一种用于制备同心异径管的立式离心铸造装置技术领域
本发明属于机械铸造技术领域，具体涉及一种用于制备同心异径管的立式离心铸造装置。
背景技术
异径管广泛应用于石油化工行业的制氢转化炉中，是传输转化气的主要部件，工作条件为高温受压状态，因此要求其具有良好的常温机械性能及高温机械性能。
目前，异径管的制造普遍采用静态铸造工艺，也称重力铸造，即钢水在重力场的作用下经浇口、浇道到达型腔成型，铸件在冷却凝固过程中靠冒口中钢水的重力作用进行补缩。该工艺最为常用的是树脂砂型铸造或水玻璃砂型铸造，具体流程通常包括以下几个步骤：（1）制作木模（模样及芯盒）；（2）混砂造型，制作型芯；（3）将制作好的型芯与砂型装配，确定好浇注系统的位置与尺寸；（4）浇注实施；（5）待铸件冷却后清砂、打磨，机加工成最终成品。
静态铸造工艺简单，产品可以满足在高温高压条件下的基本应用要求，但是整个工艺存在明显缺点，例如：需要制作模样和芯盒，并且需要制作砂型和型芯，生产工序多，耗时，生产效率低；需要将型芯与砂型精准合模，操作复杂；浇注完成的铸件还需要清砂、打磨后再机加工，增加了生产工序；最关键的是，铸件组织不规则且不致密，容易产生气孔、夹渣等产品质量缺陷，机械性能不够优越，使用寿命也不理想，产品报废率较高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于制备同心异径管的立式离心铸造装置。该装置使用简便、高效，利于大规模工业化生产，并且可提高产品的浇铸质量，降低报废率，提高产品的常温和高温机械性能，延长使用寿命。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于制备同心异径管的立式离心铸造装置，包括立式离心机和模具组件，所述立式离心机包括离心机主电机1、离心机主机2、和离心机法兰盘3，所述模具组件包括模具4、模具垫板5、和模具盖板6；
其中：
离心机主机2与离心机主电机1相连，离心机法兰盘3位于离心机主机2上；
模具4通过紧固件竖直安装在离心机法兰盘3上；
模具垫板5位于模具4的下部，通过模具4下端的止口固定在离心机法兰盘3上；
模具盖板6位于模具4顶部，通过模具4上端的止口和/或紧固件固定在模具4顶部。
上述离心铸造装置中，模具4的材料可以是铸铁、铸钢或锻件。模具内孔形状与异径管产品的外壁形状相同，尺寸略大于异径管产品的最终尺寸（预留收缩量和加工余量），这主要是考虑到钢水收缩率和后期加工需要。一般而言，模具型腔（即模具内孔）尺寸＝产品外径尺寸+产品外径尺寸×钢水收缩率+加工余量。其中，钢水收缩率和加工余量对本领域技术人员而言是公知且容易确定的。通常来说，钢水收缩率为1%-3%，加工余量为20-50mm。
所述紧固件可以是机械领域的常规构件，例如螺栓螺母组件、销控等。
模具垫板5的材料为耐高温石棉板，主要作用为防止浇铸时金属液体与离心机法兰盘3粘在一起。
模具盖板6的材料为耐高温石棉板，主要作用为防止浇铸时金属液体从模具4飞溅出来。
作为可选方案，上述离心铸造装置还可以在模具4的外表面设有冷却部件，如附于模具外表面的水冷部件，用以辅助钢水在成型过程中的冷却。
本发明的离心铸造装置用于同心异径管的制备，通常可包括如下步骤：将模具组件预热后装配好；将熔融态的钢水快速注入模具型腔内；使钢水在高速旋转状态下冷却成型；停止离心，取出铸件，经后加工得到产品。
根据产品应用要求，本发明的离心铸造装置可用于制造各种材质的异径管产品。
本发明的立式离心铸造装置操作简便，能有效提高生产效率；并且，利用该装置制得的产品相比于静态铸件具有明显的性能优势，其优点主要体现在以下几个方面：
（1）立式离心铸造时，旋转的铸型外壁降温速度快，所以铸件凝固时是按由外向内的顺序凝固，形成的组织分布规则有序。静态铸造的产品金相组织为沿径向分布不规则的柱状晶与等轴晶，而立式离心铸造的产品从外径向内径方向依次分布为细小等轴晶—柱状晶—较粗大等轴晶。鉴于异径管工作状态下主要是沿径向方向受力，因此离心铸造产品沿径向规则排列的金相组织恰好能对应该要求，工件在工作状态下受力更均匀，可有效提高产品机械性能，降低报废率，延长使用寿命。
（2）因为定向凝固的原因及旋转导致的离心力比重力大，使得离心铸件凝固时能获得较强的补缩，形成组织致密的铸件，从而大幅度降低产生气孔、裂纹等缺陷的几率，提高铸件质量。
（3）铸型边旋转边凝固时，各层相对于型腔的旋转速度不同，造成正在结晶成长的晶粒折断，从而使铸件最终获得细小的晶粒，细小的晶粒和有序的金相组织造就了离心铸件优于静态铸件的机械性能。
基于上述优点，利用本发明的立式离心铸造装置能够有效提高产品的浇铸质量，降低报废率，提高产品的常温和高温机械性能，延长使用寿命；相比于现有产品，在产品质量、机械性能和使用寿命方面具有明显优势。
附图简要说明
图1为本发明立式离心铸造装置的结构示意图，其中：1—离心机主电机，2—离心机主机，3—离心机法兰盘，4—模具，5—模具垫板，6—模具盖板。
图2为实施例制备的同心异径管的渗透探伤检测。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
实施例
1、同心异径管产品的预设尺寸（单位：mm）
外径φ418/φ280，内径φ360/φ220，H=360。
2、装置
离心机采用J556型立式离心铸造机。
根据同心异径管铸件外壁形状和尺寸，以35CrMoⅡ为模具材料，采用铸造或锻制成型模具，其中，模具型腔的尺寸=产品外径尺寸×1.02+30mm。模具加工成型后，在模具型腔内均匀喷涂厚度约为1.0mm的醇基锆英粉涂料。
3、离心铸造
采用本发明的立式离心铸造装置制备同心异径管，包括以下步骤：
（1）将模具组件在300℃预热，然后如图1所示，安装在离心机法兰盘3上；
（2）将190kg的1610℃钢水快速浇入模具4中，密封后迅速开启离心机至850r/min，保持20分钟，然后降至700r/min，20分钟后停止离心；
（3）将冷却的铸件从模具中取出，加工到需要的产品尺寸。
4、性能检测和表征
A、渗透探伤
根据JB/T4730.5-2005，对产品外表面进行渗透探伤（PT）。结果如附图2所示：产品表面质量良好，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。
B、金相检测
机械切割取铸件两端，采用宏观金相试验仪（100×）做宏观金相实验。结果表明，两端的金相组织分布规则有序，沿铸型外径向内径依次为细小等轴晶—柱状晶—较粗大等轴晶。
C、力学性能试验
沿径向切取拉伸试样，根据GB/T228-2002，在常温（25℃）下做产品拉伸试验。结果显示，产品的常温抗拉强度Rm约为470MPa。
对比例
使用同等材料，采用传统的静态铸造工艺制备静态铸件，并对其相关性能进行了表征，结果显示：产品金相组织为沿径向分布不规则的柱状晶与等轴晶；表面存在明显的气孔、夹渣和裂纹；常温（25℃）下Rm约为455MPa。