某企业生产的四辊破碎机辊子轮廓尺寸为φ916mm x715mm，质量为1820 kg，材料为ZG35CrMnSi，其三维模型如图1所示。辊子在工作中承受严重磨损、挤压作用，质量要求严格，铸件不得有缩孔、缩松、气孔、裂纹缺陷。生产中，切除冒口，进行粗加工后，发现大量辊子中存在缩孔、缩松缺陷，说明胃口补缩效果不理想。这些缺陷严重影响了铸件质量，成为制约生产和延误交货期的主要问题。其缺陷如图2所示。
本文运用View Cast模拟软件对破碎机辊子的原工艺凝固过程进行了模拟分析，预测了缺陷产生的位置及原因，并根据模拟结果进行工艺优化，确定冒口和冷铁的合适尺寸及位置，消除了辊子上部的缩孔、缩松缺陷，保证了铸件质量，提高了企业效益。
1、原工艺方案及模拟结果
1.1原工艺简介
原制作工艺如下：①采用简易浇注系统。即采用内浇道底返工艺，通过直浇道和横浇道把钢水引到铸件底部，再由内浇道从底部注入型腔。选用漏包浇注．包孔直径为φ40mm；采用1个直浇道，尺寸为φ60mm;横浇道1个，尺寸为φ60 mm;内浇道1个，尺寸为(b70 mm。②分型面选择在辊子底面。③浇注温度为1580℃。④在辊子顶面边侧对称设置两个圆柱形冒口，尺寸为+360mmx360mm，冒口颈尺寸为咖260 mmx50 mm。⑤在辊子底部厚大部位沿筒壁外侧设置一圈冷铁，厚度为100mm。
1.2原始工艺模拟及结果分析
将实体模型转化为STL格式文件，导入View Cast模拟软件进行实体网格划分，网格数2117377。铸件平均壁厚90 mm，材料为ZG35CrMnSi，液相线1494.3℃，固相线1403.8℃，使用树脂砂造型，浇注温度1580℃。界面传热系数1100W/(m2.k)，铸型初始温度25℃。对原始方案的温度场进行了模拟，通过凝固计算预测出可能出现缺陷的地方。
图4是凝固模拟计算的结果，深色表示未凝固或半固态，浅色表示已经完全凝固。可以看出，当凝固时间进行到t=620s时，辊子底部安放冷铁处和浇注系统开始凝固，见图4(a)；当t=1260s时，浇注系统即将结束凝固，凝固过程从辊子底部依次向上进行，见图4(b)；当t=6000s时，冒口不断对钢液的凝固收缩进行补足，铸件内出现了补缩“瓶颈”，钢液即将分隔为孤立部分，见图4(c)；当t=6100s时，出现4部分孤立液相区，两部分体积较大的孤立液相区的凝固收缩继续由两冒口补足，中间两部分微小孤立液相区的补缩通道已断开，凝固收缩失去了冒口的补足，凝固后期很可能出现缩孔、缩松缺陷，见图4(d)；当t=7600s时，孤立液相区继续向上扩展，见图4 (e)；当t=8400s时，在凝固最后阶段，孤立液相区出现在铸件和胃口颈结合处，由于钢液的体积收缩，此处会出现缩孔、缩松缺陷，见图4(f)。原始工艺缩孔、缩松出现的位置如图5所示。可以看出，缩孔、缩松出现在冒口颈和铸件的结合处以及两部分微小孤立液相区残留的区域，模拟结果比较符合实际生产。
2、优化工艺及模拟结果
2.1工艺优化
根据实际生产情况和模拟结果，认为缺陷是由于树枝状晶体形成骨架时，宏观补缩通道被堵塞，致使树枝状晶体分割包围的液体部分形成微观缩松嘲，冒口补缩不足和补缩通道不畅共同造成了缩孔、缩松缺陷。该辊子工艺改进的要点是消除凝固过程中出现的孤立液相区，使工艺系统能按照要求采取凝固方式，通过增加冒口或者冷铁使中间部分最先凝固，然后是两边，冒口最后凝固，将缺陷留在冒口之中。
根据铸件结构和缺陷分布状况不需要增加冒口数量来进行补缩，只需要适当增大冒口尺寸，将冒口尺寸改为咖410mmx410mm．冒口颈尺寸改为+300mmx80mm。从模拟结果可以看出，浇注系统对应的辊子中间部位有微量孤立液相区存在，可以考虑增设冷铁，降低此处的铸件模数，改变温度梯度，实现从铸件到冒口的顺序凝固。以增大冒口的补缩距离。为此，在辊子中间部位下部设置两块对称的外冷铁，厚度为60mm，形状和铸件轮廓相应，材质和铸件一致。优化的工艺如图6所示。
2.2优化工艺模拟及结果分析
将优化工艺的三维模型转化为STL格式文件，导入ViewCast软件，对其进行网格剖分和参数设置，对铸件的凝固过程再次进行数值模拟，结果见图7。深色表示未凝固或半固态，浅色表示已经完全凝固。可以看出，当凝固时间进行到￡=1200s时．辊子底部安放冷铁处和浇注系统即将结束凝固，凝同过程依次向上扩展，见图7(a)、(b)；当t=4420s时。辊子增设冷铁的中间部位首先凝固，原工艺中出现的两部分微小孤立液相区已经消失，铸件中出现两部位大体积的孤立液相区，分别由两冒口进行补缩，显著的增加了冒口的补缩距离，凝固过程开始从辊子中部向两端进行，符合设计思路，见图7(c)；当t=9600s时，孤立液相区出现在冒口颈根部和铸件结合部位并继续向上延伸，见图7(e)；当t=9900s时，凝固已经接近结束，铸件已经全部凝固，孤立液相区出现在冒口中，能够有效的补缩铸件，实现了从铸件到冒口的顺序凝同。
优化工艺模拟的缺陷预测如图8所示，铸件内部没有发现缩孔、缩松缺陷，缩孑L、缩松已经转移到了冒口中。采用优化后的工艺进行了生产，得到了没有缩松、缩孔缺陷的优质铸件，有效地解决生产过程中出现的问题。冷铁使得远离胃口的部位先凝固，冒口使得整个铸件形成一个正的温度梯度，有利于铸件实现顺序凝固。
3、结论
(1)运用View Cast软件对四辊破碎机辊子初始工艺进行了模拟和分析，准确预测了产生的缩孔、缩松缺陷，初始工艺产生缺陷是由冒口尺寸不够和补缩通道不畅造成的。
(2)借助ViewCast软件进行铸造工艺优化，将两冒口尺寸适当增大，同时在与浇注系统对应的辊子中部对称增设两块外冷铁，降低此处模数，实现了铸件先自下而上，再从中部到两边的顺序凝固，大大延长了冒口的补缩距离，提高了工艺出品率，获得了组织致密的铸件。
相关矿山机械设备：
1、圆锥破碎机
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