影響316l不銹鋼無縫管冷卻的相關因素

我們在考慮壓鑄316l不銹鋼無縫管的設計和使用時，往往較多的是考慮如何生產出幾何形狀符合要求的鑄件。如果我們換一個觀測點，從傳熱學的觀點來看壓鑄機，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，在極短的時間內釋放出大量的熱量，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，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，經過一段時間，在二者的作用下在一溫度達到一個平衡點，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定生產是很重要。鑄造質量和生產率在很大程度上取決于316l不銹鋼無縫管熱控制能力，這已經被越來越多的壓鑄工作者所認識。

我們假設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，對流和傳導給壓鑄機的熱量為q4，那么我們可以得出： q0=q1+q2+q3+q4

或者 q0-q1=q2+q3+q4

在進入熱量平衡狀態后，316l不銹鋼無縫管就應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

在考慮對316l不銹鋼無縫管進行熱平衡時，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，而且在一個循環周期內溫度也是變化的，為了現場測量的方便，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，這個平衡點應該控制在合金澆注溫度的40%—50%的范圍內。以使用zl102合金生產鑄件為例，設定其澆注溫度為6500c，那么316l不銹鋼無縫管的溫度根據鑄件的壁厚應控制在2600c到3250c內，如是薄壁零件應控制在上限，厚壁零件控制在下限，模溫低于2600c時，易產生夾渣，冷隔，縮裂等鑄造缺陷，模溫超過3250c，合金的冷凝速度將變慢，鑄件容易產生縮孔，氣孔和粘模的現象。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，這就需要在設計冷卻系統時根據鑄件的形狀，各部位的要求和生產周期來綜合考慮。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。在實際的生產中往往出現由于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。使生產過程的控制增加了不穩定因素，這樣就增加了操作的周期，又不必要的浪費了涂料，還由于在一個生產循環周期內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生的應力，提前出現開裂從而降低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應設置利用熱電偶來控制制冷卻水管電磁閥開關的溫度自動控制裝置。

在設置316l不銹鋼無縫管冷卻系統時，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，我們可以用傳熱學的公式進行計算：

q0=mc

其中m—為單位時間內注入316l不銹鋼無縫管的合金總質量

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傳給壓鑄機的熱量約占q0的35%，在確定冷卻系統設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

δt—為冷卻水的溫差，一般計算取200c

t—冷卻時間

由此我們可以根據需要的水道的總面積求出保持熱平衡時冷卻水管的數量，長度和直徑。但是這種計算是很繁瑣的，在當前使用的各種cae軟件中，都已經能很好的對316l不銹鋼無縫管的熱平衡模擬和計算，能夠幫助設計者準確的確定冷卻水管的位置和數量，這已經成為今后316l不銹鋼無縫管設計的發展方向。但要想使用計算機進行模擬，則必需先對鑄件和316l不銹鋼無縫管建立數學模型才能進行。這對國內一般的316l不銹鋼無縫管生產工廠來說由于316l不銹鋼無縫管的結構設計盡管已經使用了cad，但還是停留在二維設計階段，加之316l不銹鋼無縫管生產周期緊，人員素質等原因，目前還很難做到使用計算機進行冷系統設計模擬。同時由于壓鑄生產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，冷卻水管的設計依據經驗的份量還很重要。

根據粗略的計算和經驗對冷卻水管的設置也能滿足一般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行冷卻外應在動定模的澆口附近各設置一個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，應在動定模產品靠近內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，再相應增加冷卻水道或改變冷卻水道的形狀，把直道變成“l”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設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，內澆口，鑄件厚大及突出部位的冷卻。點冷卻由于數量較多，為了拆裝316l不銹鋼無縫管方便應設置集水管以方便操作，排水用的集水管位置應高于316l不銹鋼無縫管，使316l不銹鋼無縫管內的冷卻水管經常注滿，最好把澆口套，分流錐和澆口部分的點冷卻水路設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的幾模僅給沖頭通水，幾模以后應給澆口套和分流錐通少量的水，十模以后給內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端冷卻水管，并根據出水口的水溫上逐步加大冷卻水量，使之達到平衡溫度點。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。生產時水路不要中斷，停機時要關掉水管。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。冷卻水應使用軟水，硬水會發生水垢，降低冷卻效率，嚴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