專利名稱：一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種優化的鑄造澆注系統，具體的說，涉及一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，屬于冶金技術領域。
背景技術：
上沖式燒注系統(Uphill Teeming Casting)是鑄鋼生產的一種燒注結構,主要應用于一些很難保證質量的軸承鋼和一些工具鋼的生產上。在該系統澆注過程充型的初始階段，金屬液以很高的速度通過內澆道，將產生嚴重的湍流、噴射和飛濺，從而導致卷氣、氧化、夾渣等鑄造缺陷。為克服上述缺陷，國內外對此均有研究工作。在國內有采取將其內澆道直徑放大的措施，形成開放式澆注系統，即直澆道內一直為未充滿狀態，通過降低靜壓來達到降低流速、平穩金屬液的目的，如鐘文波的“模底磚孔徑影響大鋼錠澆注及凝固過程的數值模擬”(《特種鑄造及有色合金》，2010，30，803-805)。該方法的缺點是直澆道內金屬始 終為未充滿狀態，因此金屬碎液與氣體接觸易于氧化。在國際上，有采用設置25°開口錐角的內燒道結構，如 G. JONSSON 的 “Effect of Entrance Nozzle Design on the FluidFlow in an Ingot Mold during Filling，，(《ISIJ International》,2004，44，1358-1365),該結構有一定效果，但還不能滿足要求。在國際上還有在內澆道設置錐角的基礎上，進一步在內燒道的進口處加設攪動葉片的工藝結構設計，如G. J0NSS0N的“A NumeriaclStduy of Swirl Blade Effects in Uphill Teeming Casting，，(《ISIJ International》，2010, 50, 1756-1762)。該結構的不足之處是增加了機械結構的復雜程度，而且陶瓷葉片一面受高溫金屬液的影響，一面受流體不斷沖擊，增大了產生外生夾雜的幾率。

發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其在直澆道充滿的狀態下，對內澆道出口的流場的分布實現均勻化，從而減小金屬液上沖的趨勢，減少湍流、噴射和飛濺的發生，以避免形成卷氣、氧化、夾渣等
鑄造缺陷。本發明所采取的技術方案是一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，包括直澆道、橫澆道、內澆道、鑄型和冒口，其特征在于所述工藝結構還包括有設置并連接于橫澆道與內澆道之間的均流緩沖區，該均流緩沖區的直徑D3大于所述橫澆道的直徑D1，并且大于等于所述內澆道的直徑D2。所述均流緩沖區的直徑D3等于2M，M為橫澆道的直徑Dl和內澆道的直徑D2中的
最大值。所述均流緩沖區的長度L大于內澆道的直徑D2，可以等于內澆道的直徑D2的2倍。所述內澆道的軸心位置滿足下列條件
O. 5D2 < I < L - O. 5D2,其中，I為內澆道的軸心與均流緩沖區和橫澆道的連接端的距離，D2為內澆道的直徑，L為均流緩沖區的長度。所述內澆道的軸心位置可以位于均流緩沖區的長度L上靠近橫澆道一側的黃金分割點。所述均流緩沖區與橫澆道同軸。本發明通過在橫澆道末端和內澆道入口的連接處增加設置一擴大的均流緩沖區，使流入內澆道的金屬液不僅從橫澆道直接進入內澆道，而且有一部分金屬液先向前撞擊均 流緩沖區的端壁后再返回進入內澆道，即，由原來單一方向流動的金屬液流變為至少兩個反方向對流的金屬液流，兩個反方向的金屬液流對沖后相互消弱了對方的流速，并實現均勻化，從而平穩了進入鑄型的金屬液流。與現有技術相比，本發明的有益效果是設置的均流緩沖區對充型過程中的金屬液流起到了均流和緩沖作用，使內澆道出口的流場分布比較均勻。在內澆道尺寸相同的情況下，本發明效果遠遠好于簡單地將內澆道口尺寸放大的現有工藝結構的效果，而且直澆道中金屬液始終是充滿狀態，因而避免金屬氧化的效果又優于開放式系統。本發明的均勻緩沖區與加開口錐角的內澆道結合使用，其效果與內澆道加開口錐角與葉片同時使用的結構相當，葉片的攪動也是將高速液流和低速液流混合均勻，但與加葉片的結構相比，本發明突出的優點是結構簡單，沒有增加任何機械結構復雜程度，同時避免了由于增加葉片導致的葉片高溫機械性能隱患和產生外生夾雜物等問題。總之，本發明對充型中的金屬液流起到了均流和緩沖作用，使內澆道的流場分布比較均勻，減少了湍流、噴射和飛濺的發生，從而避免了卷氣、氧化、夾渣等鑄造缺陷，本發明具有結構簡單、制造容易的優點。


圖I為本發明的結構示意圖。圖2為均流緩沖區的結構示意圖。圖3為40噸鋼錠澆注系統中充型14%時，內澆道出口橫截面的流場分布圖；其中，圖a)為本發明實施例一的內澆道流場分布圖，該內澆道未設置錐角，圖b)為無均流緩沖區、內澆道具有15°向上開口錐角的現有工藝結構的流場分布圖，圖c)為無均勻緩沖區、內澆道無錐角或者小錐角的現有工藝結構的流場分布圖。圖4為實施例一鑄錠充型17%時的流場圖。圖5為63. 5噸鋼錠澆注系統中，充型21. 4s時內澆道出口橫截面的流場分布圖；其中，圖a)為本發明實施例二的流場分布圖，圖b)為無均流緩沖區的現有工藝結構的流場分布圖。圖6為實施例三充型21. 4s時內澆道橫截面上的流場分布；其中，圖a)是內澆道入口截面，圖b)是內澆道出口截面。圖7為實施例三的鑄型內液面其中，圖a)是充型21. 4s時的鑄型內液面圖，圖b)是充型64. 5s時的鑄型內液面圖。圖中，I橫澆道，2內澆道，3均流緩沖區，4直澆道，5鑄型，6冒口，Dl橫澆道直徑，D2內澆道直徑，D3均流緩沖區直徑，L均流緩沖區長度，I內澆道的軸心與均流緩沖區和橫澆道的連接端的距離。
具體實施例方式請結合參閱圖I和圖2，圖示用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構包括直澆道4、橫澆道I、均流緩沖區3、內澆道2、鑄型5和冒口 6，其中，豎直的直澆道4與水平的橫澆道I連接，均流緩沖區3設置并連接于橫澆道I與內澆道2之間，向上的內澆道2連接鑄型5的下端，該鑄型5的上端連接有冒口 6。
所述均流緩沖區3為橫向的圓柱型，其與橫澆道I同軸，見圖2，均流緩沖區3直徑D3大于所述橫澆道I的直徑D1，并且大于等于所述內澆道2的直徑D2，該直徑D3的取值一般可以等于2M，M為橫澆道I的直徑Dl和內澆道2的直徑D2中的最大值，即，D3=2M，M=Max (D1，D2)。所述均流緩沖區3的長度L大于內澆道2的直徑D2，一般可以等于內澆道的直徑D2的2倍，即L=2D2。參見圖2，所述內澆道2的軸心位置應滿足下列條件O. 5D2 < I < L - O. 5D2,其中，I為內澆道2的軸心與均流緩沖區3和橫澆道I的連接端的距離，D2為內澆道2的直徑，L為均流緩沖區3的長度。一般地，所述內澆道2的軸心的較佳位置位于均流緩沖區3的長度L上靠近橫澆道I 一側的黃金分割點。所述內澆道2的向上錐角為0°飛0°，較佳為20° 30°，可以根據實際生產要求確定。下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，該實施例以本發明技術方案為前提給出了詳細的實施方式和具體的參數，但本發明的保護范圍不僅限于下述的實施例。實施例一本實施例為本發明應用于40噸鋼錠的澆鑄，其基本工藝結構如以上技術方案所述,具體工藝結構參數如下鑄型5加冒口 6總高3430mm ;直澆道4的直徑為60mm，高3880mm ;橫澆道I的直徑Dl為60mm ；內澆道2的直徑D2為120mm ;均流緩沖區3的直徑D3為240臟，均流緩沖區3的長度L為270mm ;內澆道2的軸心位于均流緩沖區3的長度L上靠近橫澆道I 一側的黃金分割點上。澆鑄時，金屬液流的充型速度為27.8kg/s。本實施例與現有技術的對比可參閱圖3充型14%時內澆道出口橫截面的流場分布圖。圖a)為本實施例一的內澆道流場分布圖，該內澆道未設置錐角，從圖可知，內澆道流速分布較為均勻，流速分布范圍在7(Tl80cm/S之間；圖b)為無均流緩沖區、內澆道具有15°向上開口錐角的現有工藝結構的流場分布圖，從圖可知，其流速范圍在5(T240cm/S之間；圖c)為無均勻緩沖區、內澆道無錐角或者小錐角的現有工藝結構的流場分布圖，從圖可知，其流速范圍在5(T335cm/S之間；由對比結果可見，本發明的均流緩沖區3對流場的均勻效果十分明顯。圖4為本發明的實施例一鑄錠充型17%時的流場圖，從圖可知，充型過程中金屬液流基本上完全平穩。實施例二本實施例為本發明應用于63. 5噸鋼錠的澆鑄，其基本工藝結構如以上技術方案所述，具體工藝結構參數如下直澆道4的直徑為90mm，高4450mm ;橫澆道I的直徑Dl為60mm ;內澆道2的直徑D2為120mm，無錐角，高256mm ;均流緩沖區3的直徑D3為120mm，均流緩沖區3的長度L為240mm ；內澆道2的軸心與均流緩沖區3和橫澆道I的連接端的距離I = 120mm ;澆鑄時，金屬液流的充型速度為29. 4kg/s。 本實施例與現有技術的對比可參閱圖5充型21. 4s時內澆道出口橫截面的流場分布圖。圖a)為本實施例二的內澆道流場分布圖，從圖可知，內澆道流速分布范圍為2(Tl45Cm/S ;圖b)為無均流緩沖區的現有工藝結構的流場分布圖，從圖可知，內澆道流速分布范圍為(T200cm/S ;由對比結果可見，本發明的均流緩沖區3對內澆道2內金屬液流流速的均流作用很明顯。實施例三本實施例為本發明應用于63. 5噸鋼錠的澆鑄，其基本工藝結構如以上技術方案所述，具體工藝結構參數如下直澆道4的直徑為90mm，高4450mm ;橫澆道I的直徑Dl為60mm ;內澆道2下端口的直徑D2為90mm，錐角10°，高256mm ;均流緩沖區3的直徑D3為220mm，均流緩沖區3的長度L為310mm ;內澆道2的軸心與均流緩沖區3和橫澆道I的連接端的距離I = 150mm ；澆鑄時，金屬液流的充型速度為29. 4kg/s。本實施例的效果可參閱圖6充型21. 4s時內澆道橫截面上的流場分布，圖a)是內澆道2入口截面，圖b)是內澆道2出口截面。從圖可知，內澆道2入口金屬液流速度分布變得很均勻，范圍為27 lOOcm/s ;出口處因為內澆道2直徑變大，速度進一步降低，分布范圍為〈74cm/s。本實施例中，因為入口流速被均勻化，降低了金屬液流流速的峰值，出口直徑進一步放大，流速進一步減小，因此金屬液流充型十分平穩，效果如圖7所示的鑄型內液面圖。
權利要求
1.一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，包括直澆道、橫澆道、內澆道、鑄型和冒口，其特征在于所述工藝結構還包括有設置并連接于橫澆道與內澆道之間的均流緩沖區，該均流緩沖區的直徑D3大于所述橫澆道的直徑D1，并且大于等于所述內澆道的直徑D2。
2.根據權利要求I所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述均流緩沖區的直徑D3等于2M，M為橫澆道的直徑Dl和內澆道的直徑D2中的最大值。
3.根據權利要求I所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述均流緩沖區的長度L大于內澆道的直徑D2。
4.根據權利要求3所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述均流緩沖區的長度L等于內澆道的直徑D2的2倍。
5.根據權利要求I所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述內澆道的軸心位置滿足下列條件O. 5D2 < I < L - O. 5D2, 其中，I為內澆道的軸心與均流緩沖區和橫澆道的連接端的距離， D2為內澆道的直徑， L為均流緩沖區的長度。
6.根據權利要求I所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述內澆道的軸心位置位于均流緩沖區的長度L上靠近橫澆道一側的黃金分割點。
7.根據權利要求I所述的用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，其特征在于所述均流緩沖區與橫澆道同軸。
全文摘要
本發明公開了一種用于上沖式澆注系統中均勻內澆道流場的工藝結構，包括直澆道、橫澆道、內澆道、鑄型和冒口以及設置于橫澆道與內澆道之間的均流緩沖區，該均流緩沖區的直徑D3大于所述橫澆道的直徑D1，并且大于等于所述內澆道的直徑D2。本發明緩沖了從橫澆道進入內澆道的金屬液流，并均勻化了內澆道的液流流速，使液流較平穩甚至完全平穩地進入鑄型，避免了飛濺并減小甚至消除了金屬液表面的噴凸，從而避免了卷氣、氧化、夾渣等鑄造缺陷。本發明具有結構簡單、制造容易、便于應用的優點。
文檔編號B22C9/08GK102962403SQ201210473600
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者王斌, 胡僑丹, 徐長征, 張洪奎, 李建國 申請人:上海交通大學