熔铸锆刚玉材料冷却过程模拟研究

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熔铸锆刚玉耐火材料是玻璃窑炉极为重要的筑窑材料。由于玻璃行业发展减缓和新玻璃熔化技术的应用,对耐火材料的要求更加苛刻。而生产熔铸耐火材料的冷却退火阶段容易产生裂纹、掉角等缺陷,降低产品合格率。通过实验改进上述问题,成本高、耗时长、不易定性分析。因此,本文选用计算机模拟软件COMSOL Multiphysics,对熔铸AZS33耐火砖进行冷却凝固过程模拟计算,研究铸型材料及其厚度对冷却过程中最高温度、最大热通量以及最大热应力分布的影响,主要结论有:(1)铸件凝固顺序从角部逐渐向铸件中心扩展,结晶粒度从角部向几何中心逐渐增大;砂型厚度增大,完全凝固所需的时间越短,较大热通量的分布面积越大,有利于快速降温和形成细小的结晶结构。铸件在长度方向1/4和3/4处较早达到中期热应力峰值。(2)采用Si02砂型时,冷却速度最慢,热应力集中现象比较严重,采用4cm厚砂型中期热应力高达227MPa。(3)采用刚玉砂型时,冷却过程中较大热通量分布相对较均匀,冷却时间较短,更有利于形成结晶细小的较均匀的材料显微结构;最佳厚度为5cm-6cm,使中期最大热应力峰值降低到125MPa,对减少产品表面裂纹和提高产品的合格率有利。(4)铸铁型厚度越大,凝固时间越短,同时结晶越均匀,冷却中期热应力峰值越小,对减少产品表面裂纹和提高产品的合格率更为有利。(5)石墨型使铸件凝固时间较长,最大热通量分布不如铸铁和刚玉均匀。铸件冷却中期热应力峰值较大,不利于减少裂纹。(6)比较四种材料,采用刚玉和铸铁型时,铸件凝固时间较短,热通量分布较均匀,结晶较为细密,同时冷却中期热应力的峰值较低,铸件不易产生裂纹。如果同时考虑铸型对铸件表面的污染问题,采用刚玉砂型最佳。将模拟计算结果与已有模拟结果和实际生产情况进行对比分析,验证了模型和模拟计算结果的正确性。
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