本發明涉及鑄鋼工藝技術領域，具體是一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法。

背景技術：

鑄造生產是金屬液成型的生產方法，金屬液進入鑄型中經過冷卻、凝固后形成金屬制品的過程稱為鑄造生產，簡稱鑄造。生產的金屬制品稱為鑄件。絕大多數鑄件被用作毛坯，需要經過機加工后才能成為各種機器零件；少數達到使用尺寸精度和表面粗糙度要求的鑄件可直接作為成品或零件使用。

陳飛和曹海平在《閥門外觀常見缺陷與評定》的一篇文章中提到閥門在鑄造過程中容易出現裂紋、縮孔縮松和砂眼等缺陷。裂紋一般出現在閥門閥體兩壁交接的熱節部位和結構突變部位，例如法蘭根部和閥體外壁凸起的表面處。裂紋的出現嚴重減低閥門鑄件的工藝出品率。熱裂紋外形曲折而不規則、縫隙較寬、斷面處有氧化現象、無金屬光澤、裂紋沿晶界產生和發展。冷裂紋一般都是直的，開裂處金屬表面未氧化，裂紋常穿過晶粒延伸到整個斷面。縮孔和縮松一般位于鑄件閥門最后凝固的部位(熱節處)或結構突變部位處，縮孔和縮松內表面沒有氧化色，形狀不規則、孔壁粗糙并伴有許多雜質和細小的氣孔。砂眼主要出現在閥門外表面，砂眼內部有砂或白色的渣，外形不規整，深淺不一。缺陷的存在嚴重降低閥門鑄件的使用壽命。

閥門鑄件的材質為zg35(中碳鑄鋼)。在液態合金鋼冷卻凝固過程中，由于鑄件各部分金屬液的冷卻速度不同，使得各部位的收縮量不一致，再加上型芯和砂型的阻力，使鑄件的凝固收縮受到制約而產生了鑄造應力。一般閥門零件結構復雜，在使用砂型鑄造法鑄造閥門時，若澆注系統的設計和工藝參數設置不當容易導致鑄件出現裂紋、縮松、縮孔等缺陷。閥體的鑄件毛坯不允許存在砂眼、裂紋、縮孔及氣孔等鑄造缺陷，而且由于閥門鑄件都屬于中大型鑄件，金屬材料浪費不起。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法。該鑄造系統能夠有效消除zg35閥門鑄件縮孔、縮松和裂紋缺陷，提高成品率，提高zg35閥門鑄件力學性能。

本發明解決所述系統技術問題的技術方案是，提供一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統，其特征在于該鑄造系統包括冒口、澆注系統和冷鐵；所述澆注系統采取階梯式澆注系統，包括澆口杯、直澆道、底層內澆道和上層內澆道；所述澆口杯用于熔融的金屬液的倒入；所述澆口杯與直澆道連接；所述直澆道分別與底層內澆道和上層內澆道連接；所述冷鐵設置在鑄件底部的熱節處；所述冒口包括頂冒口和側冒口；所述頂冒口設置在鑄件頂部法蘭的正上方，側冒口設置在鑄件底部法蘭的側面。

本發明解決所述方法技術問題的技術方案是，提供一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統的設計方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

第一步、確定澆筑位置：鑄件的澆注位置呈直立狀態；

第二步、冒口設計：

(1)計算鑄件模數，計算公式為：

式中：mc為鑄件模數；d為熱節圓直徑；b為法蘭寬度；c為管厚度；

(2)計算冒口模數mr：

對于頂冒口，mc:mr＝1:1.2；

對于側冒口，mr＝(1～1.2)mc；

(3)計算頂冒口的數量：

冒口的有效補縮距離l，計算公式為：

式中：t為鑄件法蘭處的壁厚；用鑄件頂部的周長除以冒口的有效補縮距離即是冒口的數目；

第三步，冷鐵設計：

冷鐵采用梯形冷鐵，設置在鑄件底部法蘭的熱節處；冷鐵厚度δ＝(0.3～0.8)d，d為熱節圓直徑；

第四步，澆注系統設計：采用阻流截面設計法進行澆注系統的設計，并根據奧贊公式，計算阻流截面積，按照預定截面比，進一步計算其余各單元截面積；

(1)計算阻流截面積的水力學公式是：

式中：v為流經阻流截面的金屬液流速；μ1為從澆口杯頂端到阻流截面的流量系數；g為重力加速度；h1為從澆口杯頂端到阻流截面的垂直距離；m為流經阻流截面的金屬液質量；ρ為金屬液的密度；τ為充填型腔的總時間即澆注時間；

(2)直澆道的橫截面積是阻流截面積的1～2倍；直澆道與鑄件等高；

(3)底層內澆道的橫截面積是阻流截面積的0.96～1.2倍；

(4)上層內澆道與鑄件法蘭之間的夾角為30°；上層內澆道的橫截面積是阻流截面積的0.48～0.6倍。

與現有技術相比，本發明有益效果在于：

1)采用本鑄造系統能夠有效消除zg35閥門鑄件縮孔、縮松和裂紋缺陷，提高成品率，提高zg35閥門鑄件力學性能。

2)采用階梯式澆注系統，將現有的上下網狀澆注系統中的上下層各15個內澆道簡化為底層內澆道和上層內澆道兩個內澆道，去除了原工藝龐雜的內澆道，仍可滿足澆注要求，不僅消除了因澆注系統凝固收縮導致的應力缺陷問題，而且大大提高了工藝的簡潔性。

(3)在鑄件頂部法蘭處設置圓臺形頂冒口補縮消除縮孔縮松，同時增大冒口尺寸。在鑄件底部法蘭處設置側冒口與冷鐵配合補縮的方法來消除縮孔縮松缺陷。

(4)通過對鑄造工藝的數值優化設計，有效消除了由于設計工藝不當而產生的局部裂紋和鑄件內部的縮孔縮松，并且顯著提高zg35閥門鑄件工藝出品率和綜合力學性能。

附圖說明

圖1為采用現有閥門鑄件工藝得到的鑄造系統和鑄件的溫度場模擬圖；

圖2為采用現有閥門鑄件工藝得到的鑄造系統和鑄件的缺陷模擬圖；

圖3為采用現有閥門鑄件工藝得到的鑄造系統和鑄件的應力場模擬圖；

圖4為本發明消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法一種實施例的鑄造系統示意圖；

圖5為本發明消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法一種實施例的鑄造系統和鑄件的缺陷模擬圖；

圖6為本發明消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法一種實施例的鑄造系統和鑄件的應力場分布圖；

具體實施方式

下面給出本發明的具體實施例。具體實施例僅用于進一步詳細說明本發明，不限制本申請權利要求的保護范圍。

圖1-3為現有技術，現有技術中的澆注系統多采用多澆道階梯式，在閥門鑄件上下兩個法蘭處各布置一道大圓弧形的橫澆道和15個內澆道，意圖用內澆口補縮鑄件頂端和底部的厚大法蘭，并達到由下而上順序充填的目的，但由于呈網狀的澆注系統導致了鑄件的嚴重裂紋。

由圖1可知，在此時刻，鑄件本體仍未凝固，而澆注系統已凝固完畢，這使得在鑄件本體凝固收縮時，會受到澆注系統的阻礙導致應力。

由圖2可知，鑄件的底部法蘭處和頂部法蘭處都存在明顯的縮松缺陷。原工藝澆注系統先于鑄件凝固，鑄件反補縮澆道系統，所以鑄件底部出現縮孔縮松缺陷。這主要是由于澆注系統的澆道橫截面積過小和冷卻速度較快導致的。

由圖3可知，在鑄件上中下部易出現裂紋，底部出現圍繞法蘭一圈的裂紋，內部出現豎直裂紋，上部與內澆道接觸部位易出現裂紋。計算結果與實際澆注結果是一致的。

綜上分析，原工藝鑄件底部和頂部法蘭處的內澆道在凝固收縮時，由于在鑄件上部和底部一圈分布許多內澆道，拉應力相疊加，引起了裂紋的產生。

(1)原工藝澆注系統先于鑄件凝固，澆注系統無法補縮上下法蘭，所以在鑄件底部出現縮孔縮松缺陷。

(2)底部內澆道數量過多，在凝固收縮時，對鑄件產生拉應力，又會阻礙鑄件本體的凝固收縮，兩次拉應力相疊加，導致裂紋缺陷。

(3)鑄件頂端冒口補縮不足，在冒口附近出現了縮孔縮松。

本發明提供了一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統(簡稱鑄造系統，參見圖4-6)，其特征在于該鑄造系統包括冒口、澆注系統和冷鐵1；zg35閥門鑄件屬于中大型的鑄鋼件，要求充型平穩，對型腔的沖刷力小，并且zg35閥門鑄件高度超過600mm，所以澆注系統采取階梯式澆注系統，用于控制金屬液充填鑄型的速度和充滿鑄型所需的時間，使金屬液平穩地進入鑄型避免紊流和對鑄型的沖刷，阻止熔渣和其他夾雜物進入型腔；所述冷鐵1設置在鑄件底部的熱節處；所述澆注系統包括澆口杯2、直澆道3、底層內澆道4和上層內澆道5；所述澆口杯2用于熔融的金屬液的倒入；所述澆口杯2與直澆道3連接；所述直澆道3分別與底層內澆道4和上層內澆道5連接；內澆口設置在鑄件底部法蘭和鑄件頂部法蘭處，內澆口向鑄型型腔灌輸金屬液；

所述冒口包括頂冒口6和側冒口7；所述頂冒口6設置在鑄件頂部法蘭的正上方，側冒口7設置在鑄件底部法蘭的側面，并采用模數法計算冒口尺寸；

所述直澆道3的橫截面積是阻流截面積的1～2倍；直澆道3與鑄件等高；所述底層內澆道4的橫截面積是阻流截面積的0.96～1.2倍；所述上層內澆道5與鑄件頂部法蘭之間的夾角為30°；上層內澆道5的橫截面積是阻流截面積的0.48～0.6倍；所述冷鐵1采用梯形冷鐵，冷鐵厚度為(0.3～0.8)d，其中d為熱節圓直徑。

澆筑時，金屬液先從澆口杯2進入澆注系統，通過直澆道3流入底層內澆道4進入鑄型中，隨著金屬液在鑄型內液面的上升，金屬液首選填充側冒口7，當金屬液達到鑄件上表面時，上層內澆道5開始有液體流入鑄型，最后金屬液進入頂冒口6，充型結束；當金屬液凝固后，去除澆注系統、冷鐵1和冒口，即得到鑄件。

本發明同時提供了一種消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統的設計方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

第一步、確定澆筑位置：閥門鑄件的重要加工面在鑄件內部和兩端，所以其澆注位置呈直立狀態；

第二步、冒口設計：采用模數法計算冒口尺寸；

(1)計算鑄件模數，即管與法蘭相交處的模數計算公式為：

式中：mc為鑄件模數；d為熱節圓直徑；b為法蘭寬度；c為管厚度；

(2)計算冒口模數mr：

對于頂冒口，mc:mr＝1:1.2；本實施例中，d＝90mm，b＝150mm，c＝15mm，mc＝29.03，mr＝34.8，計算得到頂冒口圓臺形結構的底面圓直徑＝170mm，頂冒口高＝225mm，頂冒口圓臺形結構的頂面圓直徑＝204mm；

對于側冒口，mr＝(1～1.2)mc；本實施例中，d＝100mm，b＝230mm，c＝50mm，mc＝37.7，mr＝37.7，計算得到圓柱形的側冒口的底面圓直徑＝198mm，側冒口高＝297mm；

(3)計算頂冒口的數量：

冒口的有效補縮距離l，計算公式為：

式中：t為鑄件法蘭處的壁厚。本實施例中，l＝569mm，鑄件頂部的周長為2280mm，用鑄件頂部的周長除以冒口的有效補縮距離即是冒口的數目，計算得出頂冒口的數量為四個；

第三步，冷鐵設計：

冷鐵采用梯形冷鐵，設置在鑄件底部法蘭的熱節處；冷鐵厚度δ＝(0.3～0.8)d，d為熱節圓直徑；本實施例中的冷鐵厚度為90mm。

第四步，澆注系統設計：采用阻流截面設計法進行澆注系統的設計，并根據奧贊公式，計算阻流截面積，按照預定截面比，進一步計算其余各單元截面積；

(1)計算阻流截面積的水力學公式是：

式中：v為流經阻流截面的金屬液流速；μ1為從澆口杯頂端到阻流截面的流量系數；g為重力加速度；h1為從澆口杯頂端到阻流截面的垂直距離；m為流經阻流截面的金屬液質量；ρ為金屬液的密度；τ為充填型腔的總時間即澆注時間；

本實施例中m＝1730kg，澆注時間為22s，因為鑄件材質為中碳鑄鋼，中大型鑄件，對于由澆口杯、直澆道和內澆道組元的系統，μ1＝0.58，求得s阻＝7810mm²。

(2)直澆道3的橫截面積是阻流截面積的1～2倍，本實施例中直澆道的橫截面積為11715mm²；直澆道3與鑄件等高，本實施例中直澆道3的高為1080mm。

(3)底層內澆道4的橫截面積是阻流截面積的0.96～1.2倍，本實施例中底層內澆道的橫截面積為7900mm²；

(4)上層內澆道5與鑄件頂部法蘭之間的夾角為30°；上層內澆道5的橫截面積是阻流截面積的0.48～0.6倍。

由圖2和圖5對比可以看出在原有鑄造系統對應的工藝下容易產生縮松的部位在本實施例的鑄造系統下完全消失了，即本實施例獲得的鑄件無任何縮松缺陷產生，且無縮孔現象。由圖3和圖6對比可以看出現有的鑄件應力多集中于鑄件中下部位和與內澆道相接觸部位，在鑄件底部法蘭周邊易形成一圈熱裂紋，鑄件中下部易形成豎直裂紋，鑄件上部兩處易形成對稱的水平裂紋。而本發明得到的鑄件的應力分布相對比較均勻，鑄件各部位應力也較小，產生的拉應力強度小于鑄件材質的抗拉強度，因此不會產生裂紋。

本發明消除zg35閥門鑄件缺陷的鑄造系統及其設計方法的工作原理和工作流程是：

第一步，運用鑄造模擬軟件對閥門鑄件原工藝進行模擬分析，發現鑄件內部有大量的縮孔縮松缺陷，并且鑄件內部應力分布不均勻。

第二步，針對原工藝出現的缺陷分析其原因。鑄件底部出現縮孔縮松缺陷的原因是原工藝澆注系統先于鑄件凝固，澆注系統無法補縮上下法蘭。鑄件底部內澆道數量過多，在凝固收縮時，對鑄件產生拉應力，又會阻礙鑄件本體的凝固收縮，兩次拉應力相疊加，導致裂紋缺陷。鑄件頂端冒口補縮不足，在冒口附近出現了縮孔縮松。

第三步，針對原工藝出現問題制定相應的解決方案，首先改進原工藝的澆注系統，改為階梯式澆筑系統。其次重新設計冒口尺寸，并且設計底部補縮冒口。最后，在鑄件底部增加冷鐵。

第四步，針對改進后的工藝運用鑄造模擬軟件再次檢驗。

本發明未述及之處適用于現有技術。