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大型铸钢件凝固过程数值模拟参数值优化

作　者: 李建强
导　师: 吴士平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 大型铸钢件 数据库 界面换热系数 缩孔缩松预测 Niyama判据临界值
分类号: TG260
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本研究以ZG0Cr13Ni4Mo、ZG230-450两种典型材料大型铸钢件铸造成形为背景,建立了供大型铸钢件凝固过程数值模拟使用的材料参数数据库,并通过实验测量获得了两种典型材料的热物性参数。同时设计了大型铸钢件试验模型,通过采用ProCAST反算方法,结合实际浇注铸件,获得了大型铸钢件凝固过程铸件-铸型界面换热系数随温度变化的规律。使用该试验件,采用对比方法获得了两种典型材料大型铸钢件缩孔缩松预测的Niyama判据临界值。研究获得的参数在大型机架的凝固数值模拟及工艺优化中得到了应用,为采用数值模拟技术指导大型铸钢件的生产提供了准确的参数。数据库技术在凝固数值模拟中应用可以显著提高模拟的精度和效率,本研究以关系数据库模型为基础,利用ACESS数据库管理系统建立了大型铸钢件材料热物性参数数据库。该数据库可以查询大型铸钢件凝固过程数值模拟所涉及的常用铸钢材料、铸型材料和保温耐火材料的热物性参数以及本研究得到的铸件与铸型之间界面换热系数和预测缩孔缩松的判据临界值。同时采用激光闪射法技术实测了ZG0Cr13Ni4Mo和ZG230-450的热物性参数,并借鉴其它计算软件和相关文献资料建立了数据库的材料热物性参数数据。本研究设计并浇注了具有大型铸钢件尺寸特征的试验件,通过现场测量了铸件凝固过程中典型界面附近的铸件与铸型温度场,利用ProCAST软件的反算模块计算得到了不同温度下铸件与铸型之间的界面换热系数。同时测量了界面处气体间隙的尺寸变化,并研究了界面换热系数随气隙宽度的变化规律。本研究使用超声波探伤设备检测了ZG0Cr13Ni4Mo和ZG230-450试验件的缩孔缩松分布,通过与ProCAST软件的模拟预测结果对比的方法,确定了两种铸钢材料预测大型铸钢件缩孔缩松的Niyama判据临界值。在此基础上,本研究利用所得的热物性参数和界面换热系数计算了大型机架两种冷铁放置工艺方案的温度场,并以研究所得的临界判据值预测了两种方案的缩松情况,最终得出改善的工艺方案。本研究解决了大型铸钢件采用数值模拟预测缩孔缩松的关键参数问题,对提高大型铸钢件生产具有理论指导重要意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 大型铸件铸造过程数值模拟技术的发展应用概况  10-13
    1.2.1 铸造数值模拟技术的国内外发展概况  10-12
    1.2.2 大型铸钢件凝固过程数值模拟研究的发展应用现状  12-13
  1.3 铸造凝固过程模拟中相关计算参数的研究状况  13-18
    1.3.1 材料热物性参数数据库  13-15
    1.3.2 界面换热系数的研究发展现状  15-18
  1.4 铸钢件缩孔缩松预测的研究发展现状  18
  1.5 本课题的主要研究内容  18-19
第2章 材料热物性参数数据库的建立  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 数据库软件ACESS简介  19-20
    2.2.1 ACESS概述  19
    2.2.2 ACESS的基本对象  19-20
  2.3 材料热物性参数数据库结构的建立  20-28
    2.3.1 数据库的数据框架结构  20-21
    2.3.2 数据表的结构  21-23
    2.3.3 材料热物性参数模块的设计  23-25
    2.3.4 界面换热系数模块的设计  25-27
    2.3.5 缩孔缩松判据值模块的设计  27-28
  2.4 材料热物性参数数据的建立  28-32
    2.4.1 典型铸钢材料热物性参数的测量  28-31
    2.4.2 PROCAST软件的计算  31-32
  2.5 本章小结  32-34
第3章 铸件与铸型间换热系数的研究  34-50
  3.1 引言  34
  3.2 反算法计算数学模型  34-36
    3.2.1 热传导反问题概述  34-35
    3.2.2 界面换热系数反算数学模型及求解  35-36
  3.3 大型铸钢件界面换热系数参数实验  36-42
    3.3.1 实验件模型及实验方案  36-37
    3.3.2 温度数据采集  37-39
    3.3.3 界面气体间隙宽度测量方案  39-40
    3.3.4 实验测量结果  40-42
  3.4 PROCAST反算界面换热系数  42-48
    3.4.1 前处理  42-45
    3.4.2 PROCAST反算模型  45-47
    3.4.3 界面换热系数计算结果  47-48
  3.5 界面换热系数与气隙的关系  48-49
  3.6 本章小结  49-50
第4章 大型铸钢件缩孔缩松预测判据值及大型机架工艺优化  50-62
  4.1 引言  50
  4.2 大型铸钢件NIYAMA判据临界值的确定  50-55
    4.2.1 NIYAMA判据数学模型  50-51
    4.2.2 实验件的缩孔缩松位置和分布检测  51-52
    4.2.3 PROCAST软件缩松判据  52-54
    4.2.4 NIYAMA判据值的定量化  54-55
  4.3 大型机架铸造工艺改善  55-61
    4.3.1 大型机架及其铸造工艺  56-57
    4.3.2 数值模拟前处理  57-58
    4.3.3 两种工艺方案凝固过程对比  58-60
    4.3.4 两种工艺方案缩孔缩松预测  60-61
  4.5 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
附录1 探伤检测报告  67-73
附录2 大型机架铸造工艺图  73-74
附录3 大型机架探伤检测报告  74-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 钢件铸造 > 一般性问题
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