件内部两个部分，并分别对不同的部分进行网格划分，每个部分被划分为多个单元。

(1)氧化夹渣生成速率计算模型

铸造充型过程中氧化夹渣缺陷的主要影响因素为金属液-空气接触程度、金属液温度和已产生的氧化夹渣。从数值计算的角度而言，影响因素只有等效为对应的物理量计算表达式，才能在求解过程中得以体现。由于铸造充型过程中液面前沿变化剧烈，加上计算得到的界面为扩散型界面，使得难以实时计算金属液与空气之间的接触面积。考虑到氧化夹渣缺陷生成速率的计算是针对单元而言的，于是采用金属相体积比α用于表征金属液-空气接触程度。金属液温度和已产生的氧化夹渣的影响分别由温度T和当前氧化夹渣密度χ_current来表征。因此，氧化夹渣缺陷生成速率模型需要综合考虑单元金属相体积比α、单元温度T和单元当前氧化夹渣密度χ_current，下面分别对这三个影响因素进行分析。

1)金属相体积比影响因子

氧化夹渣的产生本质上是氧化反应，而所有化学反应速率的快慢与组分含量密切相关。开源代码OpenFOAM中的化学燃烧求解器reactingFoam所采用的燃烧速率计算公式为：

式中，为燃烧速率,kg/m³/s；L为模型常数；为单元平均密度,kg/m³；k为湍流脉动动能,m²/s²；ε为湍流脉动动能的耗散率,m²/s³；和分别为单元内燃料和氧气的体积比；M为燃烧所需的氧气与燃料的化学计量比。

由式(1)可知，当单元内化学反应组分均充足时，反应速率最大。与此类似，金属相体积比α代表参加氧化反应的金属相的量，1-α代表参加氧化反应的空气的量，金属相体积比α通过单元的体积比方程。当单元内全为金属液或空气时，认为此单元内的氧化夹渣生成速率为0。因此，金属相体积比影响因子S_α为：

S_α＝α(1-α) (2)

图2是由式(2)得到的金属相体积比影响因子S_α变化曲线。从图中可以看出，当单元内金属相和空气均充足时，氧化反应速率最大，即氧化夹渣生成量最多。需要说明的是，绝大部分的两组分化学反应并不是当组分含量(体积分数)完全一致时，反应速率最大。而本发明中取α＝0.5时氧化反应速率最大，是因为实际的氧化夹渣生成是由多个氧化反应共同参与的，难以明确组分之间的化学计量比。

2)温度影响因子

温度几乎是所有化学反应的关键影响因素，一般而言，温度越高，化学反应越剧烈。在型芯发气的数值模拟研究中，需要计算不同温度下的树脂分解速率，树脂分解过程是化学反应过程，相关研究采用阿伦尼乌斯公式计算型芯发气速率：

K＝Ae^-E/RT (3)

式中，K为型芯发气速率；A为指前因子；E为表观活化能；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)。

由式(3)可知，型芯发气速率与温度成指数关系。当金属液完全凝固后，氧化反应停止。因此，充型温度影响因子S_T为：

式中，T_solid和T_liquid分别为合金的固相线和液相线温度，℃。

图3(a)是按照本发明的优选实施例所构建的充型所用的铜合金金属液充型温度影响因子变化曲线，图3(b)是按照本发明的优选实施例所构建的充型所用的铝合金金属液充型温度影响因子变化曲线，如图3(a)和(b)所示，铜合金的液相线温度为921.4℃，固相线温度为890℃，铝合金的液相线温度为611℃，固相线温度为550℃，从图中可以看出，不同合金的温度影响因子有细微差别，但整体趋势是一致的，温度低于合金固相线温度时，影响因子为0，随着温度的增加，影响因子基本呈线性增大，且分布曲线呈现上凸趋势。

3)当前氧化夹渣密度影响因子

随着氧化夹渣逐渐累积，氧化反应速率逐渐减小，当氧化夹渣达到某一临界值后，氧化反应停止。因此，当前氧化夹渣密度影响因子为：

式中，χ_current为单元当前氧化夹渣密度，kg/m³；χ_critical为单元临界氧化夹渣密度，需结合实际生产确定，kg/m³。

将上述不同因素的影响因子式(2)、式(4)和式(5)综合起来，可得氧化夹渣缺陷生成速率模型为：

式中，S_χ为单元氧化夹渣缺陷生成速率，kg/m³/s；A_χ为氧化夹渣生成速率常量，需结合实际生产确定，kg/m³/s。

(2)针对铸型表面当前氧化夹渣密度的修正

在金属液充型过程中，当氧化夹渣碰到铸型壁面时，就会粘附到壁面上，而且已粘附的氧化夹渣对后续累积过程产生影响。图4是按照本发明的优选实施例所构建的壁面上氧化夹渣粘附和累积过程示意图，如图4所示，壁面上氧化夹渣粘附和累积过程。因此，计算过程中需单独处理壁面氧化夹渣的粘附和累积过程。

将铸型进行网格划分，其中壁面被划分为多个网格单元，对于每个网格单元，从数值模拟的角度分析，壁面相邻单元的氧化夹渣会逐步粘附到壁面上，一旦壁面氧化夹渣密度超过一定临界值，壁面便无法继续积累氧化夹渣，采用下式控制壁面氧化夹渣分布：

式中，χ_wallCurrent是当前壁面单元氧化夹渣密度，单位是kg/m³，χ_wallBefore是上一时刻壁面单元氧化夹渣密度，单位是kg/m³，χ_wallCell为壁面相邻单元当前氧化夹渣密度，χ_wallCritical是壁面临界氧化夹渣密度，由实际生产确定的常量，代表壁面粘附氧化夹渣的能力，单位是kg/m³。(3)氧化夹渣运动追踪

在对氧化夹渣运动追踪进行说明之前，需要对本发明所做的一些模型假设进行申明：①对于指定了相同的壁面临界氧化夹渣密度值的壁面区域，认为其氧化夹渣粘附能力和极限是一致的；②对于液态金属内部的氧化夹渣，认为其跟随流体运动，且对流体运动不产生影响；③认为当铸件从铸型中取出之后，充型过程中粘附在铸型壁面上的氧化夹渣，最终会全部粘在铸件表面。

在获得氧化夹渣缺陷生成速率计算模型(式(6))和壁面粘附模型(式(7)后，采用输运方程追踪铸造充型过程中氧化夹渣的运动：

式中，χ为随时间变化的单元当前氧化夹渣密度，kg/m³；t为时间，s；U为单元速度，m/s。通过定量化指标χ即可直接得到铸件不同部位氧化夹渣缺陷的多少。

(4)应用实例

为了说明本发明所提出的氧化夹渣预测方法的实用性，针对实际铜合金低压铸造工艺，采用所提出的流动过程氧化夹渣预测模型进行计算，分析其充型及氧化夹渣演变过程。图5是按照本发明的优选实施例所构建的所采用的低压铸造工艺采用的铸型的几何及网格模型，如图5所示，采用的低压铸造工艺的几何及网格模型，铸件的整体尺寸为：217×50×535mm，其中铸件本体为壁厚为4mm的弯曲管状结构。

图6是按照本发明的优选实施例所构建的不同部位处壁面氧化夹渣缺陷模拟结果与实际铸件表面形态对比图，如图6所示，为不同部位处壁面最终氧化夹渣缺陷模拟结果与实际铸件表面形态对比。由于金属液在升液管内流动时生成了大量氧化夹渣，且只有少量粘附至壁面，当金属液流至测浇道时，大量氧化夹渣会直接接触壁面，使得测浇道A和测浇道B壁面粘附较多氧化夹渣，且主要集中在流道上部。由于测浇道A直径明显大于测浇道B，使得较多氧化夹渣进入测浇道A，从而使得内浇道a壁面处所粘附的氧化夹渣较内浇道b多。因此，本发明所提出的氧化夹渣预测方法可以定量化分析铸造充型过程中氧化夹渣缺陷，提高铸造过程数值模拟技术的实用性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，该追踪方法包括下列步骤：

(a)获取铸件表面和内部的影响因子

针对铸造充型的铸件，将其划分为铸件内部和表面两个部分，采用有限元网格划分的方法将所述两个部分分别划分为多个单元,获取影响铸件内部和表面氧化夹渣生成的多个影响因子并确定每个影响因子各自的表达式，其中，所述多个影响因子包括充型所用的金属液与空气的接触程度，充型温度和单元当前氧化夹渣密度；

(b)修正铸件表面单元的当前氧化夹渣密度影响因子

将与铸件表面接触的壁面采用有限元网格划分的方法划分为多个网格壁面单元，并根据壁面氧化夹渣密度超过临界值便无法继续积累的特性，构建所述壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的表达式；

对于所述铸件表面，构建铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ_facecurrent、修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent以及壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的关系式(一)，并由此获得修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent，将该修正后的铸件表面单元当前氧化渣密度χ'_facecurrent代入步骤(a)获得的铸件表面单元当前氧化夹渣因子的表达式中获得修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度影响因子；

(c)氧化夹渣运动的追踪

假设一，对于具有相同的壁面临界氧化夹渣密度值的壁面区域，其氧化夹渣粘附能力和粘附极限一致；

假设二，所述铸件内部的氧化夹渣随充型所用的金属液运动，且不影响所述金属液运动；

假设三，铸件从铸型中取出时，充型过程中粘附在铸型壁面上的氧化夹渣最终会全部粘在铸件表面；

基于所述假设一、二和三，并根据所述铸件内部和表面单元的影响因子的表达式，采用运输方程构建运输过程中氧化夹渣的运动方程，其中，所述铸件表面的单元采用修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度影响因子，由此实现所述氧化渣运动的追踪。

2.如权利要求1所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(a)中，利用所述多个影响因子，还可构建单元氧化夹渣生成速率S_χ的模型，该模型对于铸件内部和表面单元均适用，该模型优选按照下列表达式进行，

其中，A_χ为单元氧化夹渣生成速率常量，S_α是单元充型所用的金属液与空气的接触程度影响因子，S_T是单元充型温度影响因子，是单元当前氧化夹渣密度影响因子。

3.如权利要求1或2所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述充型所用的金属液与空气的接触程度影响因子S_α优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

S_α＝α(1-α)

其中，α是金属相体积比。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述充型温度影响因子优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

其中，T_solid是单元充型所用的金属液的固相线温度，T_liquid是单元充型所用的金属液的液相线温度，T是单元温度。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述当前氧化夹渣密度影响因子优选采用下列表达式，该表达式对于铸件内部和表面单元均适用，

其中，χ_current是单元当前氧化夹渣密度，χ_critical是单元临界氧化夹渣密度。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的表达式优选按照下列表达式，

其中，χ_wallCurrent是当前壁面单元氧化夹渣密度，χ_wallBefore是上一时刻壁面单元氧化夹渣密度，χ_wallCell为壁面相邻单元当前氧化夹渣密度，χ_wallCritical是壁面临界氧化夹渣密度，由实际生产确定的常量。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述构建铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ_facecurrent、修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度χ'_facecurrent以及壁面单元当前氧化夹渣密度χ_wallcurrent的关系式(一)中，所述关系式(一)优选采用下列表达式，

χ′_facecurrent＝χ_facecurrent-χ_wallcurrent+χ_wallbefore

其中，χ_wallbefore是壁面单元上一时刻氧化夹渣密度。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种铸造充型过程中氧化夹渣运动的追踪方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述采用运输方程构建运输过程中氧化夹渣的运动方程优选采用下列表达式，

其中，χ是关于时间t的单元氧化夹渣密度变量；U为单元充型的速度，对于铸件内部的单元而言，是单元当前氧化夹渣密度，对于铸件表面单元，是修正后的铸件表面单元当前氧化夹渣密度。