影響316l不銹鋼無縫管冷卻的相關(guān)因素

我們在考慮壓鑄316l不銹鋼無縫管的設(shè)計和使用時，往往較多的是考慮如何生產(chǎn)出幾何形狀符合要求的鑄件。如果我們換一個觀測點，從傳熱學(xué)的觀點來看壓鑄機(jī)，把它看作是一個熱量交換器，一方面我們把熔融的金屬注入316l不銹鋼無縫管型腔內(nèi)，在極短的時間內(nèi)釋放出大量的熱量，促使316l不銹鋼無縫管的溫度提高；另一方面，316l不銹鋼無縫管通過傳導(dǎo)，輻射以及對流的方法其中包括我們對316l不銹鋼無縫管的噴及水冷吸收部分熱量，使316l不銹鋼無縫管溫度下降，經(jīng)過一段時間，在二者的作用下在一溫度達(dá)到一個平衡點，這時316l不銹鋼無縫管的溫度就不上也不下降，這一個平衡點的溫度對穩(wěn)定生產(chǎn)是很重要。鑄造質(zhì)量和生產(chǎn)率在很大程度上取決于316l不銹鋼無縫管熱控制能力，這已經(jīng)被越來越多的壓鑄工作者所認(rèn)識。

我們假設(shè)每一次壓射合金液帶給316l不銹鋼無縫管的熱量為q0，在頂出鑄件時由鑄件帶走的熱量為q1，積蓄到316l不銹鋼無縫管上的熱量為q2，冷卻水帶走的熱量為q3，通過噴凃，對流和傳導(dǎo)給壓鑄機(jī)的熱量為q4，那么我們可以得出： q0=q1+q2+q3+q4

或者 q0-q1=q2+q3+q4

在進(jìn)入熱量平衡狀態(tài)后，316l不銹鋼無縫管就應(yīng)是停留在一個固定的溫度，即q2=0，因此上式也可以寫成：

q0-q1=q3+q4=常數(shù)

在考慮對316l不銹鋼無縫管進(jìn)行熱平衡時，先要確定這個平衡點的溫度是多少才是合理，由于316l不銹鋼無縫管各個部位存在溫度梯度，而且在一個循環(huán)周期內(nèi)溫度也是變化的，為了現(xiàn)場測量的方便，可以把取出鑄件時型腔附近的316l不銹鋼無縫管表面溫度來作為平衡點的溫度，考慮到鑄件壁厚的差別，這個平衡點應(yīng)該控制在合金澆注溫度的40%—50%的范圍內(nèi)。以使用zl102合金生產(chǎn)鑄件為例，設(shè)定其澆注溫度為6500c，那么316l不銹鋼無縫管的溫度根據(jù)鑄件的壁厚應(yīng)控制在2600c到3250c內(nèi)，如是薄壁零件應(yīng)控制在上限，厚壁零件控制在下限，模溫低于2600c時，易產(chǎn)生夾渣，冷隔，縮裂等鑄造缺陷，模溫超過3250c，合金的冷凝速度將變慢，鑄件容易產(chǎn)生縮孔，氣孔和粘模的現(xiàn)象。這里有個矛盾，因薄壁鑄件需要316l不銹鋼無縫管溫度較高些，而鑄件由于薄壁金屬液具有的熱量很少，難以保持較高的模溫，相反厚壁鑄件希望模溫低，由于鑄件壁厚熱量大而難以保持較低的模溫，這就需要在設(shè)計冷卻系統(tǒng)時根據(jù)鑄件的形狀，各部位的要求和生產(chǎn)周期來綜合考慮。如對薄壁鑄件在考慮冷卻前，先通過增加遠(yuǎn)端的集渣包來提高模溫，然后再用冷卻水來保持模溫。在實際的生產(chǎn)中往往出現(xiàn)由于316l不銹鋼無縫管的冷卻能力不足，操作者采用延長噴澮時間來降低模溫。使生產(chǎn)過程的控制增加了不穩(wěn)定因素，這樣就增加了操作的周期，又不必要的浪費了涂料，還由于在一個生產(chǎn)循環(huán)周期內(nèi)316l不銹鋼無縫管溫度變化過大而加大316l不銹鋼無縫管熱疲勞產(chǎn)生的應(yīng)力，提前出現(xiàn)開裂從而降低316l不銹鋼無縫管壽命。

為了能自動控制平衡點的溫度，對要求比較高的316l不銹鋼無縫管型腔內(nèi)應(yīng)設(shè)置利用熱電偶來控制制冷卻水管電磁閥開關(guān)的溫度自動控制裝置。

在設(shè)置316l不銹鋼無縫管冷卻系統(tǒng)時，首先要考慮316l不銹鋼無縫管總體的熱平衡，如何確定316l不銹鋼無縫管總體的熱平衡，我們可以用傳熱學(xué)的公式進(jìn)行計算：

q0=mc

其中m—為單位時間內(nèi)注入316l不銹鋼無縫管的合金總質(zhì)量

c—為合金的熱容量

t1，t2—為合金澆入時和開模時的溫度

由于熱量通過輻射和對流的方法帶走的相對較少，約占q0的5%，而316l不銹鋼無縫管通過傳導(dǎo)傳給壓鑄機(jī)的熱量約占q0的35%，在確定冷卻系統(tǒng)設(shè)計的時候可以作為不變的因素來考慮，把剩余的熱量都由用水做介質(zhì)的冷卻管來帶走，則單位時間需要的冷卻水量為：

ｍ=bq0×0.6/ c2(t3-t4)

其中c2—為水的熱容量

t3—出水溫度

t4—進(jìn)水溫度

b—常取0.95

由此可求出需要的水道的總傳熱面積:

a=bq0×0.6/kaδtt

其中k—為水對管壁的鏡膜傳熱系數(shù)

δt—為冷卻水的溫差，一般計算取200c

t—冷卻時間

由此我們可以根據(jù)需要的水道的總面積求出保持熱平衡時冷卻水管的數(shù)量，長度和直徑。但是這種計算是很繁瑣的，在當(dāng)前使用的各種cae軟件中，都已經(jīng)能很好的對316l不銹鋼無縫管的熱平衡模擬和計算，能夠幫助設(shè)計者準(zhǔn)確的確定冷卻水管的位置和數(shù)量，這已經(jīng)成為今后316l不銹鋼無縫管設(shè)計的發(fā)展方向。但要想使用計算機(jī)進(jìn)行模擬，則必需先對鑄件和316l不銹鋼無縫管建立數(shù)學(xué)模型才能進(jìn)行。這對國內(nèi)一般的316l不銹鋼無縫管生產(chǎn)工廠來說由于316l不銹鋼無縫管的結(jié)構(gòu)設(shè)計盡管已經(jīng)使用了cad，但還是停留在二維設(shè)計階段，加之316l不銹鋼無縫管生產(chǎn)周期緊，人員素質(zhì)等原因，目前還很難做到使用計算機(jī)進(jìn)行冷系統(tǒng)設(shè)計模擬。同時由于壓鑄生產(chǎn)中的很多不確定因素，如冷卻水溫，水壓的變動，噴涂時間的隨意性，冷卻水管的設(shè)計依據(jù)經(jīng)驗的份量還很重要。

根據(jù)粗略的計算和經(jīng)驗對冷卻水管的設(shè)置也能滿足一般316l不銹鋼無縫管的要求，可按下面的方法進(jìn)行：對于一次澆注合金總量在150克以下時，可只對澆口和分流錐進(jìn)行冷卻；一次繞注合金總量在150克—250克時，除了澆口套和分流錐進(jìn)行冷卻外應(yīng)在動定模的澆口附近各設(shè)置一個1/4”的冷卻道或2個點冷卻；一次澆注合金總量在250克—500克時，應(yīng)在動定模產(chǎn)品靠近內(nèi)澆口附近再增加一個1/4”的冷卻道或2—3個點冷卻；大于500克時，再相應(yīng)增加冷卻水道或改變冷卻水道的形狀，把直道變成“l(fā)”形或“u”形，把管徑改為3/8“從而增加冷卻面積。對于316l不銹鋼無縫管上較大的滑塊和大于25mm受熱較大的型芯也應(yīng)設(shè)置直道冷卻或點冷卻。冷卻管離型腔或澆道的距離一般在20-32mm，在分流錐和內(nèi)澆口處熱量集中處可近一點，但最小也要大于冷卻管的直徑。

點冷卻在和直道冷卻相比時，在相同冷卻面積時冷卻效率能大一倍，故更多的用于澆道，內(nèi)澆口，鑄件厚大及突出部位的冷卻。點冷卻由于數(shù)量較多，為了拆裝316l不銹鋼無縫管方便應(yīng)設(shè)置集水管以方便操作，排水用的集水管位置應(yīng)高于316l不銹鋼無縫管，使316l不銹鋼無縫管內(nèi)的冷卻水管經(jīng)常注滿，最好把澆口套，分流錐和澆口部分的點冷卻水路設(shè)計成獨立而越來越受到重視。在有些不便使用水冷卻的型芯上，可以考慮設(shè)置熱管，因熱管的傳熱效果是316l不銹鋼無縫管鋼的十多倍，但由于采購上的困難還是很少采用。

一個好的設(shè)計方案還需要正確的使用方法才能有效果，推薦的冷卻水的使用方法順序開啟，逐步到位，具體操作如下；冷316l不銹鋼無縫管在最初生產(chǎn)的幾模僅給沖頭通水，幾模以后應(yīng)給澆口套和分流錐通少量的水，十模以后給內(nèi)澆口附近的水管或點冷卻通水并加大澆口套和分流錐的水量，之后逐步打開鑄件的遠(yuǎn)端冷卻水管，并根據(jù)出水口的水溫上逐步加大冷卻水量，使之達(dá)到平衡溫度點。要注意動定模出水口的水不溫，盡量使三者溫差要小，要均勻。生產(chǎn)時水路不要中斷，停機(jī)時要關(guān)掉水管。要避免冬季在模溫很高時突然通入溫度很低的水，這時往往是316l不銹鋼無縫管提前開裂的原因之一。冷卻水應(yīng)使用軟水，硬水會發(fā)生水垢，降低冷卻效率，嚴(yán)重的會堵塞冷卻孔使至完全失效。

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2015年7月6日

山東省龍川鋼管制品有限公司