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摘要： 文章通过分别对型砂冷却技术和数值模拟技术的探讨，提出了一种利用型砂自然对流冷却数值模拟技术来研究型砂冷却的方法，它解决了型砂冷却实验研究步骤复杂而且成本高昂的问题，有效提高了设计效率，降低了企业研发成本。
Abstract： Through discussing foundry sand cooling technology and the numerical simulation technology respectively， this paper puts forward a way to study the method of foundry sand cooling by means of using numerical simulation technology of foundry sand natural convection cooling. It solves the problems that foundry sand cooling experiment steps is complex and costly， improves the design efficiency， reduces the enterprise research and development costs.
关键词： 型砂；自然对流冷却；数值模拟
Key words： foundry sand；natural convection cooling；the numerical simulation
1006-4311（2013）21-0027-02
0 引言
我国是铸件生产大国，铸造技术在我国已有6000多年的历史，特别是伴随着近现代工业的快速发展，铸造技术已经广泛应用于社会生活的各个方面。鉴于我国铸造业巨大的规模，因而每年废弃的铸造旧砂量是十分可观的。在这样的大背景下，型砂再生技术应运而生。型砂再生主要是对旧砂进行磁选、破碎、筛分、冷却等处理后，去除旧砂中的部分微粉，然后再加入一定量的新砂进行混合，以得到符合工艺需求的新型砂。这样处理极大减少了新砂使用量，不但环保，而且经济性好。然而对于型砂再生技术，影响型砂循环周期最关键的一环就是型砂冷却速度的快慢，它直接决定了铸造生产效率的高低。针对型砂冷却速度慢和提高生产效率的矛盾，文章旨在通过数值模拟的方法，对型砂的自然对流冷却进行深入的探讨。
其中以沸腾冷却床的效果最为明显，其是通过给料装置将经过筛后的热型砂均匀地加入到沸腾冷却床的鱼鳞板上，在鱼鳞板上形成80-120mm厚度的砂层。旧砂沿着震动方向前进的同时，鼓风系统将冷风鼓入沸腾冷却床下部的风室内，然后通过鱼鳞板的小孔，不断地吹向旧砂层，使热砂呈沸腾状态，由此进行充分的热交换使砂子冷却；吸收了砂子热量的空气由抽风装置抽走。为了进一步提高冷却效果，新一代沸腾冷却床还配有由多个不同通径的阀构成加水系统。加水系统通过料层的厚度和进出的热型砂的温度来控制加水量，加水量的变化和数量则由阀的开启顺序和数量自动调节，这样以有效利用水的潜热来进一步提高冷却效果。
此外比较常见的还有双盘冷却机，其是将进入冷却盘体内的旧砂和粘土等，由两个旋转方向相反的搅拌装置抛起，为了使砂充分搅拌，砂层呈波浪式的翻腾状态。每个搅拌装置上有刮板、内刮板和外刮板，且有角度要求。在搅拌的同时，由鼓风系统鼓入的冷空气经半环状的进风通道和导风口分别进入双盘底侧。冷空气以一定的风压和风速吹射到抛起的砂子表面，翻腾着的砂子与冷空气充分接触进行交换，空气吸取砂子的热量后由抽风装置将其抽走。生产实际中，部分双盘冷却机也带有加水系统，同样是利用水的潜热来进一步提高冷却效果。
2.1 实验测定 实验研究是冷却研究最基本的研究方法，但是实验测定往往成本较高，经济性并不好，现在已较少使用，只是在数值模拟结果验证方面使用。
三种方法各具特点，巧妙结合运用既相互补充又相得益彰，已经形成了一个有机的整体，并在工程实际中经常结合使用。
沸腾冷却床冷却效果好，但是其经济性较差。若从提高经济性的方面考虑，就一定要减少配套设备中的耗能单元。因此，利用无耗能的空气自然对流并区别于摊晒型砂冷却的型砂冷却方式进行冷却具有相当的研究价值。
目前，空气自然对流的数值模拟技术已经相对比较成熟，在铸造生产中也有一定应用，然而在铸造生产中，数值模拟的应用还主要集中在对铸造过程的研究，而对型砂自然对流冷却研究的相关报道还很少。比如：贵研铂业股份有限公司的陈松等人使用计算机辅助工程（CAE）对Ir坩埚铸造温度场进行了FEM计算。
西南大学的徐尊平等人利用ANSYS软件对ZLl05合金砂型铸造和金属型铸造所选取阶梯试块的凝固过程温度分布进行了模拟。
在型砂自然对流冷却研究领域中，数值模拟还处于萌芽阶段。文章提出使用数值模拟的方法来研究型砂的自然对流冷却，其与传统的实验方法相比，具有十分明显的优点：不但经济性好，还能实现冷却设备的虚拟设计，可以有效地缩短研发周期，降低开发成本，有利于铸造企业个性化写作，市场前景广阔。
4 结语
文章通过对型砂自然对流冷却数值模拟技术的探讨，提出了一种利用型砂自然对流冷却数值模拟技术来研究型砂冷却的方法，它解决了型砂冷却实验研究步骤复杂而且成本高昂的问题，有效提高了设计效率，降低了企业研发成本，这为铸造企业制定研发方案提供了可能。
参考文献：
尚俊玲，陈维平，朱权利.中国铸造行业可持续化发展的思考[J].材料导报，2007，5：1-20.
李邵亮，闫建云，徐宗平.一种高效旧砂冷却设备——固定式沸腾冷却床[J].中国铸造装备与技术，2007，1.
[3]陈立亮，刘瑞祥.我国铸造行业计算机应用的回顾与展望[J].铸造，2002，51（2）：62-67.
[4]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
Abstract： Through discussing foundry sand cooling technology and the numerical simulation technology respectively， this paper puts forward a way to study the method of foundry sand cooling by means of using numerical simulation technology of foundry sand natural convection cooling. It solves the problems that foundry sand cooling experiment steps is complex and costly， improves the design efficiency， reduces the enterprise research and development costs.
关键词： 型砂；自然对流冷却；数值模拟
Key words： foundry sand；natural convection cooling；the numerical simulation
1006-4311（2013）21-0027-02
0 引言
我国是铸件生产大国，铸造技术在我国已有6000多年的历史，特别是伴随着近现代工业的快速发展，铸造技术已经广泛应用于社会生活的各个方面。鉴于我国铸造业巨大的规模，因而每年废弃的铸造旧砂量是十分可观的。在这样的大背景下，型砂再生技术应运而生。型砂再生主要是对旧砂进行磁选、破碎、筛分、冷却等处理后，去除旧砂中的部分微粉，然后再加入一定量的新砂进行混合，以得到符合工艺需求的新型砂。这样处理极大减少了新砂使用量，不但环保，而且经济性好。然而对于型砂再生技术，影响型砂循环周期最关键的一环就是型砂冷却速度的快慢，它直接决定了铸造生产效率的高低。针对型砂冷却速度慢和提高生产效率的矛盾，文章旨在通过数值模拟的方法，对型砂的自然对流冷却进行深入的探讨。
1 型砂冷却技术
随着社会对环境保护和节能减排要求的提高，现有型砂冷却设备逐渐失去了优势，铸造行业对不但冷却效果好而且经济性好的新型设备的需求不断提高。以往在铸造生产过程中大多采用摊晒凉砂冷却、管道风动冷却和气动沸腾床冷却等方法。然而，这些冷却方式都不同程度的存在一定问题：其中摊晒凉砂冷却虽然过程简单，但是工人劳动强度大，工作环境差，占地面积大，对型砂规模化冷却制约明显；管道风动冷却则摩擦损失大，故障率高，不仅不便于维修，还会带来噪声污染，因此，该方法已基本淘汰；气动沸腾床冷却虽然冷却效果较有保证，但是配套设备较多，因而使得初投资较大，生产成本高，对中小企业而言，现实可期待性差，使用受限。其中以沸腾冷却床的效果最为明显，其是通过给料装置将经过筛后的热型砂均匀地加入到沸腾冷却床的鱼鳞板上，在鱼鳞板上形成80-120mm厚度的砂层。旧砂沿着震动方向前进的同时，鼓风系统将冷风鼓入沸腾冷却床下部的风室内，然后通过鱼鳞板的小孔，不断地吹向旧砂层，使热砂呈沸腾状态，由此进行充分的热交换使砂子冷却；吸收了砂子热量的空气由抽风装置抽走。为了进一步提高冷却效果，新一代沸腾冷却床还配有由多个不同通径的阀构成加水系统。加水系统通过料层的厚度和进出的热型砂的温度来控制加水量，加水量的变化和数量则由阀的开启顺序和数量自动调节，这样以有效利用水的潜热来进一步提高冷却效果。
此外比较常见的还有双盘冷却机，其是将进入冷却盘体内的旧砂和粘土等，由两个旋转方向相反的搅拌装置抛起，为了使砂充分搅拌，砂层呈波浪式的翻腾状态。每个搅拌装置上有刮板、内刮板和外刮板，且有角度要求。在搅拌的同时，由鼓风系统鼓入的冷空气经半环状的进风通道和导风口分别进入双盘底侧。冷空气以一定的风压和风速吹射到抛起的砂子表面，翻腾着的砂子与冷空气充分接触进行交换，空气吸取砂子的热量后由抽风装置将其抽走。生产实际中，部分双盘冷却机也带有加水系统，同样是利用水的潜热来进一步提高冷却效果。
2 数值模拟技术
冷却技术一直是工程领域的一个重要组成部分，它广泛应用于农业、工业和军事等诸多领域。人们对冷却技术的研究主要有三种方法：2.1 实验测定 实验研究是冷却研究最基本的研究方法，但是实验测定往往成本较高，经济性并不好，现在已较少使用，只是在数值模拟结果验证方面使用。
2.2 理论分析 由于实际问题的复杂性，目前只能对情况比较简单的问题得出分析解。
2.3 数值模拟 随着计算技术的飞速发展，数值模拟技术应运而生，相关商业软件如雨后春笋般发展起来，出现了像PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、CAE等计算软件。它们已逐渐开始应用于设计和生产的各个方面。三种方法各具特点，巧妙结合运用既相互补充又相得益彰，已经形成了一个有机的整体，并在工程实际中经常结合使用。
3 型砂自然对流冷却数值模拟探讨
铸造生产过程中型砂冷却的方法各具千秋，各有利弊，然而在铸造行业规模化发展的今天，如何实现冷却效果和经济性的共赢仍是一个重要课题。沸腾冷却床冷却效果好，但是其经济性较差。若从提高经济性的方面考虑，就一定要减少配套设备中的耗能单元。因此，利用无耗能的空气自然对流并区别于摊晒型砂冷却的型砂冷却方式进行冷却具有相当的研究价值。
目前，空气自然对流的数值模拟技术已经相对比较成熟，在铸造生产中也有一定应用，然而在铸造生产中，数值模拟的应用还主要集中在对铸造过程的研究，而对型砂自然对流冷却研究的相关报道还很少。比如：贵研铂业股份有限公司的陈松等人使用计算机辅助工程（CAE）对Ir坩埚铸造温度场进行了FEM计算。
西南大学的徐尊平等人利用ANSYS软件对ZLl05合金砂型铸造和金属型铸造所选取阶梯试块的凝固过程温度分布进行了模拟。
在型砂自然对流冷却研究领域中，数值模拟还处于萌芽阶段。文章提出使用数值模拟的方法来研究型砂的自然对流冷却，其与传统的实验方法相比，具有十分明显的优点：不但经济性好，还能实现冷却设备的虚拟设计，可以有效地缩短研发周期，降低开发成本，有利于铸造企业个性化写作，市场前景广阔。
4 结语
文章通过对型砂自然对流冷却数值模拟技术的探讨，提出了一种利用型砂自然对流冷却数值模拟技术来研究型砂冷却的方法，它解决了型砂冷却实验研究步骤复杂而且成本高昂的问题，有效提高了设计效率，降低了企业研发成本，这为铸造企业制定研发方案提供了可能。
参考文献：
尚俊玲，陈维平，朱权利.中国铸造行业可持续化发展的思考[J].材料导报，2007，5：1-20.
李邵亮，闫建云，徐宗平.一种高效旧砂冷却设备——固定式沸腾冷却床[J].中国铸造装备与技术，2007，1.
[3]陈立亮，刘瑞祥.我国铸造行业计算机应用的回顾与展望[J].铸造，2002，51（2）：62-67.
[4]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.
源于：论文写作格式www.udooo.com