一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统及其设计方法

摘要

本发明涉及一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统及其设计方法，包括直浇道，为上大下小的锥型结构，上端最大横截面积为末端最小横截面积的1.5-3倍；横浇道，通过光滑的圆弧弯道与直浇道的下端连接，圆弧弯道的半径为横浇道等效直径的1-5倍，圆弧弯道的横截面半径进行变径设计，变径变化在横浇道截面积等效半径的1-5倍之间；连接在横浇道上的多道内浇道，多个内浇道截面积之和为横浇道截面积的2-10倍。解决目前浇注系统不合理以及难以保证金属液平稳充型以及纯净度等方面问题，避免金属液在浇注过程产生的二次氧化、卷气和卷渣现象，保证铸件质量，适用于有色金属、黑色金属、高温合金等的砂型铸造、金属型铸造、铸坯浇注和精密铸的浇注系统设计。

说明书

技术领域

本发明涉及铸造过程的浇注系统，具体地说是一种无气隙平稳充型有效控制卷气、卷渣的浇注系统及其设计方法，普遍适用于有色金属、黑色金属、高温合金等的砂型铸造、金属型铸造、铸坯浇注和精密铸的浇注系统设计。

背景技术

传统的浇注系统设计通常是封闭式（pressured）与开放式(unpressured)两种方法。封闭式浇注系统的直浇道、横浇道、内浇口的断面积逐步变小，金属液流速过快，湍流严重，容易冲刷铸型，造成卷气和夹杂缺陷（X射线观察表明，充型速度在大于0.5m/s时，容易造成湍流和卷气缺陷）。开放式浇注系统的直浇道、横浇道、内浇口的断面积逐步扩大，导致金属液充型时，在浇道内存在很大气隙，气体与金属液相互作用，形成氧化膜，气体和氧化膜卷入金属液中，形成裂纹和疏松源，使铸件产生裂纹和疏松缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统的设计方法；

本发明的另一个目的在于提供一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统，解决工厂目前浇注系统不合理以及难以保证金属液平稳充型以及纯净度等方面的问题。

本发明的技术方案是：

一种有效控制卷起、卷渣的浇注系统的设计方法， 

1) 根据浇注金属液的总重量除以铸型中金属液面上升的最小速度获得金属液的最大充型时间，然后根据流量相等原则以及最大充型时间，在直浇道末端确定整个浇注系统所需的金属液充型的直浇道末端最小截面积； 

2)根据流量相等原理以及确定好的直浇道末端最小截面积，确定直浇道顶部的最大截面积为末端最小横截面积的1.5-3倍，；

3）根据步骤1）的直浇道末端最小截面积，按照横浇道的截面积为直浇道最小截面积的1-3倍设计横浇道的截面积；

4）根据金属液在直浇道和横浇道连接处所产生的负压区，设计圆弧弯道，圆弧弯道的半径为横浇道等效直径的1-5倍，圆弧弯道的横截面半径进行变径设计，半径变化为横浇道截面积等效半径的1-5倍之间；

5）按照内浇道截面积之和为横浇道截面积的2-10倍，设计多个内浇道。

本发明设计方法还包括设计直浇道高出铸件冒口的高度，使距离铸件最远冒口中心与直浇道顶端连线与水平线的夹角控制在5度-45度之间。

直浇道为上大下小的锥型结构，直浇道末端最小截面积是由下列公式得到的：                                                、 、  、；其中：Q为金属液流量，单位m³/s ，A₂为直浇道末端最小截面积，单位m²；V₂为直浇道末端速度，单位m/s；H_P 为浇注系统的平均静压头，单位m； g为重力加速度；H为浇口杯与直浇道金属液总高，单位m；B₁为金属液在直浇道内能量损失因子，为直浇道拐90℃弯道的数量，h为浇口杯金属液的高度，单位m。

   横浇道设计为第一横浇道与第二横浇道两个并行横浇道，第一横浇道与第二横浇道的截面积相同，其截面积为直浇道最小截面积的1-3倍；第一横浇道与第二横浇道之间的距离在10-200mm之间。

第一横浇道与第二横浇道之间设置多个阻渣横浇道，阻渣横浇道为缩颈结构，其截面积从第一横浇道到第二横浇道逐渐减小，最大截面积为横浇道截面积的0.2-1倍，最小截面积为最大截面积的0.2-0.7倍；阻渣横浇道的长度为并行横浇道等效直径的1-2倍。

一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统，包括：

直浇道，为上大下小的锥型结构，上端最大横截面积为末端最小横截面积的1.5-3倍；

横浇道，通过光滑的圆弧弯道与直浇道的下端连接，圆弧弯道的半径为横浇道等效直径的1-5倍，圆弧弯道的横截面半径进行变径设计，变径变化在横浇道截面积等效半径的1-5倍之间； 

连接在横浇道上的多道内浇道，多个内浇道截面积之和为横浇道截面积的2-10倍。

横浇道为第一横浇道与第二横浇道两个并行横浇道，第一横浇道与第二横浇道的截面积相同，其截面积为直浇道最小截面积的1-3倍；第一横浇道与第二横浇道之间的距离在10-200mm之间。

第一横浇道与第二横浇道之间设置多个阻渣横浇道，阻渣横浇道为缩颈结构，其截面积从第一横浇道到第二横浇道逐渐减小，最大截面积为横浇道截面积的0.2-1倍，最小截面积为最大截面积的0.2-0.7倍；阻渣横浇道的长度为并行横浇道等效直径的1-2倍。

直浇道高出铸件冒口的高度满足铸件最远冒口中心与直浇道上端连线与水平线的夹角控制在5度-45度之间。 

本发明具有如下有益效果：

1．由于本发明采用直浇道最小截面设计方法使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态，无气体和氧化膜卷入金属液中，不易造成裂纹和疏松等缺陷；

2.采用光滑圆弧弯道过渡代替传统的直角过渡，圆弧形过渡拐角的半径为横浇道等效直径的1-5倍，半径变化为横浇道截面积等效半径的1-5倍之间，避免在浇注系统内产生负压区，消除负压区，避免卷气，保证金属液的纯净度；

3．本发明采用并行横浇道设计以及在并行横浇道之间的阻渣技术的运用，不仅使金属液在浇注系统内处于充满状态，无气隙、无扰动、不卷气和不卷渣，铸件不易产生裂纹、疏松和夹杂等缺陷，同时极大提高了铸件的性能和使用寿命；

4. 本发明多个内浇道截面积之和为横浇道截面积的2-10倍，能有效地保证金属液流量，同时避免金属液在铸件型腔内产生飞溅； 

5.本发明浇注系统直浇道高出铸件冒口的高度满足铸件最远冒口中心与直浇道上端连线与水平线的夹角控制在5度-45度之间，采用这个夹角的优点在于有利于金属的远程流动，避免金属液温度的大幅度降低； 

6．本发明浇注系统设计方法普遍适用于各种合金的砂型铸造、金属型铸造、精密铸造等工艺的系统设计，随着对铸件质量和使用寿命的提高，这种有效控制卷气、卷渣的平稳充型浇注系统将成为新的设计原则。

附图说明

图1为本发明直浇道与圆弧弯道结构示意图；

图2为本发明并行横浇道与阻渣横浇道结构示意图；

图3为传统的浇注系统结构示意图，其中图3（a）为后视图，图3（b）为正视图；

图4为本发明实施例1用于机床床身浇注系统结构示意图；

图5为通过计算机模拟得到的实施例1用于机床床身浇注系统的模拟图；

图6为实施例1机床床身铸件毛坯图；

图7为本发明实施例3用于钢锭浇注的浇注系统结构示意图，其中7（a）为俯视图，7（b）为侧视图；

其中，1为直浇道；2为直浇道末端最小截面积；3为圆弧弯道；4为横浇道；41为第一横浇道；42为第二横浇道；5为阻渣横浇道；6为内浇道；31为传统浇注系统的直浇道；32为传统浇注系统的横浇道；33为传统浇注系统的内浇道；34为机床；61为钢锭。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

本发明有效控制卷气、卷渣的浇注系统的设计方法：

根据浇注金属液的总重量除以铸型中金属液面上升的最小速度获得金属液的最大充型时间，根据流量相等原则以及最大充型时间，在直浇道末端确定整个浇注系统所需的金属液充型的最小截面积； 

铸型中金属液面上升的最小速度根据每个铸型种类的不同，通过查找技术领域的文献得到的，根据查到的最小速度得到所需浇注的铸型的最大充型时间，结合金属液的总体积得到金属液的流量，公式为：，其中：Q为金属液流量，单位m³/s，V：浇注金属液的总体积，单位为m³； t：浇注金属液的最大充型时间，单位为s。得到金属液流量就可以用来确定不同铸型种类所需要的直浇道末端最小截面积；

直浇道末端最小截面积是由下列公式得到的：、 、  、；其中：Q为金属液流量，单位m³/s ，A₂为直浇道末端的面积，单位m²；V₂为直浇道末端速度，单位m/s；H_P 为浇注系统的平均静压头，单位m； g为重力加速度；H为浇口杯与直浇道金属液总高，单位m；B₁为金属液在直浇道内能量损失因子，为直浇道拐90℃弯道的数量，h为浇口杯金属液的高度，单位m。

根据流量相等原理以及确定好的最小截面积，确定直浇道顶部的最大截面积为末端最小横截面积的1.5-3倍；具体通过的公式为： 、可获得直浇道顶部的最大截面积，其中：A₁为直浇道顶部的最大截面积，单位m²；V₁为直浇道顶部的入口速度，单位m/s；g为重力加速度，9.8 m²/s；h为浇口杯金属液的高度，单位m；

根据步骤1）的最小截面积，确定横浇道的截面积为直浇道最小截面积的1-3倍；

根据金属液在直浇道1和横浇道4连接处所产生的负压区，当为直角设计时，转角处产生负压造成卷气，依据所产生的负压的大小，根据流体力学进行分析计算圆弧半径的大小和截面积变径大小的设计光滑圆弧弯道3，圆弧弯道3的半径为横浇道4等效直径的1-5倍，圆弧弯道3的横截面半径进行变径设计，半径变化为横浇道截面积等效半径的1-5倍之间；进行负压测试，金属液进入该区域时，不存在卷气的现象，说明产生的负压很小。

按照内浇道33截面积之和为横浇道4截面积的2-10倍，设计多个内浇道6。内浇道的数量根据横截面积的大小结合铸型的种类而确定。

本发明设计方法还可将横浇道4设计为第一横浇道41与第二横浇道42两个并行横浇道，第一横浇道41与第二横浇道42的截面积相同，其截面积为直浇道最小截面积的1-3倍；第一横浇道41与第二横浇道42之间的距离在10-200mm之间。

第一横浇道41与第二横浇道42之间设置多个阻渣横浇道5，阻渣横浇道5为缩颈结构，其截面积从第一横浇道41到第二横浇道42逐渐减小，最大截面积为横浇道截面积的0.2-1倍，最小截面积为最大截面积的0.2-0.7倍；阻渣横浇道5的长度为并行横浇道等效直径的1-2倍。

直浇道1高出铸件冒口的高度，使距离铸件最远冒口中心与直浇道1上端连线与水平线的夹角控制在5度-45度之间。

根据上述方法设计的一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统，如图1、2和图4所示，结构如下所述：包括：直浇道1，为上大下小的锥型结构，上端最大横截面积为末端最小横截面积的1.5-3倍，上大下小的设计有利于气体、夹杂上浮到顶部，同时可以避免金属液对直浇道1的冲刷；横浇道4，通过光滑圆弧弯道3与直浇道1的下端连接，圆弧弯道3的半径为横浇道4等效直径的1-5倍，圆弧弯道3的横截面半径进行变径设计，变径变化在横浇道截面积等效半径的1-5倍之间； 连接在横浇道上的多道内浇道6，多个内浇道6截面积之和为横浇道4截面积的2-10倍的大尺寸设计技术。

如图2所示，横浇道4为第一横浇道41与第二横浇道42两个并行横浇道，第一横浇道41与第二横浇道42的截面积相同，其截面积为直浇道最小截面积的1-3倍；第一横浇道41与第二横浇道42之间的距离在10-200mm之间，通过并行横浇道有利于控制金属液充型平稳，使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态，防止气体和氧化膜卷入金属液造成裂纹和气孔缺陷。

第一横浇道41与第二横浇道42之间设置多个阻渣横浇道5，阻渣横浇道5为缩颈结构，其截面积从第一横浇道41到第二横浇道42逐渐减小，最大截面积为横浇道截面积的0.2-1倍，最小截面积为最大截面积的0.2-0.7倍；阻渣横浇道5的长度为并行横浇道等效直径的1-2倍，双横浇道之间的除渣技术防止金属液中的渣子以及外来夹杂进入铸件中，造成渣孔与夹杂物超标；保证金属液的纯净度。

如图4所示，内浇道6为大尺寸可设为多道，内浇道截面积之和为并行横浇道截面积的2-10倍，保证了金属液流量，同时避免金属液在铸件型腔内产生飞溅。

实施例1

某型号机床床身浇注，浇注材质HT250，浇注温度1360℃，铸件重量为12t，其浇注系统设计为，直浇道1设计为锥型，其中直浇道顶端尺寸为Φ90mm，直浇道末端最小截面积尺寸为Φ55mm，直浇道1的高度为1650mm，其设计原理为流量相等原理，上大下小的设计有利于气体、夹杂上浮到顶部，同时可以避免金属液对直浇道的冲刷。

如图4所示，直浇道1与横浇道4转角处采用圆弧弯道3过渡，圆弧弯道3半径为80mm，横浇道4等效直径为60mm，圆弧弯道3的横截面积进行变径设计，直径变化在55mm-90mm之间，避免转角处产生负压造成卷气，图3（a）和图3（b）为传统的浇注系统，可看出本发明相对于现有技术中的不同。

利用双横浇道并行设计，并行横浇道，第一横浇道41和第二横浇道42的截面积相同，其截面积直径为60mm，横浇道之间的距离为50mm。通过并行横浇道有利于控制金属液充型平稳，使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态。

在并行横浇道之间设计多道阻渣横浇道5，阻渣横浇道5之间的距离为55mm，阻渣横浇道5采用缩颈设计，其截面积逐渐减小，其最大截面积直径为40mm，最小截面积直径为30mm，其长度即并行横浇道之间的距离。内浇道6大尺寸设计技术，内浇道6可设为10道，内浇道截面积之和为230mm²，本发明浇注毛坯见图6所示，浇注过程中无气体和氧化膜卷入金属液中，没有造成裂纹和气孔缺陷，由于采用阻渣设计，金属液中的渣子以及外来夹杂进入铸件，渣孔与夹杂物小，浇注时，无金属液在铸件型腔内产生飞溅。

通过对本发明的浇注系统的设计参数，经过计算机模拟得到如图5所示的用于机床床身浇注系统的模拟图，由模拟图验证了本发明浇注系统的设计是合理的。

实施例2

某型号机床床身浇注，浇注材质HT250，浇注温度1370℃，铸件重量为12t，其浇注系统设计为，直浇道1设计为锥型，其中直浇道顶端尺寸为Φ95mm，直浇道1末端尺寸为Φ60mm，直浇道1的高度为1750mm，其设计原理为流量相等原理，上大下小的设计有利于气体、夹杂上浮到顶部，同时可以避免金属液对直浇道1的冲刷。

直浇道1与横浇道4转角处采用圆弧过渡，圆弧弯道3半径为90mm，横浇道4等效直径为70mm，圆弧弯道进行变径设计，直径变化在60mm-100mm之间，从直浇道1到横浇道4，截面直径逐渐变大，避免转角处产生负压造成卷气。利用双横浇道并行设计，并行横浇道的截面积相同，其截面积直径为直径70mm，两个横浇道之间的距离为60mm。通过并行横浇道有利于控制金属液充型平稳，使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态。在并行横浇道之间设计多道阻渣横浇道5，可根据空间以及浇注温度而定，阻渣横浇道5之间的距离为60mm，阻渣横浇道5采用缩颈设计，其截面积逐渐减小，其最大截面积直径为50mm，最小截面积直径为30mm。内浇道6大尺寸设计技术，内浇道6可设为4道，内浇道6截面积之和为340mm²。采用本实施例的浇注系统浇注的机床经测试不易产生裂纹、没有疏松和夹杂等缺陷，在浇注时，浇注系统内处于充满状态，无气隙、无扰动、不卷气和不卷渣。

实施例3

15t钢锭浇注，浇注材质40Cr2，浇注温度1560℃，重量为15t，如图6所示：其浇注系统设计为，直浇道设计为锥型，其中直浇道顶端尺寸为Φ85mm，直浇道末端尺寸为Φ50mm，直浇道的高度为1550mm，其设计原理为流量相等原理，上大下小的设计有利于气体、夹杂上浮到顶部，同时可以避免金属液对直浇道的冲刷。

直浇道1与横浇道4转角处采用圆弧弯道过渡，圆弧弯道3的半径为65mm，横浇道4等效直径为65mm，圆弧弯道3进行变径设计，直径变径变化在60mm-85mm之间，避免转角处产生负压造成卷气。利用双横浇道并行设计，并行横浇道的截面积相同，其截面积直径为直径65mm，横浇道之间的距离为65mm。通过并行横浇道有利于控制金属液充型平稳，使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态。在并行横浇道之间设计9道阻渣横浇道5，阻渣横浇道5之间的距离为65mm，阻渣横浇道5采用缩颈设计，其截面积逐渐减小，其最大截面积直径为50mm，最小截面积直径为35mm。内浇道6大尺寸设计技术，内浇道可设为一道，内浇道截面积之和为300mm²。

本发明工作过程及结果：

本发明通过在直浇道末端设计整个浇注系统所需的金属液充型的最小截面积，以及利用双横浇道并行设计控制金属液充型平稳，使金属液在浇注系统内时刻处于充满状态，防止气体和氧化膜卷入金属液中，造成裂纹和气孔缺陷；通过利用双横浇道之间的阻渣设计等除渣技术，防止金属液中的渣子以及外来夹杂进入铸件中，造成渣孔与夹杂物超标；直浇道与横浇道转角处采用圆弧过渡，半径变化为横浇道截面积等效半径的2-3倍之间，避免转角处产生负压造成卷气，保证金属液的纯净度；内浇道大尺寸设计技术，保证了金属液流量，同时避免金属液在铸件型腔内产生飞溅。 

实施例的结果表明本发明设计了一种有效控制卷气、卷渣的浇注系统，通过直浇道最小截面积设计保证金属液的充型时间；利用双横浇道设计以及圆弧过渡保证金属液充满浇注系统；通过控渣技术保证金属液中的夹杂、卷渣不进入铸件型腔。这种浇注系统设计，避免了金属液在浇注过程产生的二次氧化、卷气和卷渣现象，保证了金属液的纯净度保证铸件质量。