专利名称：一种无气隙平稳充型浇注设计方法及所用浇注系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造过程的浇注系统设计，具体地说是一种无气隙平稳充型浇注系统设计方法及所用浇注系统，它可普遍适用于有色金属、黑色金属、高温合金等的砂型铸造、金属型铸造和精密铸造的浇注系统设计。
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
本发明系统设计方法是控制充型过程的平稳性，降低充型速度；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，造成裂纹和疏松缺陷；根据流量相等的原则，减小浇注系统中浇道的设计尺寸，提高工艺出品率。
其中所述浇口杯与一塞杆系统相连，当金属液充填到为浇口杯1/2～2/3高度时打开塞杆系统；所述直浇道与横浇道转角处采用圆弧过渡；所述充型速度可以控制在0.5m/s～1.0m/s之间；亦可以通过在所述横浇道中加过滤网或是旋转集渣包来控制浇注速度。根据铸件的实际情况设计不同的浇注系统尺寸，但根本原则是防止卷气和在金属液中产生大量氧化膜。
发明所用浇注系统的组成主要包括浇口杯，及与之相连的直浇道和横浇道；具有下料口的所述浇口杯为偏心结构，即浇口设在杯的偏于浇口杯中心的一侧，其下料口的内口设有凸台式端口，且浇口杯与一塞杆系统相连，塞杆的自由端与内口动态接触，确保浇口杯内液面达到一定高度后充型；所用直浇道根据流量相等原则设计，考虑了初始速度和摩擦等因素的影响，采用上大下小流线型结构；直浇道与横浇道转角处取消浇口窝，改用圆弧过渡，其圆角半径至少为横浇道直径的一倍；其横浇道(设置过滤网或是在横浇道的末端设置一个旋转集渣包来降低内浇口的速度。)的设计主要降低流速，同时保证充满；为了进一步降低充型速度，保证型腔入流平稳。
本发明属无气隙平稳充型浇注系统(natural pressured)，它是根据流体力学原理，结合发明人多年来的研究工作，特别是X射线实时观察技术，控制金属液充型速度，并同时在改进结构的基础上控制金属液充型方式(即流动状态)，使金属液在浇注系统内处于充满状态，无气隙、无扰动、不卷气和不形成氧化膜，铸件不易产生裂纹、疏松和夹杂等缺陷，极大提高铸件的性能和使用寿命。
本发明具有如下有益效果1.由于本发明降低了充型速度，浇口杯中先充满一定量的金属，避免了飞溅现象的发生，控制充型过程的平稳性，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。并采用圆角过渡代替传统的直角过渡或者放置浇口窝等不正确的做法，减小浇注系统的设计尺寸，大大提高了工艺出品率。
2.本发明在改进结构的基础上控制金属液充型方式(即流动状态)，不仅使金属液在浇注系统内处于充满状态，无气隙、无扰动、不卷气和不形成氧化膜，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。
3.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，随着对铸件质量和使用寿命的提高，这种无气隙平稳充型浇注系统将成为新的设计原则。
图1传统的浇注系统设计示意图。
图2本发明浇注系统设计示意图。
图3铸钢轧辊的传统浇注系统设计。
图4本发明新的浇注系统结构示意图；其中41为底座，42为下辊颈下箱铁模，43为下辊颈上箱铁模，44为辊身铁模，45为上辊颈箱铁模，46为冒口箱铁模，47为中间包，48为中间包里的稳流平台，49为直浇口上箱，32为直浇道，411为直浇口箱，412为直浇口下箱，33为直浇道与横浇道交接处的过渡圆弧，34为横浇道。
图5采用本发明新的浇注系统设计工艺方法铸造的支承辊图。
图6采用本发明新的浇注系统设计的铸钢支承辊热处理后的表面状况图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1以大型整体铸造铸钢支承辊为例，材质40Cr4，钢水重量50t，充型时间7～8min，浇注温度1550℃。
如图4所示，本发明铸造浇注方法及系统结构如下1)根据平稳充型的原则设计浇口杯。在浇口杯的出口端设计凸台式稳流平台48，金属液在充型过程中不产生飞溅现象。浇口杯下料口的内口与一塞杆系统相连，当金属液充填到浇口杯2/3高度时打开塞杆系统，有利于在充型过程中排除氧化夹杂物，也有利于金属液充型平稳。2)采用上大下小的流线型直浇道结构，具体化由多段直浇道串接而成(本实施例为4段)，根据流量相等的原则，计算直浇道每一节的尺寸，再通过计算机充型模拟来检验设计的合理性；本实施例入口直径123mm，出口直径63mm。3)在所述横浇道34与直浇道32连接处采用圆弧过渡33，圆角半径为120mm。这样的设计保证了金属液在浇注系统中时刻处于充满状态，充型过程中平稳，无气体和氧化膜的卷入。
如图2所示，本发明浇注金属液在充型过程中始终处于充满状态，没有给气体留下空间，因此不会形成卷气和氧化膜等缺陷，在铸件中不会产生裂纹和疏松缺陷。其中1为金属液，2为砂型。
本发明工作过程及结果由于本发明在浇口杯部分使用了塞杆系统(stopper)，当浇注时，金属液首先将浇口杯充填到2/3高度以上，然后打开塞杆系统，金属液流入直浇道32。这样的设计保证夹杂物等漂浮到浇口杯的上部，同时在充型的开始阶段，能够保证金属液充满铸型。直浇道32上大下小，保证时刻处于充满状态，直浇道32与横浇道34采用圆弧过渡。金属液平稳流进型腔中。
本实施例的铸钢液态金属的重量为50t，轧辊最大直径为1435mm，浇注系统的高度为6.5m高。充型时间为7.5min，观察浇注过程，发现金属液洁净、上升平稳。浇注后40h小时后打箱，铸件表面质量良好(参见图5)。高温退火过程中未发现裂纹等缺陷(参见图6)。
另外，针对中、小型铸件，本发明所述充型速度可以控制在0.5m/s～1.0m/s之间；针对铝合金铸件氧化比较重的情况，本发明可以通过在所述横浇道中加过滤网或是旋转集渣包来控制浇注速度。
比较例如图1所示，现有技术中金属液在充型过程中处于半充满状态，给气体留出很大空间，金属液与气体反应形成氧化膜卷入铸件中形成裂纹和疏松缺陷。其中1为金属液，2为砂型，3为气体。
图3所示是非常典型的传统铸造铸钢轧辊的浇注系统设计。浇口杯31采用圆锥形设计，直浇道32采用钢砖管，上下直径尺寸相同。一般10吨左右的铸钢件直浇道32尺寸约为100～120mm。在直浇道32与横浇道34交接处采用直角过渡，通常放置浇口窝。横浇道34的尺寸没有变化。这样设计的缺点是1)浇口杯不能充满，金属流在直浇道中越来越细，导致气体有很大的空间。金属液与气体反应激烈，形成的氧化膜卷入金属液中。在交接处由于是直角过渡，容易造成湍流和卷气现象。横浇道尺寸很大，在充型的开始阶段也不能处于充满状态，同样造成卷气和氧化膜，这些都是可怕的裂纹源，容易导致轧辊热裂、疏松等缺陷，在使用过程中容易断裂或者剥落。
权利要求
1.一种无气隙平稳充型浇注系统设计方法，其特征在于控制充型过程的平稳性，降低充型速度；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，造成裂纹和疏松缺陷；根据流量相等的原则，减小浇注系统中浇道的设计尺寸，提高工艺出品率。
2.按照权利要求1所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法，其特征在于所述浇口杯与一塞杆系统相连，当金属液充填到为浇口杯1/2～2/3高度时打开塞杆系统。
3.按照权利要求1所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法，其特征在于所述直浇道与横浇道转角处采用圆弧过渡。
4.按照权利要求1所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法，其特征在于所述充型速度可以控制在0.5m/s～1.0m/s之间。
5.按照权利要求1所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法，其特征在于可以通过在所述横浇道中加过滤网或是旋转集渣包来控制浇注速度。
6.一种无气隙平稳充型浇注系统设计方法所用浇注系统，主要包括浇口杯，及与之相连的直浇道和横浇道；其特征在于具有下料口的所述浇口杯为偏心结构，即浇口设在杯的偏于浇口杯中心的一侧，其下料口的内口设有凸台式端口，且浇口杯与一塞杆系统相连，塞杆的自由端与内口动态接触；所述直浇道为上大下小流线型结构；直浇道与横浇道转角处采用圆弧过渡。
7.按权利要求6所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法所用浇注系统，其特征在于在所述横浇道中加过滤网或是旋转集渣包。
8.按权利要求6所述无气隙平稳充型浇注系统设计方法所用浇注系统，其特征在于所述直浇道与横浇道转角处圆弧过渡的圆角半径至少为横浇道直径的一倍。
全文摘要
本发明公开一种无气隙平稳充型浇注系统设计方法及所用浇注系统。它采用控制充型过程的平稳性，降低充型速度；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，造成裂纹和疏松缺陷；根据流量相等的原则，减小浇注系统中浇道的设计尺寸，提高工艺出品率；浇口杯与一塞杆系统相连，当金属液充填到为浇口杯1/2～2/3高度时打开塞杆系统；直浇道与横浇道转角处采用圆弧过渡；充型速度可以控制在0.5m/s～1.0m/s之间。本发明可普遍适用于有色金属、黑色金属、高温合金等的砂型铸造、金属型铸造和精密铸造的浇注系统设计。
文档编号B22C9/00GK1552542SQ20031010521
公开日2004年12月8日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者李殿中, 夏立军, 康秀红, 李强, 柯伟, 李依依 申请人:中国科学院金属研究所