专利名称：一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法
技术领域：
本发明涉及大型铸钢件铸造技术领域，特别涉及一种加快和均衡大型铸钢件冷却
的方法。
背景技术：
大型铸钢件是指毛量大于等于5t的铸件，大型铸钢件铸造过程中冷却缓慢，尤其 是冒口补縮部位的厚大部位，使得铸件在砂型中的保温时间长，如很多大型铸钢件在砂型 中的冷却时间在1个月甚至1个月以上，同时薄壁部位和厚大部位的温差大，易导致应力和 变形或裂纹。这方面至今还没有解决的方法。通常，在铸造工艺方面主要有采用外冷铁、内 冷铁和冷却能力较强的面砂来加强铸件的局部冷却，这些措施是为了从铸件到冒口形成温 度梯度，以利于铸件补縮，从而减小縮孔縮松缺陷。而这正是造成铸件凝固后铸件温度分布 不均匀，冷却时间长的原因。 对于厚薄空心回转体铸件的内壁粘砂问题或球铁件冷却速度慢球化衰退问题，有 人提出在砂芯中布置风冷管道在铸件浇注后即进行强制冷却的方法和装置。该技术针对特 定形状的铸件，目的也仅是厚壁部位的粘砂问题。有人对于深入砂型内部接触铸件侧面的 压縮空气或冷却水的方法进行了模拟计算和对组织的分析，并应用于一重铸件生产，目的 是保证从铸件到冒口的温度梯度，实现顺序凝固，保证补縮，消除凝固过程中的縮孔縮松缺 陷。这些措施都是解决铸件凝固过程中的问题，不是解决铸件凝固后的冷却缓慢问题，也不 涉及加速铸件核心热节的冷却问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种加快和均衡大型铸钢 件冷却的方法，对冒口上表面和侧面进行喷射水雾、强制风冷或二者同时进行，实现铸件厚 大部位的加速冷却，縮短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时降低铸件的温度不 均匀性，有助于降低铸件的应力、变形和裂纹倾向。 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种加快和均衡大型铸钢 件冷却的方法，包括以下步骤 1 、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清 理冒口上部2/3的侧面的砂型； 2、在冒口斜上方布置水雾喷头或风机，使作用范围完全覆盖冒口上方和暴露的侧 面，启动水雾喷射或风机，对冒口上表面和侧面进行冷却，使暴露冒口表面的换热系数在 100 1500W/m2K范围，直至铸件冷却到要求的落砂温度；采用风机冷却时，作用到铸件暴 露冒口表面的风速大于3m/s ;采用水雾冷却时，到达冒口暴露表面的水流密度大于lkg/ m、，水流冲击速度大于3m/s。 本发明使大型铸钢件凝固时起补縮作用的冒口在铸件凝固后的冷却过程中快速 冷却，从而縮短铸件厚大部位与其它部位的温差，縮短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时也有助于从整体上减小大型铸钢件铸造过程中的裂纹倾向和变形。
图1是实施例一的应力框试件的结构图，其中图1(a)是主视图；图1(b)是侧视 图。 图2是铸件凝固后冒口强制冷却示意断面图，其中图2(a)是采用风机冷却；图 2(b)是采用水雾喷头冷却。 图3是实施例一的应力框试件在666min时的温度分布效果图，其中图3(a)是采 用本发明方法的温度分布效果图；图3(b)是未采用本发明方法的温度分布效果图。
图4是实施例一应力框试件温度均匀性效果图。
图5是实施例一应力框试件采用本发明的粗细杆应力效果图。 图6是实施例二大型水轮机叶片铸件结构图，其中图6(a)是铸件的主视图；图 6(b)是铸件的俯视图；图6(c)是铸件的右视图。 图7是实施例二大型水轮机叶片采用本发明的温度均匀性效果图。
图8是实施例二大型水轮机叶片落砂时刻的温度均匀性效果图，其中图8(a)是 采用本发明方法的温度均匀性效果图；图8(b)是未采用本发明方法的温度均匀性效果图。
图9是实施例二大型水轮机叶片的变形效果图，其中图9(a)是采用本发明方法 的变形效果图；图9(b)是未采用本发明方法的变形效果图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的原理做详细说明。
实施例一 —种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，包括以下步骤 1、一种应力框铸钢试件，其尺寸如图1所示，A部位的尺寸为200X200X1000mm， 细杆B部位的尺寸为80X80X 1000mm，粗杆C部位的尺寸为200X 200X 1000mm，当应力
框铸钢试件凝固结束后，清理铸件冒口 3上表面保温材料，使冒口 3上表面充分暴露，清理 冒口 3上部2/3的侧面的砂型； 2、参照图2(a)，在两个冒口 3的中间斜上方距离左右各2m处分别布置2台移动式 轴流风机4，开启风机4，作用到铸件1的暴露冒口 3表面的风速为5m/s，对冒口 3暴露上表 面和侧面连续进行强制风冷32小时，对流换热系数400W/ml，直至铸件1冷却到要求的落 砂温度。 本实施例的效果参照图3，图3是所示某中间时刻采用本实施例的方法结果和未 采用本方法的模拟结果对比；结果表明，采用本方法应力框温度分布更加均匀，采用本方法 后粗杆C的温度、粗杆C的温度与细杆B的温度的差降低14(TC，冷却时间縮短，縮短了约 40% ;参照图4、图5，图4是粗杆的温度和粗杆与细杆的温差随时间变化曲线对比，图5是 应力框试件采用本发明后的粗杆C和细杆B应力效果，细杆B的应力变化有明显差别，采用 本发明方法时，铸件冷却过程中细杆B的最大应力值减小约10%，最终的残余应力基本相 同，见粗杆C和细杆B的应力变化对比图5。从本案例可以看出采用本发明方法可大幅度地 縮短铸件在砂型中的冷却时间，使温度分布更加均匀，冷却过程中的应力水平降低，这有助于减小冷裂倾向。
实施例二 —种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，包括以下步骤 1、参照图6，铸件为某大型水轮机叶片，叶片呈X型空间曲面，尺寸为 4687X4268X1753mm，当铸件凝固结束后，清理铸件冒口 3上表面保温材料，使冒口 3上表 面充分暴露，清理冒口 3上部2/3的侧面的砂型； 2、参照图2(b)，在冒口 3上方布置8个水雾喷头和周围20个水雾喷头，距离冒口 3表面0. 5m，开启水雾喷头5，连续喷雾，到达暴露冒口 3表面的水流密度为3kg/m2s，水流 冲击速度3m/s对冒口 3上表面和侧面强制冷却，喷雾冷却时间260h，直至铸件1冷却到要 求的落砂温度80°C。 本实施例的效果参照图7，表明本实施例叶片冷却到落砂温度所需时间縮短 40% ;参照图8，使用本实施例的方法，叶片温度均匀性提了，叶片温差最大縮小了 280°C ; 参照图9，图9是采用本发明后得到的叶片变形和未采用本方法结果的对比，从图中可以看 出，叶片尖角A点最终位移縮小5. 3mm，縮小了 25 % 。
图中1-铸件、2-砂型、3_冒口、4-风机、5-水雾喷头。
权利要求
一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，其特征在于，包括以下步骤一、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清理冒口上部2/3的侧面的砂型；二、在冒口斜上方布置水雾喷头或风机，使作用范围完全覆盖冒口上方和暴露的侧面，启动水雾喷射或风机，对冒口上表面和侧面进行冷却，使铸件表面的对流换热系数在100～1500W/m2K范围，直至铸件冷却到要求的落砂温度；采用风机冷却时，作用到铸件冒口表面的风速大于3m/s；采用水雾冷却时，到达冒口表面的水流密度为大于1kg/m2s，水流冲击速度大于3m/s。
2. —种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，该大型铸钢件是一种应力框铸钢试件，(A)部位的尺寸为200X200X1000mm，细杆(B)部位的尺寸为80X80X 1000mm，粗杆(C)部位的尺寸为200X200X1000mm，其特征在于，包括以下步骤一、当应力框铸钢试件凝固结束后，清理铸件冒口 (3)上表面保温材料，使冒口 (3)上表面充分暴露，清理冒口 (3)上部2/3的侧面的砂型；二、在两个冒口 (3)的中间斜上方距离左右各2m处分别布置2台移动式轴流风机(4)，开启风机(4)，作用到铸件(1)的暴露冒口 (3)表面的风速为5m/s，对冒口 (3)暴露上表面和侧面连续进行强制风冷32小时，对流换热系数400W/ml，直至铸件(1)冷却到要求的落砂温度。
3. —种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，该大型铸钢件是一种大型水轮机叶片，叶片呈X型空间曲面，尺寸为4687X4268X 1753mm，其特征在于，包括以下步骤一、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口 (3)上表面保温材料，使冒口 (3)上表面充分暴露，清理冒口 (3)上部2/3的侧面的砂型；二、在冒口 (3)上方布置8个水雾喷头和周围20个水雾喷头，距离冒口 (3)表面0.5m，开启水雾喷头(5)，连续喷雾，到达暴露冒口 (3)表面的水流密度为3kg/m、，水流冲击速度3m/s对冒口 3上表面和侧面强制冷却，喷雾冷却时间260h，直至铸件(1)冷却到要求的落砂温度8(TC。
全文摘要
一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清理冒口上部2/3的侧面的砂型；在冒口上方和暴露的侧面布置水雾喷头或风机，启动水雾喷射和或开启风机，对冒口上表面和侧面进行喷雾或强制风冷，直至铸件冷却到要求的落砂温度；本发明可实现铸件厚大部位的加速冷却，缩短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时降低铸件的温度不均匀性，有助于降低铸件的应力、变形和裂纹倾向。
文档编号B22D30/00GK101700569SQ20091021883
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者康进武, 胡永沂, 黄天佑 申请人:清华大学