专利名称：一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种优化的铸造浇注系统，具体的说，涉及一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，属于冶金技术领域。
背景技术：
上冲式烧注系统(Uphill Teeming Casting)是铸钢生产的一种烧注结构,主要应用于一些很难保证质量的轴承钢和一些工具钢的生产上。在该系统浇注过程充型的初始阶段，金属液以很高的速度通过内浇道，将产生严重的湍流、喷射和飞溅，从而导致卷气、氧化、夹渣等铸造缺陷。为克服上述缺陷，国内外对此均有研究工作。在国内有采取将其内浇道直径放大的措施，形成开放式浇注系统，即直浇道内一直为未充满状态，通过降低静压来达到降低流速、平稳金属液的目的，如钟文波的“模底砖孔径影响大钢锭浇注及凝固过程的数值模拟”(《特种铸造及有色合金》，2010，30，803-805)。该方法的缺点是直浇道内金属始 终为未充满状态，因此金属碎液与气体接触易于氧化。在国际上，有采用设置25°开口锥角的内烧道结构，如 G. JONSSON 的 “Effect of Entrance Nozzle Design on the FluidFlow in an Ingot Mold during Filling，，(《ISIJ International》,2004，44，1358-1365),该结构有一定效果，但还不能满足要求。在国际上还有在内浇道设置锥角的基础上，进一步在内烧道的进口处加设搅动叶片的工艺结构设计，如G. J0NSS0N的“A NumeriaclStduy of Swirl Blade Effects in Uphill Teeming Casting，，(《ISIJ International》，2010, 50, 1756-1762)。该结构的不足之处是增加了机械结构的复杂程度，而且陶瓷叶片一面受高温金属液的影响，一面受流体不断冲击，增大了产生外生夹杂的几率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其在直浇道充满的状态下，对内浇道出口的流场的分布实现均匀化，从而减小金属液上冲的趋势，减少湍流、喷射和飞溅的发生，以避免形成卷气、氧化、夹渣等
铸造缺陷。本发明所采取的技术方案是一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，包括直浇道、横浇道、内浇道、铸型和冒口，其特征在于所述工艺结构还包括有设置并连接于横浇道与内浇道之间的均流缓冲区，该均流缓冲区的直径D3大于所述横浇道的直径D1，并且大于等于所述内浇道的直径D2。所述均流缓冲区的直径D3等于2M，M为横浇道的直径Dl和内浇道的直径D2中的
最大值。所述均流缓冲区的长度L大于内浇道的直径D2，可以等于内浇道的直径D2的2倍。所述内浇道的轴心位置满足下列条件
O. 5D2 < I < L - O. 5D2,其中，I为内浇道的轴心与均流缓冲区和横浇道的连接端的距离，D2为内浇道的直径，L为均流缓冲区的长度。所述内浇道的轴心位置可以位于均流缓冲区的长度L上靠近横浇道一侧的黄金分割点。所述均流缓冲区与横浇道同轴。本发明通过在横浇道末端和内浇道入口的连接处增加设置一扩大的均流缓冲区，使流入内浇道的金属液不仅从横浇道直接进入内浇道，而且有一部分金属液先向前撞击均 流缓冲区的端壁后再返回进入内浇道，即，由原来单一方向流动的金属液流变为至少两个反方向对流的金属液流，两个反方向的金属液流对冲后相互消弱了对方的流速，并实现均匀化，从而平稳了进入铸型的金属液流。与现有技术相比，本发明的有益效果是设置的均流缓冲区对充型过程中的金属液流起到了均流和缓冲作用，使内浇道出口的流场分布比较均匀。在内浇道尺寸相同的情况下，本发明效果远远好于简单地将内浇道口尺寸放大的现有工艺结构的效果，而且直浇道中金属液始终是充满状态，因而避免金属氧化的效果又优于开放式系统。本发明的均匀缓冲区与加开口锥角的内浇道结合使用，其效果与内浇道加开口锥角与叶片同时使用的结构相当，叶片的搅动也是将高速液流和低速液流混合均匀，但与加叶片的结构相比，本发明突出的优点是结构简单，没有增加任何机械结构复杂程度，同时避免了由于增加叶片导致的叶片高温机械性能隐患和产生外生夹杂物等问题。总之，本发明对充型中的金属液流起到了均流和缓冲作用，使内浇道的流场分布比较均匀，减少了湍流、喷射和飞溅的发生，从而避免了卷气、氧化、夹渣等铸造缺陷，本发明具有结构简单、制造容易的优点。
图I为本发明的结构示意图。图2为均流缓冲区的结构示意图。图3为40吨钢锭浇注系统中充型14%时，内浇道出口横截面的流场分布图；其中，图a)为本发明实施例一的内浇道流场分布图，该内浇道未设置锥角，图b)为无均流缓冲区、内浇道具有15°向上开口锥角的现有工艺结构的流场分布图，图c)为无均匀缓冲区、内浇道无锥角或者小锥角的现有工艺结构的流场分布图。图4为实施例一铸锭充型17%时的流场图。图5为63. 5吨钢锭浇注系统中，充型21. 4s时内浇道出口横截面的流场分布图；其中，图a)为本发明实施例二的流场分布图，图b)为无均流缓冲区的现有工艺结构的流场分布图。图6为实施例三充型21. 4s时内浇道横截面上的流场分布；其中，图a)是内浇道入口截面，图b)是内浇道出口截面。图7为实施例三的铸型内液面其中，图a)是充型21. 4s时的铸型内液面图，图b)是充型64. 5s时的铸型内液面图。图中，I横浇道，2内浇道，3均流缓冲区，4直浇道，5铸型，6冒口，Dl横浇道直径，D2内浇道直径，D3均流缓冲区直径，L均流缓冲区长度，I内浇道的轴心与均流缓冲区和横浇道的连接端的距离。
具体实施例方式请结合参阅图I和图2，图示用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构包括直浇道4、横浇道I、均流缓冲区3、内浇道2、铸型5和冒口 6，其中，竖直的直浇道4与水平的横浇道I连接，均流缓冲区3设置并连接于横浇道I与内浇道2之间，向上的内浇道2连接铸型5的下端，该铸型5的上端连接有冒口 6。
所述均流缓冲区3为横向的圆柱型，其与横浇道I同轴，见图2，均流缓冲区3直径D3大于所述横浇道I的直径D1，并且大于等于所述内浇道2的直径D2，该直径D3的取值一般可以等于2M，M为横浇道I的直径Dl和内浇道2的直径D2中的最大值，即，D3=2M，M=Max (D1，D2)。所述均流缓冲区3的长度L大于内浇道2的直径D2，一般可以等于内浇道的直径D2的2倍，即L=2D2。参见图2，所述内浇道2的轴心位置应满足下列条件O. 5D2 < I < L - O. 5D2,其中，I为内浇道2的轴心与均流缓冲区3和横浇道I的连接端的距离，D2为内浇道2的直径，L为均流缓冲区3的长度。一般地，所述内浇道2的轴心的较佳位置位于均流缓冲区3的长度L上靠近横浇道I 一侧的黄金分割点。所述内浇道2的向上锥角为0°飞0°，较佳为20° 30°，可以根据实际生产要求确定。下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的参数，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。实施例一本实施例为本发明应用于40吨钢锭的浇铸，其基本工艺结构如以上技术方案所述,具体工艺结构参数如下铸型5加冒口 6总高3430mm ;直浇道4的直径为60mm，高3880mm ;横浇道I的直径Dl为60mm ；内浇道2的直径D2为120mm ;均流缓冲区3的直径D3为240臟，均流缓冲区3的长度L为270mm ;内浇道2的轴心位于均流缓冲区3的长度L上靠近横浇道I 一侧的黄金分割点上。浇铸时，金属液流的充型速度为27.8kg/s。本实施例与现有技术的对比可参阅图3充型14%时内浇道出口横截面的流场分布图。图a)为本实施例一的内浇道流场分布图，该内浇道未设置锥角，从图可知，内浇道流速分布较为均匀，流速分布范围在7(Tl80cm/S之间；图b)为无均流缓冲区、内浇道具有15°向上开口锥角的现有工艺结构的流场分布图，从图可知，其流速范围在5(T240cm/S之间；图c)为无均匀缓冲区、内浇道无锥角或者小锥角的现有工艺结构的流场分布图，从图可知，其流速范围在5(T335cm/S之间；由对比结果可见，本发明的均流缓冲区3对流场的均匀效果十分明显。图4为本发明的实施例一铸锭充型17%时的流场图，从图可知，充型过程中金属液流基本上完全平稳。实施例二本实施例为本发明应用于63. 5吨钢锭的浇铸，其基本工艺结构如以上技术方案所述，具体工艺结构参数如下直浇道4的直径为90mm，高4450mm ;横浇道I的直径Dl为60mm ;内浇道2的直径D2为120mm，无锥角，高256mm ;均流缓冲区3的直径D3为120mm，均流缓冲区3的长度L为240mm ；内浇道2的轴心与均流缓冲区3和横浇道I的连接端的距离I = 120mm ;浇铸时，金属液流的充型速度为29. 4kg/s。 本实施例与现有技术的对比可参阅图5充型21. 4s时内浇道出口横截面的流场分布图。图a)为本实施例二的内浇道流场分布图，从图可知，内浇道流速分布范围为2(Tl45Cm/S ;图b)为无均流缓冲区的现有工艺结构的流场分布图，从图可知，内浇道流速分布范围为(T200cm/S ;由对比结果可见，本发明的均流缓冲区3对内浇道2内金属液流流速的均流作用很明显。实施例三本实施例为本发明应用于63. 5吨钢锭的浇铸，其基本工艺结构如以上技术方案所述，具体工艺结构参数如下直浇道4的直径为90mm，高4450mm ;横浇道I的直径Dl为60mm ;内浇道2下端口的直径D2为90mm，锥角10°，高256mm ;均流缓冲区3的直径D3为220mm，均流缓冲区3的长度L为310mm ;内浇道2的轴心与均流缓冲区3和横浇道I的连接端的距离I = 150mm ；浇铸时，金属液流的充型速度为29. 4kg/s。本实施例的效果可参阅图6充型21. 4s时内浇道横截面上的流场分布，图a)是内浇道2入口截面，图b)是内浇道2出口截面。从图可知，内浇道2入口金属液流速度分布变得很均匀，范围为27 lOOcm/s ;出口处因为内浇道2直径变大，速度进一步降低，分布范围为〈74cm/s。本实施例中，因为入口流速被均匀化，降低了金属液流流速的峰值，出口直径进一步放大，流速进一步减小，因此金属液流充型十分平稳，效果如图7所示的铸型内液面图。
权利要求
1.一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，包括直浇道、横浇道、内浇道、铸型和冒口，其特征在于所述工艺结构还包括有设置并连接于横浇道与内浇道之间的均流缓冲区，该均流缓冲区的直径D3大于所述横浇道的直径D1，并且大于等于所述内浇道的直径D2。
2.根据权利要求I所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述均流缓冲区的直径D3等于2M，M为横浇道的直径Dl和内浇道的直径D2中的最大值。
3.根据权利要求I所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述均流缓冲区的长度L大于内浇道的直径D2。
4.根据权利要求3所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述均流缓冲区的长度L等于内浇道的直径D2的2倍。
5.根据权利要求I所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述内浇道的轴心位置满足下列条件O. 5D2 < I < L - O. 5D2, 其中，I为内浇道的轴心与均流缓冲区和横浇道的连接端的距离， D2为内浇道的直径， L为均流缓冲区的长度。
6.根据权利要求I所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述内浇道的轴心位置位于均流缓冲区的长度L上靠近横浇道一侧的黄金分割点。
7.根据权利要求I所述的用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，其特征在于所述均流缓冲区与横浇道同轴。
全文摘要
本发明公开了一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构，包括直浇道、横浇道、内浇道、铸型和冒口以及设置于横浇道与内浇道之间的均流缓冲区，该均流缓冲区的直径D3大于所述横浇道的直径D1，并且大于等于所述内浇道的直径D2。本发明缓冲了从横浇道进入内浇道的金属液流，并均匀化了内浇道的液流流速，使液流较平稳甚至完全平稳地进入铸型，避免了飞溅并减小甚至消除了金属液表面的喷凸，从而避免了卷气、氧化、夹渣等铸造缺陷。本发明具有结构简单、制造容易、便于应用的优点。
文档编号B22C9/08GK102962403SQ201210473600
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者王斌, 胡侨丹, 徐长征, 张洪奎, 李建国 申请人:上海交通大学