一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法。
【背景技术】
[0002]用于核电机组的高压内缸铸件为一种大壁厚内缸铸钢件，该铸件内、外腔为回转形成的半圆柱形结构，如图1所示，其中法兰面的最大壁厚达330mm以上，缸壁壁厚220~250mm。原铸造工艺的冒口设计如图2所示，在法兰面和内腔中间设置冒口，冒口之间放置冷铁分区，每个冒口对应每个分区进行补缩。该工艺沿用常规汽缸件的铸造工艺进行设计，没有考虑到该铸件本身大壁厚的结构特点，因此铸件存在诸多缩松缺陷。常规汽缸件的缸壁在60_~100_，法兰上的明冒口与内腔暗冒口之间使用冷铁分区，由于壁厚比较薄，冷铁的激冷作用明显，缸壁能够在短时间内凝固，明冒口与暗冒口可以分别补缩各自区域，消除铸件缩松。而本产品的铸件壁厚在220~250mm，大于常规汽缸件，使用冷铁分区时，激冷作用不明显，导致铸件凝固时，冷铁部位的缸壁没有及时凝固，明冒口内的钢水在重力作用下对整个铸件补缩，明冒口内钢水不足，导致结合面缩松和夹渣缺陷严重，同时，缸壁的中心凝固时间晚，导致铸铸件壁厚中心出现缩松。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术中大壁厚内缸铸件铸造工艺中冒口设计存在的问题，提供一种可以避免壁厚方向缩松的一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法。
[0004]本发明的目的是这样实现的，一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，依次包括如下过程:
1)根据半环形内缸铸件的结构，将半环形内缸铸件沿轴向划分为便于计算不同部位模数的若干段，并依次将各段标记为段一一段η;
2)从段一开始计算各段的模楼，按段一沿半环形圆周各弧段部位的壁厚不同，将段一进一步分为便于模数计算的不同弧段，各段的模数分别记为M 11—Mlm，并取各段模数的最大值M 0，计为M O = M ax (Μ 11一Mlm)；
3)根据上步中段I各弧段模数的计算结果，在段一的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一，所述冒口一为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，所述冒口一的模数设为M 1，取M^ 1.2 MO计为公式I ;
半圆柱形冒口的理论模数为:Μ柱=V/S=3iRd/[2(3TR+jid+2d)]计为公式2其中，V为半圆柱的体积，S为半圆柱的表面积，R为半圆柱的半径也就是铸件内腔弧面的半径，d为冒口沿半圆柱轴向的厚度；
为延长冒口的凝固时间，在冒口沿半圆柱端面的外侧设置保温层，所述保温层的保温系数K为1.3-1.4，此时冒口一的实际模数为M I = K M柱计为公式3，将公式2代入公式3得到:M I = K Rd/ [2 (R+ 31 d+2d)]，计为公式4，再将公式4代入公式I得到冒口一厚度d的最小值d_，d的实际取值按I一1.1倍(1_计，从而确定冒口一的尺寸；
4)在冒口一的顶部设置冒口二，以提供铸件型腔及冒口一的补缩液，冒口二的长度为2R，宽度为d，高度为H，冒口二宽度方向的两端为半圆柱形，所述冒口二的补缩液量m大于段一和冒口一的总钢水量ml，m按下式确定:m=l.353*[ (14-ε ) / ε ]*v*p计为公式5，其中单位为kg ; ε——体收缩率，钢水的取值按5计；P——钢水密度，取7.83t/m3，v—冒口二的体积；冒口二的体积V = (2Rd-0.215d2) H*10 6，单位为m3，计为公式6，将公式6代入公式 5，得到 m=34.67*(2Rd-0.215d2)H*10 6> Hi1，换算得出 H > 16 m,/(69.34Rd_7.45d2)，计为公式7，此式中m可以根据段一和冒口一计算得到，从而确定H的最小值H_，所述冒口二的实际高度为I一 1.1倍H_;
5 )重复步骤2) — 4 )分别设计计算段二一段3的冒口参数。
[0005]本发明根据大壁厚半环形内缸铸件的结构特点和浇注过程中不同型腔部位的模数越大，钢水的凝固时间越长的原则，将冒口设置成包裹住铸件的整个半圆弧内腔，并使冒口提供足够的钢水补缩量，使得整个铸件缸壁变成了凝固时的末端区(先凝固区)，消除了常规工艺方法导致的缸壁中心因凝固延迟而产生的缩松问题；并且整个冒口垂直向上，钢水中的氧化物、夹渣以及浇注过程中卷入的气体等可以直接上浮到冒口中，降低了铸件本身存在夹渣、气孔的风险。
[0006]为进一步延长冒口的凝固时间，所述冒口二的外侧也设置与冒口一相同的保温层。
[0007]为便于浇注后冒口部位的切除，所述冒口一的保温层的弧形边缘与铸件内腔弧面设有40— 50mm的间隙。
【附图说明】
[0008]图1为大壁厚半环形内缸铸件结构示意图。
[0009]图2现有技术中大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计工艺图。
[0010]图3为本发明的实施例中大壁厚半环形内缸铸件冒口设计工艺中的分段示意图。
[0011]图4为内缸铸件其中的一个分段按不同模数不同划分的弧段示意图。
[0012]图5为内缸铸件其中的一个分段的冒口结构示意图。
[0013]图6为整个大壁厚半环形内缸铸件的冒口结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示为本实施例的所涉及大壁厚半环形内缸铸件结构示意图，其中，缸壁厚D=22.4cm,缸壁内径R=93cm，该内缸铸件产品沿长度方向的中心截面大体上结构对称分布，因此按本发明的方法设计冒口时，只需设计其中的一半即可，然后再对称设置另一半，其中的一半，分为段一 I和段二 2两段，如图3所示。计算段一 I和段二 2模数时，先计算段一 I的模数，如图4所示，段一 I按结构和壁厚分布划分为法兰口附近的弧段一，壁厚均匀处的弧段二和弧长中间部位的弧段3，分别计算各弧段的模数M11，M12，M13，并取M O =M ax (Μ 11，M12，M13);据此在段一 I的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一 3，冒口一 3为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，为使冒口一 3延时凝固，取冒口一 3的模数M I ^ 1.2MO，半圆柱形冒口一的理论模数计算值为M柱=V/S= JT Rd/ [2 (JT R+ 31 d+2d)]，在半圆柱冒口一 3的外侧设置保温系数K为1.35的保温层5，因此，冒口一 3的实际模数为M I =1.35 M柱，并按上述计算Ml ^ 1.2 MO,可以确定冒口一 3沿半圆柱轴向的厚度d的最小值为d_=3.768RM。/ (2.119R-6.168M。)，d的实际按1—1.1倍d_取值，从而可以确定冒口一 3的尺寸。再在冒口一 3的上部设置用于补缩铸件型腔及冒口一 3的钢水量的冒口二4，冒口二4的长度为2 R，宽度为d，高度为H，冒口二 4宽度方向的两端为半径为d/2的半圆柱形，并且根据公式5、公式6和公式7可以确定冒口二 4的最小高度值H_，H实际按1-1.1倍H _取值，同样在冒口二 4的外侧设置保温系统为1.35的保温层5，以延长冒口二 4的凝固时间；同时考虑到浇注后便于清理冒口部位，冒口一 3外层的保温层5的弧形边缘与铸件内腔弧面设有40— 50mm的间隙。这样就完成了段一的内腔的冒口结构和参数和设计，如图5所示，再按上述方法设计计算段二冒口的结构和参数，从而完成本实施例铸缸件一半的冒口方案设置，如图6所示，最后对称设置铸缸件另一半内腔的冒口设计。
[0015]经生产实验，采用本发明冒口设计方法最终浇注的大壁厚半环形内缸铸件的内部质量使用超声波检测(UT)，检测级别为UT2级，铸件各部件没有超过检测级别的缺陷，说明该类型冒口能够有效的解决缩松、夹渣以及气孔缺陷。
【主权项】
1.一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，依次包括如下过程: 1)根据半环形内缸铸件的结构，将半环形内缸铸件沿轴向划分为便于计算不同部位模数的若干段，并依次将各段标记为段一一段η; 2)从段一开始计算各段的模楼，按段一沿半环形圆周各弧段部位的壁厚不同，将段一进一步分为便于模数计算的不同弧段，各段的模数分别记为M 11—Mlm，并取各段模数的最大值M O，计为M O = M ax (Μ 11一Mlm)； 3)根据上步中段I各弧段模数的计算结果，在段一的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一，所述冒口一为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，所述冒口一的模数设为M 1，取M^ 1.2 MO计为公式I ; 半圆柱形冒口的理论模数为:Μ柱=V/S=3iRd/[2(3TR+jid+2d)]计为公式2 其中，V为半圆柱的体积，S为半圆柱的表面积，R为半圆柱的半径也就是铸件内腔弧面的半径，d为冒口沿半圆柱轴向的厚度； 为延长冒口的凝固时间，在冒口沿半圆柱端面的外侧设置保温层，所述保温层的保温系数K为1.3-1.4，此时冒口一的实际模数为M I = K M柱计为公式3，将公式2代入公式3得到:M I = K Rd/ [2 (R+ 31 d+2d)]，计为公式4，再将公式4代入公式I得到冒口一厚度d的最小值d_，d的实际取值按I一1.1倍(1_计，从而确定冒口一的尺寸； 4)在冒口一的顶部设置冒口二，以提供铸件型腔及冒口一的补缩液，冒口二的长度为2R，宽度为d，高度为H，冒口二宽度方向的两端为半圆柱形，所述冒口 二的补缩液量m大于段一和冒口一的总钢水量ml，m按下式确定:m=l.353*[ (14-ε ) / ε ]*v*p计为公式5，其中单位为kg ; ε——体收缩率，钢水的取值按5计；P——钢水密度，取7.83t/m3，v—冒口二的体积；冒口二的体积V = (2Rd-0.215d2) H*10 6，单位为m3，计为公式6，将公式6代入公式 5，得到 m=34.67*(2Rd-0.215d2)H*10 6> Hi1，换算得出 H > 16 m,/(69.34Rd_7.45d2)，计为公式7，此式中m可以根据段一和冒口一计算得到，从而确定H的最小值H_，所述冒口二的实际高度为I一 1.1倍H_，； 5 )重复步骤2) — 4 )分别设计计算段二一段3的冒口。2.据权利要求1所述的大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，所述冒口 二的外侧也设置与冒口 一相同的保温层。3.根据权利要求1所述的大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，所述冒口一的保温层的弧形边缘与铸件内腔弧面设有40— 50mm的间隙。
【专利摘要】本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，本发明的冒口设计方法中，根据大壁厚半环形内缸铸件的结构特点和浇注过程中不同型腔部位的模数越大，钢水的凝固时间越长的原则，将冒口设置成包裹住铸件的整个半圆弧内腔，并使冒口提供足够的钢水补缩量，使得整个铸件缸壁变成了凝固时的末端区（先凝固区），消除了常规工艺方法导致的缸壁中心因凝固延迟而产生的缩松问题；并且整个冒口垂直向上，钢水中的氧化物、夹渣以及浇注过程中卷入的气体等可以直接上浮到冒口中，降低了铸件本身存在夹渣、气孔的风险。
【IPC分类】B22C9/08
【公开号】CN105127372
【申请号】CN201510544984
【发明人】赵玉利, 郭小强, 马涛, 程亚军
【申请人】共享铸钢有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月31日