一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102962403 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102962403 A *CN102962403A* (21)申请号 201210473600.0 (22)申请日 2012.11.20 B22C 9/08(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 王斌 胡侨丹 徐长征 张洪奎 李建国 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人 祖志翔 (54) 发明名称 一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场 的工艺结构 (57) 摘要 本发明公开了一种用于上冲式。

2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 。

3、(12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/1 页 2 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 1 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 D1 和内浇道的直径 D2 中的最 大值。 3. 根据权利要求 1。

4、 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 1 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 ： 0.5D2 l L 0.5D2， 其中， l 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 1 所述的用。

5、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 1 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。 权 利 要 求 书 CN 102962403 A 2 1/4 页 3 一种用于上冲式浇注系统中均匀内浇道流场的工艺结构 技术领域 0001 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 0002 上冲式浇注系统 （Uphill Teeming。

6、 Casting） 是铸钢生产的一种浇注结构， 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。

7、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 角的内浇道结构， 如 G.的 “Effect of Entrance Nozzle Design on the Fluid Flow 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 一步在内浇道的进口处加设搅动叶片的工艺结构设计， 如 G.的 “A Numeriacl Stduy of Swirl Blade Effects in。

8、 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 0003 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。 0004 本发明所采取的技术方案是 ： 0。

9、005 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。 0006 所述均流缓冲区的直径 D3 等于 2M， M 为横浇道的直径 D1 和内浇道的直径 D2 中的 最大值。 0007 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。 0008 所述内浇道的轴心位置满足下列条件 ： 说 明 书 CN 102962403 A 。

10、3 2/4 页 4 0009 0.5D2 l L 0.5D2， 0010 其中， l 为内浇道的轴心与均流缓冲区和横浇道的连接端的距离， 0011 D2 为内浇道的直径， 0012 L 为均流缓冲区的长度。 0013 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。 0014 所述均流缓冲区与横浇道同轴。 0015 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。

11、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。 0016 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。

12、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。 0017 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。 附图说明 0018 图 1 为本发明的结构示意图。 0019 图 2 为均流缓冲区的结构示意图。 0020 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 ； 0021 其中， 图 a） 为本发。

13、明实施例一的内浇道流场分布图， 该内浇道未设置锥角， 0022 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， 0023 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。 0024 图 4 为实施例一铸锭充型 17% 时的流场图。 0025 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 ； 0026 其中， 图 a） 为本发明实施例二的流场分布图， 0027 图 b） 为无均流缓冲区的现有工艺结构的流场分布图。 0028 图 6 为实施例三充型 21.4s 时内浇道横截面上的流场。

14、分布 ； 0029 其中， 图 a） 是内浇道入口截面， 图 b） 是内浇道出口截面。 0030 图 7 为实施例三的铸型内液面图 ； 说 明 书 CN 102962403 A 4 3/4 页 5 0031 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。 0032 图中， 1 横浇道， 2 内浇道， 3 均流缓冲区， 4 直浇道， 5 铸型， 6 冒口， 0033 D1 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， 0034 l 内浇道的轴心与均流缓冲区和横浇道的连接端的距离。 具体实施方式 003。

15、5 请结合参阅图 1 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 1、 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 1 连接， 均流缓冲区 3 设置并连接于横浇道 1 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。 0036 所述均流缓冲区 3 为横向的圆柱型， 其与横浇道 1 同轴， 见图 2， 均流缓冲区 3 直 径 D3 大于所述横浇道 1 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 2。

16、M， M 为横浇道 1 的直径 D1 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。 0037 参见图 2， 所述内浇道 2 的轴心位置应满足下列条件 ： 0038 0.5D2 l L 0.5D2， 0039 其中， l 为内浇道 2 的轴心与均流缓冲区 3 和横浇道 1 的连接端的距离， 0040 D2 为内浇道 2 的直径， 0041 L 为均流缓冲区 3 的长度。 0042 一般地， 所述内浇道 2 的轴心的较佳位置。

17、位于均流缓冲区 3 的长度 L 上靠近横浇 道 1 一侧的黄金分割点。 0043 所述内浇道 2 的向上锥角为 0 60， 较佳为 20 30， 可以根据实际生产要 求确定。 0044 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。 0045 实施例一 0046 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 ： 0047 铸型 5 加冒口 6 总高 3430mm ； 直浇道 4 的直径为 60mm， 高 3880mm ； 横浇道 1。

18、 的直 径 D1 为 60mm ； 内浇道 2 的直径 D2 为 120mm ； 均流缓冲区 3 的直径 D3 为 240mm， 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 1 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。 0048 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 70180cm/s 之间 ； 图 b） 为无均流缓冲区、 内浇道具有 。

19、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 50240cm/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， 说 明 书 CN 102962403 A 5 4/4 页 6 其流速范围在 50335cm/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。 0049 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。 0050 实施例二 0051 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，。

20、 具体工艺结构参数如下 ： 0052 直浇道 4 的直径为 90mm， 高 4450mm ； 横浇道 1 的直径 D1 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 1 的连接端的距离 l 120mm ； 浇铸时， 金 属液流的充型速度为 29.4kg/s。 0053 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。

21、， 内浇道流速分布范围为 20145cm/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 0200cm/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。 0054 实施例三 0055 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 ： 0056 直浇道 4 的直径为 90mm， 高 4450mm ； 横浇道 1 的直径 D1 为 60mm ； 内浇道 2 下端口 的直径 D2 为 90mm， 锥角 10， 高 256mm ； 均流缓冲。

22、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 1 的连接端的距离 l 150mm ； 浇铸时， 金属液流的充型速度为 29.4kg/s。 0057 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 27100cm/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。 说 明 书 CN 102962403 A 6 1/5 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102962403 A 7 2/5 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102962403 A 8 3/5 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102962403 A 9 4/5 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102962403 A 10 5/5 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102962403 A 11 。