一种圆环状铸锭铸造设备及其铸造方法与流程

本发明属于冶金铸造领域，更具体地说，涉及一种铸锭铸造设备及其铸造方法。

背景技术：

铸造冶金生产中常用的制造方法，它是将熔炼的金属液体浇注入模具内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。铸造制造成本低，工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸坯，在机械制造中占有很大的比重，如机床行业60-80％的零件为铸造制得，汽车行业60-80％的零件为铸造制得。

在铸造中，铸造工艺、铸坯的微观组织、结构和性能都会对后续加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影响。常规铸造通常为一次浇注完成大型铸坯，熔体先从相对温度较低、传热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配的现象，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点的杂质元素，从而在较大程度上出现宏观偏析。另外，采用常规的铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡和热应力等铸造缺陷，严重影响大型铸坯的质量。对于大型铸锭尤其是圆环状大型铸锭的铸造，一般都需要通过钢包及中间钢包等浇注设备将钢水注入到相应形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成钢锭或钢坯，一次浇铸成型，其容易出现上述内容中提到的缩孔、疏松、气泡和热应力等缺陷。

如中国专利申请号为：cn201611268089.5，公开日为：2017年6月13日的专利文献，公开了一种镍基高温合金的真空铸造方法，包括模具，模具底部设有水冷铜盘，水冷铜盘内有循环冷却水通道，使熔体形成一个自下而上的纵向温度梯度，模具第一边和第二边一侧设有水雾冷喷头，第三边和第四边的拐角连接处设有电阻加热体，使熔体形成一个从一侧到另一侧的横向温度梯度，以上的纵向温度梯度和横向温度形成一个斜向温度梯度，使固液界面从第一边和第二边连接处的底部向第三边和第四边连接处的顶部推进，最后凝固部位位于第三边和第四边连接处附近，将缩孔缩松集中于此。该方案将缩孔缩松的缺陷集中在铸锭的两侧，减少切割工序，提高了铸锭的生产效率，但是其仍然存在大型铸锭一次成型时的缺陷问题，且其方案也并不适用于圆环状铸锭。

又如中国专利申请号为：cn201610428323.x，公开日为：2016年8月31日的专利文献，公开了一种可调式圆环铸造模具，包括上模板和下模板，所述上模板和下模板相扣合形成一个圆柱形空腔，所述空腔中设置有中模块，所述中模块包括一个圆柱形的中柱和圆环形的中模板，所述中柱表面设置有凸起的螺纹，所述中模板与圆柱形空腔的横截面形状大小相等，所述中模板的圆心处为通孔，所述通孔的内径与所述中柱的直径相等，所述通孔的内壁上有与所述中柱表面的螺纹相咬合的凹纹，所述中模板通过通孔套装在中柱上。该发明所提供的一种可调式圆环铸造模具，可以通过调节中模块来改变型腔大小，铸造出厚度不同的圆环铸件，降低生产成本。但是，其仅仅只能对圆环铸件的高度进行调节，并没有其他解决大型圆环铸件在铸造时可能产生的缺陷问题。

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有的铸造设备在生产大型圆环状铸锭时，容易出现缩孔、疏松、气泡和热应力等缺陷的问题，本发明提供一种圆环状铸锭铸造设备，能够有效地减少大型圆环状铸锭制备时的各种缺陷，增加铸锭组织成分的均匀性，从而提高铸锭的机械性能。

本发明还提供一种圆环状铸锭铸造方法，采用上述一种圆环状铸锭铸造设备，能够快速制备大型圆环状铸锭且制备出的铸锭的机械性能极佳。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种圆环状铸锭铸造设备，包括浇注系统、轧制系统、铸造模具和支撑柱；所述铸造模具包括内环和外环，内环和外环之间形成模腔；所述支撑柱穿过内环并与内环螺纹连接；所述浇注系统固定安装在支撑柱上部，向模腔内注入熔体；所述轧制系统固定安装在支撑柱上，包括水平设置于模腔内的轧辊。

作为技术方案的进一步改进，所述浇注系统包括储料装置和熔体通道；所述储料装置固定安装在支撑柱的顶端；所述熔体通道的一端连通储料装置，另一端通至模腔。

作为技术方案的进一步改进，所述浇注系统还包括布流器；所述布流器与熔体通道通至模腔的一端固定连接，位于模腔内，其上设有出水口。

作为技术方案的进一步改进，所述出水口布置在布流器的侧面，其具有多个，沿铸造模具的径向均匀分布。

作为技术方案的进一步改进，所述熔体通道具有多个，沿模腔的周向均匀布置。

作为技术方案的进一步改进，所述储料装置为中间包，所述熔体通道为长水口。

作为技术方案的进一步改进，所述轧制系统还包括轧辊支架；所述轧辊支架的上端固定连接支撑柱的上部，下端安装轧辊。

作为技术方案的进一步改进，还包括旋转装置，所述旋转装置用于控制铸造模具沿支撑柱转动。

一种圆环状铸锭铸造方法，采用上述一种圆环状铸锭铸造设备，其步骤为：

一、铸造前，调整铸造模具至设定的位置，接着，浇注系统向模腔内注入熔体，同时，铸造模具沿支撑柱转动并下降；

二、熔体在模腔内逐渐凝固形成铸件且铸件随铸造模具的下降增加高度，同时，轧辊对不断注入的熔体进行整平轧制，至铸造模具下降至设定高度后，浇注系统和铸造模具停止工作，制得大型铸锭。

作为技术方案的进一步改进，所述铸造模具每沿支撑柱转动一圈，模腔内的铸件高度增加2-50mm，铸造模具的下降速度与铸件高度的增加速度相同。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种圆环状铸锭铸造设备，通过支撑柱将浇注系统、轧制系统和铸造模具巧妙地结合在一起，当浇注系统向铸造模具的模腔内注入熔体时，铸造模具通过螺纹沿支撑柱转动并下降，熔体在模具内则受冷迅速凝固，形成具备一定高度且高度逐渐增加的铸件，同时，轧制系统的轧辊随着铸造模具的转动对注入模腔内的未凝固的熔体进行平整，对初步冷却凝固的熔体则进行轧制，而随着铸造模具的下降，熔体不断层铺在凝固的铸件上，同时轧辊也不断对新注入的熔体进行整平和轧制，从而使最终成型的铸锭的组织成分均匀，内部晶粒细化，有效地减少甚至消除了铸锭心部的缺陷，提高了铸锭的机械性能，且该设备的结构布置合理，大大增加了圆环状铸锭的生产效率；

(2)本发明一种圆环状铸锭铸造设备，沿铸造模具的周向均匀布置的多个布流器，且布流器的侧面沿铸造模具的径向均匀分布有出水口，使得熔体能够均匀地分布在模腔内，铸锭各个位置的高度均匀，从而使铸锭组织成分均匀，提高铸锭的机械性能；

(3)本发明一种圆环状铸锭铸造设备，其轧辊具有多个，能够同时对铸件的多个位置进行平整轧制，提高轧辊的整体轧制效果，消除大型铸锭生产时的缩孔、缩松等缺陷，提高成形铸锭的质量；

(4)本发明一种圆环状铸锭铸造设备，通过控制支撑柱上的螺纹位置，能够控制铸造模具的最高位置，防止铸造模具的底部与布流器和轧辊发生碰撞，对设备造成损坏；

(5)本发明一种圆环状铸锭铸造方法，采用上述一种圆环状铸锭铸造设备，能够快速稳定地制备大型圆环状铸锭，消除制备大型铸锭时的组织缺陷，制备出机械性能极佳的铸锭。

附图说明

图1为铸造设备的轴测结构图；

图2为铸造设备的主视结构图；

图3为浇注系统的结构示意图；

图4为轧制系统的结构示意图；

图5为铸造模具的结构示意图；

图6为支撑柱的结构示意图；

图7为布流器的主视结构图；

图8为轧辊支架的结构示意图；

图中：100、浇注系统；110、储料装置；120、熔体通道；130、布流器；131、出水口；200、轧制系统；210、轧辊；220、轧辊支架；221、连接杆；222、固定杆；300、铸造模具；310、内环；320、外环；330、模腔；400、支撑柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1和图2所示，一种圆环状铸锭铸造设备，用于铸造大型圆柱状铸锭，其主要包括浇注系统100、轧制系统200、铸造模具300和支撑柱400。其中，支撑柱400竖直设置，其底端固定连接在地面或相应设备上；浇注系统100用于将熔体注入铸造模具300中，铸造模具300用于铸锭的成型；轧制系统300用于在熔体凝固成铸件时对铸锭上端面进行整平和轧制。下面对该设备的具体结构和工作原理进行详细描述。

如图6所示，支撑柱400的中部一段具有螺纹，用于铸造模具300的安装，螺纹的上下端距离支撑柱400的上下端具有一段距离，能够防止铸造模具300升降时与其余装置或地面发生碰撞，导致设备发生损坏。

如图5所示，铸造模具300包括内环310、外环310和模腔330。其中，外环320为上端开口的中空圆柱结构；内环310则为上下贯通的中空圆柱结构，其竖直设置在外环320的中心处，内径与支撑柱400的直径保持一致；内环310和外环320之间的空间即为模腔330，熔体在模腔330中凝固成形为铸锭。与支撑柱400的中部螺纹相配合的，在内环310的内侧面上设有与支撑柱400的中部螺纹相匹配的螺纹，支撑柱300穿过内环310并与内环310螺纹连接，从而当铸造模具300沿支撑柱400转动时，铸造模具300可以沿着支撑柱400的高度方向进行升降。

如图3所示，浇注系统100包括储料装置110、熔体通道120和布流器130。本实施例中，储料装置110为中间包，熔体通道120为长水口。其中，中间包固定安装在支撑柱400的顶端，中间包的底部开设有熔体出口，长水口的一端连接熔体出口，另一端连接布流器130的进水口。布流器130为长条形结构，如图1所示水平设置在模腔330内，其前后两端靠近内环310和外环320但均保持一定的间隙，其底部则与模腔330的底面保持一定间隙，方便熔体无阻碍地流入模腔330内。另外，如图7所示，在布流器130的侧面上，沿铸造模具300的径向均匀分布有多个出水口131，本实施例中，长水口和布流器130均具有多个，以支撑柱400为中点，沿模腔330的周向均匀分布，出水口131则均匀密集地分布在布流器130的整个侧面上，使得浇注系统100能够均匀地将熔体注入模腔330的各个位置，熔体均匀铺散在模腔330中并凝固，从而使铸件各个位置的高度均匀，加强铸锭组织成分均匀性，提高铸锭的机械性能。

如图4所示，轧制系统200包括轧辊210和轧辊支架220。其中，轧辊支架220如图8所示，其包括一根连接杆221和垂直于连接杆221的两根固定杆222，组成“f”型结构。连接杆221水平设置，其中一段与支撑柱400的上部固定连接，连接处位于中间包的下方。两根固定杆222竖直向下延伸地设置在连接杆221上，其远离连接杆221的一端之间水平装有一根轧辊210。轧辊210的两端分别与两根连接杆221固定连接，或者轧辊210铰接在两根连接杆221之间，能够沿自身的轴线转动，防止模腔330中凝固的铸件与轧辊210之间卡住。轧辊210水平地位于模腔330中，其前后两端靠近内环310和外环320但均保持一定的间隙，其底部则与模腔330的底面保持一定间隙，方便熔体在模腔330中的流通。本实施例中，轧辊210具有多个，铰接在两根连接杆221之间，沿模腔330的周向均匀分布，进一步地，每一个布流器130的一侧均对应布置有一个轧辊210，保证熔体层铺在已经凝固的铸件上时能够及时对其进行平整，并在初步冷却凝固时对其进行轧制，因为初步冷却凝固的熔体的硬度并不高，因此轧辊210在自身重力作用下可以对其起到轧制的效果。

铸造模具300在支撑柱400上的转动可以通过人工操控(如在铸造模具300外侧安装连接柱，通过人工转动连接柱控制铸造模具300转动)或采用回转支撑等结构进行驱动。但是，人工操控尽管可以实现铸造模具300的转动，但是其精准度较低，且设备重量大，人工操控费时费力，因此，需要通过相应的旋转装置驱动铸造模具300进行转动。旋转装置的结构可以采用市面上常见的驱动物体在螺纹柱上旋转升降的结构，本实施例仅给出其中一种可以实现的方式。本实施例在铸造模具300的外侧面上沿其周向设有一圈齿条，齿条下方的外侧面上固定装有一块安装板，安装板上固定装有电机，电机的输出轴上装有齿轮且该齿轮与铸造磨具300上的齿条相啮合。从而当电机工作时，齿轮和齿条相配合使得铸造模具300可以沿支撑柱400上的螺纹转动并升降，并带动电机整体随铸造模具300沿支撑柱400进行转动和升降，且通过控制电机的转速即可以控制铸造模具300的转动速度，再对支撑柱400上的螺纹的斜度进行调整，即可控制铸造模具300的升降速度。

综上所述，本实施例的一种圆环状铸锭铸造设备，通过支撑柱400将浇注系统100、轧制系统200和铸造模具300巧妙地结合在一起，当浇注系统100向铸造模具300的模腔330内注入熔体时，铸造模具300通过螺纹沿支撑柱400转动并下降，熔体在模具内则受冷迅速凝固，形成具备一定高度且高度逐渐增加的铸锭。同时，轧制系统200的轧辊210随着铸造模具300的转动对注入模腔330内的未凝固的熔体进行平整，对初步冷却凝固的熔体则进行轧制，而随着铸造模具300的下降，熔体不断层铺在凝固的铸件上，同时轧辊也不断对新注入的熔体进行整平和轧制，从而使最终成型的铸锭的组织成分均匀，内部晶粒细化，有效地减少甚至消除了铸锭心部的缺陷，提高了铸锭的机械性能，且该设备的结构布置合理，大大增加了圆环状铸锭的生产效率。

实施例2

一种圆环状铸锭铸造方法，采用实施例1的一种圆环状铸锭铸造设备，其步骤为：

一、开始进行铸造前，调整铸造模具300在支撑柱400上的高度，使铸造模具300的底部靠近轧辊210和布流器130的底部但保持微小的间隙，本实施例为6mm。调整好后，浇铸系统100工作，向中间包中添加熔体，熔体经长水口和布流器130均匀地铺散在模腔330中，在模腔330受冷凝固形成具备一定高度的铸件。同时，铸造模具300则通过旋转装置驱动转动，在支撑柱400和铸造模具300的内环的螺纹配合下在支撑柱400上进行升降。轧制系统200的轧辊210则在铸造模具300转动时对尚未冷却凝固的熔体进行整平，对初步冷却凝固的熔体则进行轧制，从而使得凝固的铸件上端面变得平整，铸件内部晶粒细化，组织成分分布均匀。

二、熔体在模腔内铸件凝固形成具有一定高度的铸件，且随着铸造模具300的转动和下降，浇注系统100将新的熔体不断层铺在已经凝固冷却的铸件上，而每个布流器130后的轧辊210则可以及时地对新注入的熔体进行平整工作，对已经初步冷却凝固的熔体则进行压平轧制，从而时刻保持每一层铸件的端面均变得平整，直至铸造模具300下降至设定的高度后，模腔300内的铸件高度达到要求，形成大型圆环状铸锭。在铸锭的形成过程中，轧辊210对每一层的铸件均进行平整和轧制，使得最终形成的大型铸锭的内部组织紧密，成分均匀，有效地减少了铸锭铸造时可能出现的缩松和缩孔的情况，消除了铸锭心部缺陷，制得的铸锭的机械性能极佳。需要说明的是，每一层的铸件指铸造模具300转动一圈过程中模腔330内增加的铸件。为了使熔体可以快速冷却，浇注系统100需保持较低的注入速度向模腔330内注入熔体，铸造模具300每转动一圈，模腔330内的铸件高度增加2-50mm，使熔体能够以较快的凝固速度凝固，得到的铸件组织细小、成分均匀，具有高强度和高韧性等优异的机械性能，具体的高度增加则根据不同材料的熔体的冷却速度进行选择。所需铸件的材料成分可以包含的元素及相应的重量含量为：c：0.03％～2％，si：0.05％～5.0％，mn：0.03％～31％，al：0.03％～13％，v：0.03％-2％，mo：0.03％-5％，cr：0.05％～10％，cu：0.05％～5％，s：0.01％～0.02％，ni：0.03％～10％，p：0.03％～0.09％，mg：0.06～0.15％，其余为fe。本实施例铸造模具300每转动一圈，模腔330内的铸件高度增加6mm，铸造模具300的高度下降速度则与铸件高度的增加速度保持一致，保持轧辊210可以持续对注入的熔体进行平整轧制。

综上所述，本实施例的一种圆环状铸锭铸造设备，采用实施例1的一种圆环状铸锭铸造设备，能够快速稳定地制备大型圆环状铸锭，消除制备大型铸锭时的组织缺陷，制备出机械性能极佳的铸锭。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。