鑄件澆注時間計算公式探討

王章明 劉 鵬

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

鑄件澆注時間計算公式探討

王章明 劉 鵬

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

對比分析理論澆注時間的計算公式，討論計算公式的適用范圍，同時，結(jié)合澆注時間的影響因素分析了鑄件質(zhì)量情況。

鑄件；澆注時間；計算公式

一般來說，澆注速度小時，金屬液充填鑄型時較平穩(wěn)，對砂型的沖擊力小，能減小發(fā)生沖砂或脹砂的風(fēng)險，并有利于型腔內(nèi)氣體的排出和鑄件的自補縮，從而減小冒口體積。但慢澆注時，金屬液對型壁的輻射加劇，易使內(nèi)澆道附近局部過熱，從而可能產(chǎn)生夾砂、粘砂之類的缺陷并降低生產(chǎn)效率。

澆注速度大時，易發(fā)生沖砂、脹砂現(xiàn)象，但充滿型腔快，輻射時間短而砂型局部過熱不嚴(yán)重。多用來澆注薄壁、復(fù)雜、易產(chǎn)生夾砂缺陷的鑄件和流動性較低的合金鑄件。

影響澆注時間的因素有：金屬液的材質(zhì)及特性、澆注溫度、鑄件的形狀及尺寸、鑄型材質(zhì)、造型方法、澆注方法、澆注系統(tǒng)的類型及其大致尺寸等。確定澆注時間之前需要綜合考慮這些因素。

1 澆注時間主要影響因素及對鑄件質(zhì)量的影響

1.1 澆注系統(tǒng)的影響

1.1.1 澆注系統(tǒng)分類及特點

澆注系統(tǒng)的設(shè)置直接影響著澆注時間的長短。鑄鋼件澆注系統(tǒng)一般采用底返開放式澆注系統(tǒng)和分型面注入式澆注系統(tǒng)。底注開放式澆注系統(tǒng)：當(dāng)各個單元開放比例較大時，鋼液不易充滿澆注系統(tǒng)，呈無壓或小壓力流動狀態(tài)，充型均勻平穩(wěn)，避免沖擊、飛濺和氧化及由此而形成的鑄件缺陷，為防止型腔底部過熱和烘烤時間過長，一般宜于快澆。此種澆注系統(tǒng)對于隔板套類的中大型鑄件比較適宜。分型面注入式澆注系統(tǒng)，橫澆道和內(nèi)澆道在分型面下開出，有利于控制鋼液的流量分布和熱分布，一般澆注速度較慢，澆注時間相對較長一些，防止鋼液沖擊和飛濺，此種澆注系統(tǒng)僅適合平澆方式的板環(huán)體類鑄件，而立澆方式隔板套類鑄件并不適用。

1.1.2 澆道結(jié)構(gòu)尺寸的計算

采用截面比設(shè)計法，根據(jù)預(yù)定截面比，計算出內(nèi)澆道單元處的壓力高度值hp，用該壓力高度hp代入式(1)中進行計算，得出內(nèi)澆道截面積。

(1)

(2)

式中，A內(nèi)為澆注系統(tǒng)最小截面積(cm2)；GL為流經(jīng)A阻截面的金屬液總重量(kg)；ρL為鋼液密度(kg/cm-1)；t為澆注時間(s)；Hp為平均靜壓力頭高度(cm)；μ為流量損耗系數(shù)，取值范圍(0.3～0.7)；g為重力加速度(g=981cm/s2)；k1為直澆道截面積與橫澆道截面積之比；k2為直澆道截面積與內(nèi)澆道截面積之比。

內(nèi)澆道截面積由式(1)計算確定后，可按預(yù)定截面比確定其他單元的截面積。一般鑄鋼件開放式澆注系統(tǒng)各單元截面比為A直∶A橫∶A內(nèi)=1∶2∶(2～4)。確定澆道的尺寸和設(shè)置位置主要視鑄件的結(jié)構(gòu)、壁厚和重量而定。在設(shè)計薄壁件的澆道時，可以加大開放度，減少因流速過快而沖刷型壁；在設(shè)計壁厚較大的鑄件澆道時，也應(yīng)加大開放度，滿足快澆，同時，保證充型均勻平穩(wěn)。但對于底返式開放式澆注系統(tǒng)，必須考慮澆道設(shè)置的合理性，減少鋼液在澆道的消耗量。

1.2 鋼包大小及包眼直徑的影響

鋼包的容量及包眼尺寸決定其澆注平均流速，兩者對澆注時間的影響至關(guān)重要。鋼包全流澆注時的鋼液平均流速見表1。

表1 鋼包全流澆注時的鋼液平均流速Table 1 The average flow rate of molten steel during full flow pouring process with ladles

由表1可看出，若選用鋼包容量越大，包孔直徑越大，鋼液平均流速就越大，從而澆注時間越短，液面上升速度越快。反之，則澆注時間越長，液面上升速度越慢。

1.3 材質(zhì)的影響

1.3.1 材質(zhì)分類

汽輪機鑄鋼件材質(zhì)涉及三大類：碳鋼、低合金鋼、高合金鋼。例如，碳鋼ZG230-450；低合金鋼ZG15Cr1Mo1V和ZG20CrMo；高合金鋼(低碳不銹鋼)ZG1Cr10MoNiVNbN。合金元素的種類和含量越高，在澆注過程中鋼液的氧化能力越強，粘度增大，夾渣、吸氣越容易。同時，流動性越差，澆注時間越長，鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量將難以保證，因此，對于合金鋼鑄件必須嚴(yán)格控制其澆注時間和澆注溫度。

1.3.2 不同材質(zhì)的澆注溫度

碳鋼的澆注溫度一般在1530～1550℃；低合金鋼的澆注溫度在1550±10℃；高合金鋼的澆注溫度一般在1580±10℃。鋼液在不同的溫度范圍內(nèi)，鋼液的粘度是不同的。一般情況下，同種材質(zhì)的鋼水，溫度越高，鋼液粘度越小，流動性越好，澆注時間偏短，但溫度越高，鋼液的氧化能力越強，產(chǎn)生氣體、夾雜，鑄件質(zhì)量得不到保證。溫度越低，鋼液粘度越大，流動性越差，澆注時間偏長，溫度下降快，不能保證很好的充型，鋼液中的氣體、雜質(zhì)沒有及時上浮至冒口中。因此，對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或者薄壁鑄件應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度，并縮短澆注時間，保證鑄件質(zhì)量。

2 理論澆注時間計算公式對比

2.1 經(jīng)驗公式計算法

通過對主要因素的綜合考慮和計算，最終需要選擇適合的計算公式來計算澆注時間，便于控制澆注工序過程，確保獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件。目前澆注時間實際上是利用簡單的經(jīng)驗公式來計算，許多經(jīng)驗公式只考慮了鑄件壁厚和澆注金屬重量所帶來的影響。合理選用經(jīng)驗公式是計算理論澆注時間的關(guān)鍵，式(3)為選用公式之一。

(3)

式中，t為澆注時間(s)；m為澆注金屬液重量(kg)；K為常數(shù)值，K=2.4376-0.39595logm。

在考慮澆注時間的同時，還要兼顧合理的鋼液流速和液面上升速度，因此，有必要校核液面的上升速度。

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜及大型鑄件，在澆注時間確定后，需驗算型內(nèi)液面的上升速度，并參照表1中數(shù)值，如差別較大時，則應(yīng)修正澆注時間或更改澆注方案。

平均液面上升速度為：

(4)

式中，VL為型內(nèi)液面上升速度(cm/s)；hc為鑄件在澆注位置時的高度(cm)；t為澆注時間(s)。

VL應(yīng)大于表1中所列參考值，如太小，則應(yīng)修正。最小液面上升速度與鑄件壁厚的關(guān)系見表2。

2.2 鋼液上升速度計算法

大型鑄鋼件生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是鋼液上升速度計算法，鋼水包包眼的數(shù)量和大小決定了鋼液流速，單眼包和雙眼包澆注同樣的鑄件，其澆注時間是完全不同的，并且質(zhì)量也有差別。不同澆重的鑄件澆注時，澆注時間的計算主要由鋼包包眼數(shù)量和大小來決定，因此，在確定澆注時間時有必要計算包眼的數(shù)量和大小。常用普通包眼直徑有：50 mm，60 mm，70 mm，80 mm，100 mm。不同包眼直徑鋼液澆注重量速度平均值見表3。澆注時間計算公式為：

(5)

式中，t為澆注時間(s)；GL為型腔內(nèi)鋼液總重量(kg)；N為同時澆注的澆包數(shù)量(個)；n為每個澆包的包孔數(shù)；V包為鋼液的澆注速度(kg/s)。

表3 不同包眼直徑鋼液澆注重量速度平均值Table 3 The average weight-velocity value of molten steel during pouring process with different diameters of ladle hole

校核型內(nèi)鋼液上升速度ν升：

(6)

式中，ν升為液面上升速度(mm/s)；HC為鑄件在澆注位置的高度(mm)。

應(yīng)用式(6)校核金屬液在型內(nèi)的上升速度ν升時，ν升應(yīng)大于表4中νL值。當(dāng)上升速度太小時，應(yīng)當(dāng)縮短澆注時間，或改變澆注位置及其他工藝參數(shù)，并用校正的時間去計算澆口截面積。相反，當(dāng)上升速度太大時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加澆注時間，或者改變澆注位置及其他工藝參數(shù)，并用校正的計算時間去計算澆口截面積。

表4 型內(nèi)鋼水液面最小上升速度Table 4 The minimum rising velocity ofliquid level of molten steel in the pattern

3 實際澆注時間與理論澆注時間的對比分析

3.1 鑄件的形狀及尺寸影響

對不同鑄件結(jié)構(gòu)的澆注時間進行計算分析，選用包眼均為?70 mm的單眼包澆注方式，分別以板環(huán)體類鑄件和隔板套類鑄件為參考鑄件結(jié)構(gòu)，按照式(3)和式(5)計算澆注時間。

3.1.1 板環(huán)體類鑄件

板環(huán)體類鑄件結(jié)構(gòu)見圖1。板環(huán)體類鑄件澆注時間對比圖見圖2。

圖1 板環(huán)體鑄件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The structure diagram of plate ring casting

注：A理論計算時間為公式(3)計算結(jié)果。B理論計算時間為公式(5)計算結(jié)果。

圖2 板環(huán)體類鑄件澆注時間對比圖
Figure 2 The comparison diagram of pouring time of plate ring casting

由圖2可看出，實際澆注時間比A理論計算時間總體偏低，偏差范圍在10 s左右。分析原因：實測鑄件均為板環(huán)體類鑄件，結(jié)構(gòu)簡單，均為半圓形桿狀鑄件，流動的空間大，充型時阻流因素少，從而，澆注時充型較快，澆注時間比A理論計算時間短。

3.1.2 隔板套類鑄件

隔板套類鑄件結(jié)構(gòu)見圖3。隔板套類鑄件澆注時間對比圖見圖4。

由圖4可看出，實際澆注時間比A理論計算時間總體偏低。分析其原因：隔板套類鑄件結(jié)構(gòu)為半環(huán)形，以中分面為分型面，采用底返式澆注系統(tǒng)，其鑄件壁厚差異小，充型阻流因素少，澆注時液面上升速度快，從而，澆注時間比理論計算時間短。

圖3 隔板套類鑄件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 The structure diagram of diaphragm housing ring casting

注：A理論計算時間為式(3)計算結(jié)果。B理論計算時間為式(5)計算結(jié)果。

圖4 隔板套類鑄件澆注時間對比圖
Figure 4 The comparison diagram of pouring time of diaphragm housing ring casting

3.2 分析和討論

由圖2和圖4可看出，B理論計算時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了實際澆注時間。公式(5)是根據(jù)大型鑄件澆注時所用包眼和鋼包數(shù)量得來的，在一般中小型鑄件的計算中，不適合用此公式來計算理論澆注時間。而A理論計算時間與實際澆注時間的偏差值較小，可見，用公式(3)計算中小型鑄件的理論澆注時間較為適宜。

4 結(jié)論

(1)要想獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，除了對澆注時間的計算，還需要考慮其他影響澆注時間的因素。首先，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)類型，選用合適的澆注系統(tǒng)和澆注方式，運用澆道截面積計算公式，設(shè)計與鑄件匹配的澆注系統(tǒng)。其次，選用不同規(guī)格的鋼包和包眼，其澆注平均流速決定了澆注時間的長短。在配包澆注時，必須考慮鋼包和包眼與鑄件澆注重量的匹配合理性。最后，不同材質(zhì)的液態(tài)粘度，決定了其流動性，必須考慮鑄件結(jié)構(gòu)和壁厚，適當(dāng)提高澆注溫度，縮短澆注時間。

(2)澆注時間的計算可以選用經(jīng)驗公式，其中公式(3)適用于中小型結(jié)構(gòu)簡單的板環(huán)體類和隔板套類鑄件的理論澆注時間計算。

[1] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊：鑄造工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊：鑄鋼[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3] 曹文龍.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

編輯 杜青泉

Discussion on Calculation Formula of Pouring Time for Castings

Wang Zhangming, Liu Peng

By contrasting and analyzing the calculation formula of theoretical pouring time, the scope of application of this formula has been discussed. Meanwhile, the quality of castings has been analyzed by combining the influence factor of pouring time.

casting; pouring time; calculation formula

2016—09—18

王章明(1985—)，工程師，從事鑄造工藝研究。 劉鵬(1984—)，工程師，從事鑄造工藝研究。

TG250

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