冒口設計對鑄鋼件的內在質量起著非常重要的作用，在鋼液凝固的過程中，體積會有顯著的縮小，體積收縮時所需鋼液要從冒口中獲得，因此冒口設計時，必須充分考慮冒口比鑄件凝固晚，冒口內要有充足的鋼液補充鑄件，鑄件與冒口間要形成順序凝固。
　　在生產實踐過程中，相同鑄件由于冒口放置的位置不同，會對鑄鋼件的內在質量產生較大影響，下面以圖1所示鑄件進行分析。鑄件質量GC=770㎏，材質ZG275—485H，鑄件化學成分為：wC=0.20%，wSi≤0.5%， wMn=1.0%，wS≤0.035%，wP≤0.035%。鑄件整體模數MC=5.95cm。生產方式采用水玻璃石英砂重力鑄造。

　　工藝方案1：采用φ400mm冒口，高度500mm，冒口模數MR1=7.12cm，冒口完全和鑄件接觸，此時鑄件模數MC1=6.52cm，冒口容積63.2 dm3，冒口鋼液重量為430㎏，鑄件工藝出品率為64.2%。采用此方案生產，澆注后采用人工搗冒口進行干預，鑄件切割冒口時鑄件無縮孔出現，經UT檢測，鑄件中心部位存有缺陷。對鑄件進行精加工，并對加工表面進行噴砂處理后，在鑄件的中心部位出現縮松缺陷（見圖2）。

　　工藝方案2：采用φ400mm冒口，高度500mm，冒口模數MR2=7.12cm，冒口不完全和鑄件表面接觸，此時鑄件模數MC2=6.25cm，冒口及補貼所需鋼液重量為437㎏，鑄件工藝出品率為63.6%。鑄件切割冒口后無縮孔，經UT檢測未發現異常，對鑄件精加工，并對加工表面經噴砂處理后，無任何缺陷。
　　兩種工藝方案的冒口完全相同，出品率相近，方案1鑄件存有縮松缺陷，方案2無缺陷，下面通過CAE模擬、冒口補縮效率、熱節圓法及模數法對這兩種工藝方案進行分析，找出問題存在的原因。
　　1．CAE模擬分析
　　鑄造設計中的計算機輔助工程軟件（CAE）是分析和優化鑄造工藝的重要工具，它以鑄件充型、凝固過程數值模擬技術為核心，對鑄件的成形過程進行工藝分析和質量預測，從而協助工藝人員完成鑄件的工藝優化。通過鑄造CAE進行純凝固模擬分析（不考慮澆注系統充型對凝固的影響），發現方案1鑄件出現嚴重縮孔，且縮孔深度幾乎達到鑄件厚度的一半（見圖3）；方案2鑄件無缺陷（見圖4）。CAE模擬計算鑄件凝固時間，方案1鑄件完全凝固歷時14894s，方案2鑄件完全凝固歷時12183s，在鑄件凝固時間上，方案2明顯比方案1短。

圖3 方案1模擬效果   

　　圖4 方案2模擬效果

　　2．冒口補縮效率分析
　　對兩種方案進行冒口補縮效率驗算，鑄鋼件澆注溫度1560℃，根據含碳量和澆注溫度對碳鋼體收縮影響（見圖5）及合金元素對鑄鋼件體收縮率ε影響（見附表），計算出鑄件的體收縮率ε=4.77%。

圖5 含碳量和澆注溫度對碳鋼體收縮率的影響

　　因方案1鑄件與冒口相互影響較大，鑄件凝固時間延長明顯，取ε1 =6%；方案2鑄件和冒口相互影響較小，取ε2 =5.5%，根據冒口補縮公式

　　GC —冒口最大能補縮鑄件重量；
　　ε   —鑄鋼件的體收縮率（%）；
　　ＶＲ —冒口體積；
　　ρ —鑄鋼件密度，取7.8㎏/dm3。
　　計算出:

　　通過冒口補縮效率分析，方案1中，鑄件GC=770㎏，GC1明顯低于GC，可以認定方案1鑄件冒口補縮能力不足；方案2中，鑄件GC=776，GC2和GC重量接近，在不實施其他工藝措施的情況下，鑄件僅會出現輕微縮孔，但在實際澆注過程中，通過補澆冒口、澆注系統階梯設置等方法，基本上可以滿足致密鑄鋼件的工藝要求。
　　3.熱節圓法分析
　　在不考慮放置冒口的情況下，鑄件最大熱節圓直徑為294mm，方案1將冒口放置在鑄件的熱節處，放置冒口后，鑄件的實際熱節圓直徑增大到422mm，造成鑄件熱節大于冒口直徑；方案2將冒口放置于鑄件的非熱節處，冒口偏離鑄件最大熱節，沒有造成鑄件熱節增大，有文獻稱方案1形成的熱節為“接觸熱節”，鑄件的凝固方式為“幾何順序凝固”，方案2鑄件的凝固方式為“動態順序凝固”。
　　通過熱節分析，方案1鑄件熱節大于冒口直徑，不可能形成從鑄件到冒口的順序凝固，方案2冒口直徑大于鑄件熱節，可形成鑄件與冒口的順序凝固。
　　4．模數法分析
　　方案1鑄件模數MC1=6.52cm，冒口模數MR1=7.12cm，冒口擴大系數?1＝MR1：MC1＝1.09；方案2鑄件模數MC2=6.25cm，MR2=7.12cm，?2＝MR2：MC2＝1.14。根據模數法設計冒口原則，冒口擴大系數取值為1.1～1.2，顯然方案1冒口擴大系數偏小，不利于形成順序凝固；方案2冒口擴大系數在取值范圍內，可以形成順序凝固。
　　通過幾種方式分析，證明方案1會有縮孔出現。在生產過程中，對于這種較大的冒口，澆注時一般不一次完成澆注，在鋼液上升到冒口的一定高度后，再對鑄件進行補澆冒口，鑄件澆注完成后，采用搗冒口的方式，不斷破壞冒口結晶過程形成的晶核，使晶核脫落后不斷進入鑄件內，這種方式對冒口補縮效率提高是明顯的，但同時也損失了冒口的熱量，有可能造成冒口與鑄件后期凝固部分形成同時凝固，或造成冒口與鑄件接觸部位早于鑄件厚大部位凝固，使鑄件形成二次縮孔，因此生產致密度高的鑄件時最好不進行搗冒口操作。
　　結語
　　通過生產實踐及幾種方式的工藝分析，在偏離熱節處放置冒口，可以避免形成接觸熱節，能夠有效減少鑄件的縮孔、縮松缺陷，顯著提高鋼液利用率。