CN101332504A - L、r、c法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属成型铸件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属成型铸件的方法。以铸造非晶钢圆管铸件为例，铸型6由厚度为δ的薄钢板制成，快速压头5以速度n下压差压式压室3中的液态金属4，使之经直浇口11、内浇口10进入铸型6。液态金属4在铸型6底部以速度u上升形成ΔL高度的液柱时，液氮喷射机构8开始向铸型6壳体喷射液氮。在液氮气化吸热作用下，液态金属快速凝固成Δm长度非晶固态金属。液氮喷射机构8开始喷射液氮的同时，也以速度u沿铸型6壳体上升，即每当Δm液态金属快速凝固成Δm非晶固态金属的同时就有Δm液态金属补充进铸型6，液氮喷射机构8也同时上升Δm高度。不断重复上述过程，最后铸出非晶钢圆管铸件。

Description

L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属成型铸件

技术领域

本发明专利的技术领域主要是黑色、有色金属快速凝固获得非晶、微晶、细晶金属组织的技术，低温工作室技术和低温液氮高喷射速度、极薄液膜喷射技术，连续铸造技术。

背景技术

本发明专利的背景技术除了与已申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶等金属型材”(专利申请号200410002605.0)相同部分以外，还有如下部分。

综观世界古今中外，铸造成型铸件的方法和过程都是：

1.根据要求生产铸件的形状、尺寸大小，制造出带砂芯的砂铸型或金属铸型。2.浇注黑色或有色液态金属进入砂铸型或金属铸型中，液态金属完全充满铸型以后，铸型中全部液态金属包含的热量，通过铸型传导到外部空间大气之中，型腔中液态金属逐渐冷却、凝固成要求的铸件。3.从铸型中取出铸件并清理铸件内、外表面。

从上述的铸造过程可以看出：液态金属是在完全充满铸型型腔以后才开始冷却、凝固过程，即液态金属充填铸型型腔的过程与液态金属冷却、凝固过程是截然分开的。在这种技术方法主导之下，为了承受浇注过程和冷却、凝固过程之中全部液态金属的压力作用和全部液态金属的热量作用，人们只好采用耐高温的石英砂、粘土，水制造出有足够抗压强度的砂铸型或有足够厚度的、内壁表面刷上涂料的水冷金属铸型来铸造成型铸件。为了铸造大、重型铸件，人们甚至采用地坑造型的方法制造出适用的砂铸型，然后用来铸造大、重型铸件。

砂型铸造的使用固然在相当程度上满足了铸造成型铸件的要求，但同时砂型铸造本身具有极其严重的问题。首先砂型、芯砂、涂料的制备、造型、制芯、合箱浇注、铸件清砂等工序都产生大量粉尘、污水、刺耳的噪音、有害气体，使铸造厂成为城市的大气环境和城市用水的污染源，破坏生态环境，损坏人民身体健康。

因为石英砂的导热系数λ很小，液态金属的热量通过砂型传到大气环境的传热过程进行缓慢，液态金属的凝固、冷却过程缓慢，使铸件晶粒粗大并出现缩孔、缩松等铸造缺陷，铸件机械性能大大下降，对于大、重型铸件机械性能下降尤为明显。

发明内容

自人类开始铸造成型铸件以来，铸造的传统工艺方法都是先往砂型中浇注液态金属，待砂型型腔充满了大量的高温液态金属以后，再开始液态金属的凝固、冷却。即液态金属的浇注过程与凝固、冷却过程是截然分开的。液态金属填充砂型以后，型腔中存有大量的高温液态金属，这些液态金属含有大量的内热能。而这些内热能却要通过导热系数λ极低而型壁又相当厚实的砂型传到大气之中，液态金属的冷却速率必然很低，通常冷却速率只有10²℃/S，所得到的金属组织是粗树枝晶、共晶和其他结构^[1]，铸件机械性能不高。要获得非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的铸件是不可能的。

千百年来，众多的研究者都力图通过提高液态金属的冷却速率来获得优质的铸件。但是，只要继续遵循上述的传统工艺方法，要提高冷却速率获得非晶、超微晶、微晶金属铸件是不可能的。

必须抛弃这一传统的铸造工艺方法，另辟新的途径！

L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等黑色及有色金属成型铸件的重要技术措施就是将黑色或有色金属的液态金属进入铸型的浇注过程与该液态金属在铸型内凝固、冷却过程结合起来，实现浇注过程与凝固过程同时进行。浇注进入铸型多少数量的液态金属，铸型中同时就有多少数量的液态金属以获得非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织相应的快速凝固、冷却速率进行快速凝固、冷却，液态金属浇注过程完成时，快速凝固、冷却过程也基本上完成。按照获得非晶、超微晶、微晶、细晶黑色及有色金属铸件的要求确定出液态金属进入铸型的浇注速度，铸型中液态金属快速凝固、冷却的速率，相应的液氮喷射生产参数，最终铸造出要求生产的各种金属、各种形状、尺寸大小的非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的成型铸件。

L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等黑色及有色金属成型铸件原理如下：

为阐述方便，以铸造平均直径D＝800mm、长度为3000mm的0.23C钢管铸件为实例说明其工作原理：

L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等黑色及有色金属成型铸件的工作原理表示于图1A、图1B、图1C中。

图1A为L、R、C法浇注铸件前的状态图。低温、低压工作室7的体积大小，根据生产的金属铸件形状、大小及室内设备、装置而定，工作室内温度和压力是恒定的，工作温度t_b＝-190℃、工作压力p_b略大于1bar。形成铸件的铸型6是由厚度为δ的0.23C薄钢板所制成并表示于D局部放大图和G局部放大图。δ数值的决定下面有具体的论述，现定为δ＝0.5mm。差压式压室3通过右边的液态金属入口2接受来自浇包1的液态金属，当差压式压室3中的液态金属4的液面上升到铸型6的底部、即图1A所示差压式压室3中的液面时，浇包1停止向差压式压室3浇入液态金属。浇入差压式压室3中的液态金属重量应略大于铸型6中的铸件重量。快速压头5位于差压式压室3正上方，其作用是推压差压式压室3中的液态金属，使液态金属经过差压式压室3的左方出口自下而上地、平稳地通过直浇口11、内浇口10进入铸型6。内浇口10是在铸型6整个高度上开出一个液态金属进入铸型6的通道，通道的宽度表示在HI剖视图上。内浇口10是由铸型6外壳体的厚度为δ的薄钢板延伸出来并与铸型6制成一个整体。直浇口11是一个垂直的管形通道，其高度与内浇口10的高度一致，直浇口与内浇口装配、固定在一起。直浇口是用绝热材料造成的，目的是保证铸型从底部开始浇注、填充到铸型顶部浇注、填充完毕的整个过程中，直浇口11内的液态金属始终不会因为铸型6内液态金属快速凝固、冷却而导致凝固、堵塞，始终保持直浇口内液态金属流动是通畅的，这样就可以保证整个铸型的浇注、填充过程顺利进行。为此，直浇口11在必要时可以装上电热元件以确保直浇口液态金属始终通畅地流动。液氮喷射机构8的初始位置位于铸型6的底部，其结构与已申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属管材”(专利申请号200510096844.1)是相同的，可参阅发明专利200510096844.1图2中5_a、5_b液氮喷射机构的结构。但是本专利中的液氮喷射机构8与发明专利200510096844.1图2中的5_a、5_b又是有不同的，能够以u的速度平稳向上移动的，其向上移动的机构在图中没有表示。

图1B为铸件底部浇注及快速凝固、冷却初始过程原理图。在开始浇注及快速凝固、冷却过程之前，封闭压头9将差压式压室3右侧的液态金属入口2封闭。当快速压头5以n的下压速度向下运动，压头5的下表面与差压式压室3中的液态金属相接触并继续向下推压时，差压式压室3中的液态金属不会从差压式压室3右侧的液态金属入口2处溢出。差压式压室3中的液态金属在快速压头5的推压作用下，克服液态金属流经差压式压室3左侧的出口、直浇口11、内浇口10进入铸型6所有路程的全部沿程阻力，自下而上地进入并填充铸型6的型腔。当液态金属在铸型6型腔底部以上升速度u平稳地上升ΔL距离时，液氮喷射机构8开始向δ＝0.5mm的铸型壳体的外、内表面的钢板喷射液氮。喷射液氮和ΔL工作参数值是：液氮工作温度t＝-190℃、液氮工作压力p＝1.877bar、液氮喷射速度K＝30m/s、液氮喷射层厚度h≤2mm、ΔL＝5～20mm。ΔL数值的决定下面有具体的论述。在液氮喷射机构8开始喷射液氮的同时，液氮喷射机构8本身也以和铸型6中的液态金属液面上升速度相同的u值沿着铸型6内、外壳体同步上升。即液氮喷射机构8喷出的液氮将和铸型6中的液态金属液面同步上升。而在随后浇注过程中液氮喷射机构8与铸型6中液态金属液面距离始终恒定地保持ΔL数值。在ΔL值的区间内铸型6中ΔL的液态金属将与厚度为δ的内、外壳体的薄钢板进行热交换，在δ值及ΔL值选择合适时，铸型6内、外壳体中的δ厚度薄钢板的温度控制在该金属固相线温度以下和500℃以上的温度区间之内，δ薄板不会熔化，而且还能够承受ΔL高度的液态金属的压力。即在ΔL区间段内液态金属仍容纳于厚度为δ的薄钢板铸型的内、外壳体之中不会熔漏出壳体之外。但是在ΔL段的壳体钢板却是处于高温状态之中，钢板高温强度较低，ΔL区间的壳体钢板不能承受位于该ΔL区间上方壳体的自重而在ΔL段弯折。为此铸型6的壳体必须在顶部或其他地方设置支撑，以承受铸型壳体的自重。铸型6的支撑在图中没有表示。

因为δ很小，只有0.5mm，铸型6的壳体内液态金属的热量可以迅速地传导到钢板与喷射液氮的接触面上。同样地，因为δ钢板温度可达500℃以上，喷射液氮与钢板温差很大，喷射液氮吸热气化可以瞬间完成。因此，当喷射液氮机构8向铸型6壳体喷射厚度只有2mm以下的液氮层时，位于与喷射液氮相接触的铸型壳体内部的液态金属所包含的从液相线温度到工作室工作温度-190℃的全部热量将迅速通过厚度为0.5mm的钢板传导到喷射液氮与钢板的接触面上，被喷射液氮在瞬间通过气化吸热方式而全部取走，这部分液态金属将实现快速凝固、冷却到工作室工作温度-190℃。因为喷射液氮层厚度只有2mm以及强力抽气系统的抽气作用，喷射液氮通过吸热气化产生的氮气也全部、迅速地排出工作室外，氮气不会依附于铸型6内、外壳体上，不会影响喷射液氮吸热气化传热过程的进行。设定在与非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织相对应的快速冷却速率V_k作用下，在与不同的快速冷却速率V_k相对应的不同的Δτ时间间隔内，液氮喷射机构8喷射与不同的快速冷却速率V_k相对应的不同的液氮量ΔV。ΔV通过气化吸热的作用将铸型6底部与V_k相应的不同厚度的Δm长度段的液态金属由液相线温度到工作室7的工作温度所包含的热量全部取走，则铸型底部将有不同厚度的Δm长度段的液态金属以不同的快速凝固、冷却速率V_k实现快速凝固、冷却到-190℃。在铸型底部将出现与金属组织为非晶、超微晶、微晶、细晶而温度为-190℃的相应的、不同厚度的Δm长度段的固态金属层。图1B中D局部放大图中高度为Δm的e就是管状铸件中已凝固的并冷却到-190℃的固态金属部分，f则是已凝固的内浇口部分，但是直浇口部分则仍是液态金属。Δm长度段的厚度值则随着非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的不同而不同。D局部放大图左侧中，a面为液态金属面，a面温度为液相线温度。b面温度为固相线温度，a-b为固-液共存区，b面就是固-液态金属界面。b-c段是已快速凝固并冷却到-190℃的固态金属区。a-c段则是Δm已凝固的金属长度段。在这同一个Δτ时间间隔内，差压式压室3中的液态金属在快速压头5的推压作用下，沿着直浇口11上升到ΔL段上的k面处向铸型6浇注、补充入与Δm长度段相适应的液态金属量。而在这同一Δτ时间间隔内，液氮喷射机构8以u的速度也同步上升Δm长度段距离。这就导致经过Δτ时间间隔后，液氮喷射机构8与铸型6内的液态金属液面的距离始终保持ΔL数值。这就实现了在向铸型浇注液态金属过程的同时铸型中的液态金属也进行快速凝固、冷却的过程。

图1C为铸件中部浇注及快速凝固、冷却过程原理图。随着铸型6浇注液态金属以及液态金属在铸型6中快速凝固、冷却的整个过程进行一段时间以后。如图1C所示，已凝固、冷却到-190℃的铸件高度为L，液氮喷射机构8也上升到L的高度上。铸型6中液态金属液面与已凝固、冷却铸件上表面的间距保持ΔL。在上述浇注及快速凝固、冷却过程再经过Δτ时间间隔，ΔL段中的液态金属，在液氮喷射机构8上升运动同时向铸型6壳体喷射液氮层的吸热气化作用下，液态金属快速凝固、冷却而形成温度为-190℃的Δm长度段固态金属层。在同一Δτ时间间隔内，差压式压室3中的液态金属在快速压头5推压下，往铸型6补充Δm长度段的液态金属。ΔL液态金属高度始终不变。而液氮喷射机构8在Δτ时间间隔内也上升Δm长度段距离。重复上述过程，最后往铸型6中浇注液态金属以及液态金属在铸型6中快速凝固、冷却的整个过程完成时，就可以获得非晶、超微晶、微晶、细晶圆管铸件。

在L、R、C法及设备铸造出的非晶、超微晶、微晶、细晶铸件中，原来构成铸型6的厚度为δ的内、外壳体0.23C钢板已经和铸件完全熔铸在一体。δ厚度的钢板直接构成了铸件的一部分。因此，铸件的尺寸精确度、表面光洁度、表面质量以及铸件的内在质量均大大提高，机械加工量大大减少，经济效益显著。更为重要的是，铸件表面清理、制砂型砂芯、砂处理等工序可以完全取消，铸造工厂中产生大量污水、粉尘、有害气体、噪音的清理、砂处理、制砂型砂芯等车间不复存在。彻底解决了铸造厂成为环境污染源的问题，大大改善了生态环境。铸造从此不再污染环境，其意义是极其重大的。

附图说明

图1为L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属成型铸件原理图

图2为L、R、C法及设备铸造微晶金属成型铸件原理图

图3为倾斜60°平壁面内、外表面液氮喷射机构8工作过程图

图4为三角形垂直平壁面c的外表面液氮喷射机构8工作过程图

图5为三角形垂直平壁面c的内表面液氮喷射机构8工作过程图

具体实施方式

L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶金属成型铸件的原理已阐述如上。图1A、图1B、图1C所示的L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等黑色及有色金属成型铸件的原理图可以表述为如下的A过程：在铸造成型铸件时，铸型6是不动的，而铸型6中已凝固及冷却到-190℃的铸件高度是由0开始以u的速度向上增大的，在图1C中已增大到L。铸型6中液态金属间距ΔL也由图1B中的位置以同样速度u上升到图1C中的位置。当液态金属由铸型6底部上升ΔL间距时，液氮喷射机构8也开始以u的速度沿铸型6的内、外壁向上移动，同时液氮喷射机构8也开始向铸型6喷射液氮，在喷射液氮气化吸热作用下，铸型6中的液态金属快速凝固、冷却。不断重复上述过程，最后铸造出非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的圆管铸件。

上述的A铸造过程也可以处理成下述的B铸造过程：在铸造成型铸件时，铸型6中液态金属ΔL数值不变，而且ΔL的位置始终在图1B所示的差压式压室3左侧液态金属出口上方固定不动。在铸型6下方的，如图1B所示，液氮喷射机构8的位置也是固定不动的。当铸型6中形成液态金属ΔL间距时，铸型6和差压式压室3、快速压头5等设置一起以u的速度相对于液氮喷射机构8和ΔL液态金属间距匀速向下移动，与此同时液氮喷射机构8也开始向铸型6内、外壳体喷射液氮。根据要求生产的黑色及有色金属的非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的不同，在相应的、不同的Δτ时间间隔内喷射相应的、不同的ΔV液氮喷射量，在ΔV液氮喷射量吸热气化作用下铸型6中液态金属快速凝固及冷却而形成-190℃的Δm长度段固态金属层。而在这同一Δτ时间间隔内铸型6以u的速度向下移动Δm长度段的距离。在铸型6向下移动、液氮喷射机构8喷射液氮的同一个Δτ时间间隔内，快速压头5以n的速度继续推压差压式压室3中的液态金属4从而将相当于Δm长度段的液态金属压入铸型6中，使铸型6中的液态金属始终保持ΔL值。重复上述过程就可以铸出黑色及有色金属的非晶、超微晶、微晶、细晶圆管铸件。

从上述分析可见，在A、B两个铸造过程中，快速凝固及冷却形成铸件的本质是相同的。而B过程就是已申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属管材”(专利申请号200510096844.1)第一部分所阐述的“L、R、C法及其连铸机系统铸造黑色及有色金属和各种规格的非晶、超微晶、微晶、细晶金属管材”的铸造过程。这样，“L、R、C法及其连铸机系统铸造黑色及有色金属和各种规格的非晶、超微晶、微晶、细晶金属管材”的生产参数计算公式，最大壁厚E_max和壁厚E的计算程式对于“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等黑色及有色金属成型铸件”是完全适用的。相关的生产参数计算公式如下：

快速凝固、冷却时间间隔Δτ＝Δt/V_k    S

Δτ时间间隔内凝固、冷却成-190℃固态金属的长度段Δm

对于非晶金属 $\mathrm{\Δm}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CP}}\mathrm{\Δ\τ}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CP}}{C}_{\mathrm{CP}}}---\mathrm{mm}$

对于超微晶、微晶、细晶金属 $\mathrm{\Δm}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CP}}(C_{\mathrm{CP}}\mathrm{\Δt}+L)V_K}\·\mathrm{\Δt}---\mathrm{mm}$

铸型中液态金属液面上升速度u＝Δm/Δτ

Δm金属长度包含的液态金属内热能ΔQ₂

对于非晶金属ΔQ₂＝πΔmρ_cpC_cpΔt(r₂ ²-r₁ ²)                     KJ

对于超微晶、微晶、细晶金属ΔQ₂＝πΔmρ_cp(C_cpΔt+L)(r₂ ²-r₁ ²)   KJ

Δτ时间间隔内将Δm长度段液态金属内热能全部取走的液氮喷射量ΔV

ΔV＝ΔQ₂V′/r                                                 dm³

液氮喷射量V及其气化为氮气后所占的体积V_g

V＝60·ΔV/Δτ＝60·ΔQ₂V′/rΔτ                             dm³/min

V_g＝V·V″/V′＝60·ΔQ₂V″/rΔτ                              dm³/min

液氮喷射层厚度h

h＝ΔV/2π(r₁+r₂)KΔτ                                         mm

确定各种成分黑色及有色金属及其各种规格的非晶、超微晶、微晶、细晶金属管材的最大壁厚E_max和相关的生产参数Δτ、Δm、u、ΔQ_2max、ΔV_max、V_max、V_gmax。

ΔV_max及ΔQ_2max

ΔV_max＝4πK_maxΔτhr，r＝(r₂+r₁)/2                            dm³

ΔQ_2max＝ΔV_maxr/V′                                           KJ

最大壁厚E_max

对于非晶金属

E_max＝ΔQ_2max/2πrΔmρ_cpC_cpΔt                                mm

对于超微晶、微晶、细晶金属

E_max＝ΔQ_2max/2πrΔmρ_cp(C_cpΔt+L)                            mm

V_max及V_gmax

V_max＝240πrK_maxh                                              dm³/min

V_gmax＝240πrK_maxhV″/V′                                      dm³/min

确定铸造壁厚为E的相关生产参数

比例系数x

x＝E_max/E

计算ΔQ₂、ΔV、V、V_g、K

x＝ΔQ_2max/ΔQ₂＝ΔV_max/ΔV＝V_max/V＝V_gmax/V_g＝K_max/K

计算K是在h＝2mm不变条件下，K_max与K符合上式。

发明专利200510096844.1中表3～表8所列的数据也同样可以采用。但发明专利200510096844.1中表3～表8的数据是对于平板宽度B＝1000mm、钢圆管平均半径r＝159.2mm的生产参数的数值。现在生产的圆钢管平均半径是r＝400mm，平均半径增大了2.51倍。发明专利200510096844.1中表3～表8中有关的喷射液氮数据也应增加2.51倍。修改后的数据列于表1～表6。

表10.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件最大壁厚E_max和生产参数(L＝3m、r＝0.4m、K＝30m/s、h＝2mm)

表2r₂＝410mm、r₁＝390mm、0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的生产参数(L＝3m、r＝0.4m、E＝20mm、h＝2mm)

表3r₂＝407.5mm、r₁＝392.5mm、0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的生产参数(L＝3m、r＝0.4m、E＝15mm、h＝2mm)

表4r₂＝405mm、r₁＝395mm、0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的生产参数(L＝3m、r＝0.4m、E＝10mm、h＝2mm)

表5r₂＝402.5mm、r₁＝397.5mm、0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的生产参数(L＝3m、r＝0.4m、E＝5mm、h＝2mm)

表6r₂＝400.5mm、r₁＝399.5mm、0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的生产参数(L＝3m、r＝0.4m、E＝1mm、h＝2mm)

表1～表6列出了平均内径D＝800mm，长度L＝3000mm的0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的最大壁厚E_max和不同壁厚E的生产参数值。根据生产铸件的要求，从上述表格可以确定相关的生产参数。此外，还需要对另一个技术关键进行分析研究。铸型6中厚度为δ的薄钢板是否会在ΔL间距的液态金属压力和热作用下裂开或熔开？如果出现这一现象，从差压式压室3流入铸型的液态金属将从开裂处流出，铸造过程无法继续进行。

对已申请的发明专利200510096844.1图1所示的L、R、C法及设备连铸0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶圆钢管件的生产过程，u是热铸型4出口处的液态金属在喷射液氮气化吸热作用下快速凝固、冷却成为-190℃的固态金属并被牵引机构6牵引出热铸型4的速度。对于本发明专利的图1所示的L、R、C法及设备铸造0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶圆钢管铸件的生产过程，u既是液氮喷射机构8一方面向铸型6喷射液氮一方面自身向上移动的速度；u也是铸型6中液态金属不断向上快速凝固并冷却成-190℃的固态金属的凝固速度：也就是图1中a截面向上移动的上升速度；同样，u也是铸型6中液态金属间距ΔL向上移动的上升速度。当铸型6中液态金属间距ΔL设定以后，在图1所示的液氮喷射机构8喷射的液氮气化吸热作用下，ΔL底部的液态金属开始向上凝固，因为液氮喷射机构8在喷射液氮同时又以u的速度上升，从ΔL底部的液态金属凝固出来的固态金属也同样以u的速度同步向上增高，经过Δτ′时间间隔以后，已凝固的固态金属向上增高的高度值为ΔL，则Δτ′＝ΔL/u。从式中可以看出，Δτ′就是在铸型中快速凝固出ΔL间距的固态金属所需的时间间隔；也是在喷射液氮气化吸热作用下，ΔL间距的液态金属能够保持液态的最长时间，在Δτ′时间间隔以后，ΔL中液态金属的最后部分也凝固成固态金属。从式中还可以看出，Δτ′只决定于ΔL及u，u的数值已列于表1～表6，ΔL确定后，Δτ′也确定了。对于平均内径D＝800mm、长度L＝3000mm的0.23C圆钢管铸件，Δτ′与ΔL、u、V_k等的关系表列于表7～表11。

表7D＝800mm、L＝3000mm、ΔL＝20mm，0.23C圆钢管铸件Δτ′参数值

表8D＝800mm、L＝3000mm、ΔL＝15mm，0.23C圆钢管铸件Δτ′参数值

表9D＝800mm、L＝3000mm、ΔL＝10mm，0.23C圆钢管铸件Δτ′参数值

表10D＝800mm、L＝3000mm、ΔL＝8mm，0.23C圆钢管铸件Δτ′参数值

表11D＝800mm、L＝3000mm、ΔL＝6mm，0.23C圆钢管铸件Δτ′参数值

综合表7～表11，铸造0.23C非晶钢圆管铸件时，液态金属在铸型6中的上升速度u＝10.81m/min，即u＝180.2mm/s，在快速压头5推压下液态金属在铸型中每秒可上升180mm，通常直浇口横截面面积比圆钢管铸件横截面面积小，则液态金属在直浇口中的上升速度比u值要大。为避免液态金属自直浇口经内浇口流入圆钢管铸件时，对a截面处凝固的金属产生扰动。而在a截面处金属凝固时不受扰动对铸件质量将产生极其重要的影响，因此确保a截面处金属凝固不受液态金属流动的扰动是确定ΔL数值大小的重要依据。显然u的数值越大，可能产生的扰动就越大，为此ΔL应取最大值。另一方面，u数值大时，液态金属在直浇口上升流动的动能作用下，越过a截面的水平位置克服ΔL位能，在图1B所示的K截面处经内浇口进入铸型，再结合ΔL值较大，液态金属的流动对a截面金属快速凝固的扰动可以完全避免。对于非晶金属组织，取ΔL＝20mm。从表7中可以得出Δτ′＝0.11S，经过0.11秒的时间间隔，铸型中ΔL间距的液态金属，在喷射液氮气化吸热作用下全部快速凝固，冷却成为-190℃的固态金属。这就是说，铸型中ΔL间距的液态金属对铸型壳体δ厚度的薄钢板热作用的时间为0.11秒。如果薄钢板厚度δ有恰当的数值，在这个Δτ′＝0.11秒时间间隔内不被熔化并抗住ΔL液柱的液态金属压力，整个铸造过程就可以顺利完成。铸造0.23C细晶圆钢管铸件时，液态金属在铸型中上升速度u＝0.31m/min，即u＝5.2mm/s，液态金属在铸型中每秒上升5mm。这个速度值对a截面处金属快速凝固、冷却的扰动要小得多。而直浇口中的液态金属在快速压头5推压和u的上升速度共同作用下，仍可以在图1B所示的K截面处经内浇口进入铸型。按照上述情况，ΔL应取较小数值。0.23C细晶圆钢管铸件的铸造过程中，取ΔL＝6mm～8mm。从表10、表11可以得出，Δτ′＝1.16s～1.55s。如果厚度为δ的薄钢板在1.16s～1.55s的时间间隔内不被熔化并抗住了ΔL液柱的液态金属压力，铸造0.23C细晶圆钢管铸件的整个过程就可以顺利完成。铸造0.23C超微晶圆钢管铸件的铸造过程中，取ΔL＝15mm～20mm，Δτ′＝0.103s～0.27s。铸造0.23C微晶(一)、微晶(二)圆钢管铸件的铸造过程中，取ΔL＝10mm～15mm，Δτ′＝0.19s～0.92s。综合从铸造0.23C非晶圆钢管铸件到0.23C细晶圆钢管铸件的铸造过程，ΔL值从非晶圆钢管铸件的20mm到细晶圆钢管铸件的6～8mm，而Δτ′则从非晶的0.11s到细晶的1.16s～1.55s。ΔL液柱的液态金属对厚度为δ的薄钢板施加的压力和热的作用时间，最长也不过是1.55秒。可见，整个过程是一个快速凝固却又是连续铸造的铸造过程。

要实现上述的快速凝固和连续铸造的铸造过程，必须对液态金属浇注、填充铸型的过程进行分析研究。图1B、图1C中快速压头5是由一个图中没有表示的油缸来驱动的，在其液压系统中，事先并不设定油缸的工作压力。油缸内的工作压力是在快速压头5推压差压式压室3中的液态金属时，克服液态金属流经直浇口、内浇口进入铸型6的沿程阻力和局部阻力而建立起来的。而液态金属向上填充铸型型腔的速度u则是通过控制进入油缸中的输油量使快速压头5以n的速度下压差压式压室3中的液态金属而实现的。铸型6上方开有通气孔12，液态金属在铸型型腔内以u的速度向上填充时，液态金属液面上方的气体自通气孔12排到工作室7。因此，型腔内气体压力与工作室内的气体压力是相同的，都是约1个大气压。图1C中，L是液态金属在喷射液氮气化吸热作用下已快速凝固并冷却到-190℃的固态金属长度。在L长度上方是ΔL间距的液态金属，在ΔL间距顶部的是液态金属的液面，它所受到压力就是工作室7的气体压力1bar。而在ΔL间距底部液态金属的压力则是p_ΔL＝γΔL。

因为0.23C非晶钢圆管铸件的ΔL及u参数值与其他金属组织钢圆管铸件的ΔL及u参数值相比较，0.23C非晶钢圆管铸件的ΔL及u值是最大的，因此选择0.23C非晶钢圆管铸件作为分析实例。其相关参数如下：

ΔL——铸型型腔中液态金属间距，      mm，   ΔL＝20mm    ；

u——液态金属在铸型型腔中上升速度，  m/min，u＝10.81m/min；

D——0.23C钢圆管铸件平均内径，       mm                  ；

L——0.23C钢圆管铸件长度，           mm，   L＝3000mm    ；

E_max——0.23C非晶钢圆管铸件最大壁厚，mm，   E_max＝8.9mm  ；

F_q——快速压头面积，                 cm²                 ；

n——快速压头下压速度，              m/min               ；

γ——0.23C液态钢的重度，            g/cm³，γ＝7.71g/cm³。

确定差压式压室3体积V_p、快速压头5的压头面积F_q、快速压头5的下压速度n、铸型6壳体薄钢板厚度δ等参数值。

计算0.23C非晶钢圆管铸件重量G、确定差压式压室3体积大小和结构。

圆管铸件展开为一平板，其长度为πD，宽度E、高度为L。E取非晶最大厚度E_max。

G＝πDE_maxLρ_cp     (1)

E_max值要考虑铸型6壳体钢板的厚度δ，实际铸型6中液态金属的厚度是E_max-2δ、设定δ＝0.5mm，则E＝7.9mm。但是最后铸出的铸件，壳体钢板与型腔中的液态金属熔为一体，E_max仍为8.9mm。将E代替E_max并和D、L、ρ_cp代入(1)式，ρ_cp＝7.86×10³kg/m³。G＝468.2kg。考虑直浇口、内浇口重量，加大1.2倍，取G为560kg。根据G的数值即可设计差压式压室3的体积。差压式压室3内气压为1bar，则可按图1A所示设计其结构。

确定快速压头5的压头面积F_q、快速压头5的下压速度n，保证液态金属在铸型6中的上升速度为u。根据快速压头5往下推压差压式压室3中的液态金属时，液态金属在差压式压室3与铸型6的型腔之间的流动是连续流动的原理，下式成立。

πDEu＝F_qn

式中，F_q、n均是未知数。但根据差压式压室3的结构、容积大小以及铸型6的结构、容积大小可以决定F_q的数值。确定F_q的数值以后，快速压头5的下压速度n可以按下式计算。

$n=\frac{\mathrm{\πDEu}}{F_q}---\left(2\right)$

确定F_q及n以后就可以保证液态金属在铸型6中以u的速度上升并可以进行快速压头5的驱动油缸和相应的液压系统的设计。

确定铸型6型腔中薄钢板的厚度δ

计算铸型6的薄钢板承受的压力值。因为铸型6在整个铸造过程中，尽管L数值不断向上增大，但却只有ΔL间距段为液态金属，虽然这个间距ΔL中的液态金属随L值向上增大而不断地向上移动，但ΔL值恒定不变，恒定为20mm。在液态金属移动到达的地方，ΔL液态金属液面处压力为1个大气压，ΔL液态金属底部压力为p_ΔL，在ΔL液态金属底部处的薄钢板所受的压力也就是p_ΔL。p_ΔL按下式计算。

p_ΔL＝γΔL    (3)

以γ＝7.71g/cm³代入，得p_ΔL＝0.0157kg/cm²

这个压力很小，只有千分之十五个大气压。而且据表7所示，作用持续时间Δτ′只有0.11秒，厚度δ为0.5mm的薄钢板完全可以承受这个压力。

计算铸型6薄钢板能承受热作用的厚度δ

进入铸型6的ΔL间距的液态金属，从凝固初始温度t₁＝1550℃，凝固、冷却到固相线温度t_j＝1495℃，释放出的热量为Q_ΔL。

设定薄钢板厚度为δ，实际进入铸型容积的液态金属厚度为E-2δ。

$Q_{\mathrm{\ΔL}}=\mathrm{\πD}(E-2\mathrm{\δ})\mathrm{\ΔL}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]--\left(4\right)$

ΔL间距长度、厚度为δ的薄钢板，由工作室7的室温加热到融化所吸收的热量为Q′_ΔL

${Q^{\′}}_{\mathrm{\ΔL}}=\mathrm{\πD}\left(2\mathrm{\δ}\right)\mathrm{\ΔL}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}(t_j-t_2)+L]---\left(5\right)$

令Q_ΔL＝Q′_ΔL，可解出钢板厚度δ，因为这时δ厚度是可以熔化的，应是铸型薄钢板的最小厚度值δ_min。据此，

$2{\mathrm{\δ}}_{\min }=\frac{E[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]}{{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}(t_j-t_2)+2L}---\left(6\right)$

式中：E——铸型中液态金属填充的厚度为E-2δ，对于非晶最大壁厚钢圆管铸件，E＝E_max

——液态金属从凝固初始温度下降到固相线温度的平均比热值

——薄钢板温度从工作室7室温t₂到固相线温度t_j＝1495℃的平均

比热^[附件1]*

${C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}=(0.469+0.485+0.519+0.552+0.594+0.661+0.745+0.854+$

$1.431+0.954+0.644+0.644+0.644+0.661+0.686+0.84)\÷16$

将E＝8.9mm，

代入(6)式，解得 $2{\mathrm{\δ}}_{\min }=\frac{8.9[0.84(1550-1495)+310]}{0.84(1550-1495)+0.71(1495+190)+2\×310}=1.66\mathrm{mm}$ δ_min＝0.83mm

取实际δ＝(8.9-7)/2＝0.95mm。δ＞δ_min，铸型钢板是可以承受ΔL间距液态金属的热作用的。如果在铸造0.23C钢圆管铸件中，使用0.95mm的钢板制造铸型6，造成壳体太厚，影响铸型中液态金属的快速凝固，可以使用附加喷射液氮方法，以减小铸型6的薄钢板厚度。其方法为：

铸型6壳体改用厚度为0.5mm的钢板，当图1B中快速压头5推压液态金属进入铸型6时，液氮喷射机构8即开始喷射附加的液氮量V_b，目的是保证铸型6壳体钢板不被熔化。待铸型6中填充的液态金属达到ΔL＝20mm间距高度时，液氮喷射机构8即开始以u的速度向上移动，同时将生产E_max＝8.9mm的液氮喷射量加上附加的V_b喷射量一起向铸型6喷出。这样就可以生产出0.23C最大厚度E_max非晶钢圆管铸件。

计算附加液氮喷射量V_b

令δ＝0.5mm，则δ_min-δ＝0.83mm-0.5mm＝0.33mm

如果附加液氮喷射量V_b，能够通过气化吸热方式，将δ_b＝0.4mm钢板从-190℃到熔化的热量Q_b全部取走，则δ＝0.5mm钢板制成的铸型可以承受ΔL为20mm间距的液态金属的热作用。据此，

Q_b＝πD(2δ)ΔLρ_cp[C_cp2′(t_j-t₂)+L]

＝π×0.8×8×10^-4×2×10^-2×7.86×10³[0.71(1495+190)+310]

＝476.2KJ

计算附加液氮喷射量V_b

$V_b=\frac{Q_b}{r}{V}^{\′}---\left(7\right)$

式中：

V′——t＝-1903℃、p＝1.877bar状态下，1kg液氮所占的体积dm³/kg

V ′＝1.281dm₃/kg^[附件2]*

r——t＝-190℃、p＝1.877bar状态下的潜热，即1kg液氮在t＝-190℃、p＝1.877bar状态下气化为氮气所吸收的热量KJ/kg，

r＝190.7KJ/kg^[附件2]*

将Q_b、V′、r代入(7)式

$V_b=\frac{476.2}{190.7}\×1.281{---\mathrm{dm}}^3$

$=3.2{\mathrm{dm}}^3$

计算液氮喷射层厚度h

$h=\frac{V_b}{2\mathrm{K\Δ}{\mathrm{\τ}}^{\′}\mathrm{\πD}}---\left(8\right)$

式中：K——液氮在t＝-190℃、p＝1.877bar状态下的喷射速度，

K＝30m/s

Δτ′——液态金属在铸型中上升ΔL间距时间间隔，也是ΔL间距的液态金

属在铸型中快速凝固成温度为-190℃固态金属的时间间隔。

对非晶钢圆管铸件Δτ′＝0.11S。见表7。

将V_b、K、Δτ′、D数字代入(8)式，解之

$h=\frac{3.2\×{10}^6}{2\×30\×{10}^3\×0.11\×\mathrm{\π}\×8\×{10}^2}=0.2\mathrm{mm}$

从上述分析计算可知：对于0.23C非晶钢圆管铸件。当采取厚度δ为0.5mm钢板制造铸型6壳体，并在液态金属进入铸型同时，开动液氮喷射机构8，向铸型喷射厚度h为0.2mm的附加液氮喷射量V_b；当液态金属在铸型中上升达到ΔL间距时，液氮喷射机构8一面上升，一面喷射附加液氮喷射量V_b，再加上正常的液氮喷射量V就能够铸造出0.23C最大厚度E_max的非晶钢圆管铸件。其他的0.23C超微晶、微晶、细晶各种尺寸的钢圆管铸件，按同样方法处理即可铸出合格铸件。

值得指出的是，在计算、决定δ、δ_b及附加液氮喷射量V_b时，是假定Δτ′时间间隔内，铸件壳体中的全部液态金属的温度都下降到固相线温度并且放出全部潜热。而放出全部热量又都用于使δ及δ_b钢板由-190℃上升直到全部熔化。但是，实际情况并不是这样的，在Δτ′时间间隔内，铸型壳体中ΔL间距的液态金属之中，不一定全部液态金属的温度都下降到固相线温度并且放出全部的潜热。而这些放出的全部热量也不一定使δ、δ_b厚度的钢板全部熔化。因此，上述计算方法计算出的V_b及δ、δ_b是十分安全的，是偏大的。当然，所有使用的参数数值均应以实际的生产实验数据为准。

上述的直径D＝800mm，L＝3000mm的0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的铸造方法、生产参数的计算程式是适用于其他的管状铸件的。对于其他的黑色及有色金属非晶、超微晶、微晶、细晶成型铸件，因为其形状的复杂程度、大小、厚薄各有不同，要使用L、R、C法及其设备去铸造这些成型铸件，就必须找出通用的、共有的原则去决定铸造成型铸件的方法及计算生产参数的方法和程式。

除了少数形状复杂的特殊铸件，例如船用螺旋桨，暂不在L、R、C法及其设备讨论范围之内，大多数的成型铸件，无论其形状多么复杂，都可以认为是一些具有一定形状和一定壁厚的壁面组成，这些壁面的大多数都是那些垂直平壁、水平平壁、圆弧形壁等几何形状简单的壁面。这样处理以后，就可以将任何使用L、R、C法及其设备去铸造黑色及有色金属非晶、超微晶、微晶、细晶成型铸件的研究转化为如何使用L、R、C法及其设备去铸造这些几何形状简单的黑色及有色金属非晶、超微晶、微晶、细晶壁面的问题了。而上面讨论过的L、R、C法及设备铸造0.23C非晶、超微晶、微晶、细晶钢圆管铸件的铸造方法、生产参数的计算程式都是适用于铸造成型铸件的。因为铸造一个有一定壁厚的钢圆管铸件实质上就是铸造一块有一定厚度的垂直平壁。

L、R、C法及设备铸造成型铸件

以图2所示的0.23C钢铸件作为实例阐明如何确定铸件壁面、铸造壁面的方法以及这些壁面的生产参数计算程式。

确定铸件的铸造方法和组成铸件的壁面

图2所示铸件的浇注方法和图1所示的钢圆管铸件的浇注方法是相同的。也都是采用差压式压室3和快速压头5的系列设备和装置。差压式压室3中的液态金属4也是在快速压头5推压作用下经左侧出口进入图2所示的两个直浇口h和两个内浇口g然后进入铸件的。两个直浇口h、内浇口g与差压式压室3左侧出口分别相连，连接方式也和图1相同。据此，图2就不再表示差压式压室3、快速压头5的系列设备和装置，也不再表示直浇口、内浇口与差压式压室3左侧出口的连接方式。

图2所示铸件由下列各壁面组成

a——垂直平壁面，宽度B_a＝820mm，长度L_a＝2140mm，壁厚E_a＝40mm；

b——倾斜60°平壁面，宽度B_b＝820mm，长度L_b＝1040mm，壁厚E_b＝40mm；

f_b——上凸缘平壁面，宽度B_fb＝120mm，长度L_fb＝820mm，壁厚E_fb＝50mm；

c——垂直梯形平壁面，宽度B_c＝850mm，上底长度L_c1＝2180mm，

下底长度L_c2＝2700mm，壁厚E_c＝40mm；

f_c——垂直凸缘平壁面，宽度B_fc＝120mm，长度L_fc＝2860mm，壁厚E_fc＝50mm

f_c＝f_c1+f_c2

f_c1——与垂直平壁面a、垂直梯形平壁面c、e相连通的垂直凸缘平壁面f_c的下部分

f_c2——与倾斜60°平壁面b及三角形垂直平壁面c、e相连通的垂直凸缘平壁面f_c的上部分；

d——下水平平壁面，宽度B_d＝820mm，长度L_d＝850mm，壁厚E_d＝40mm；

f_d——下凸缘平壁面，宽度B_fd＝120mm，长度L_fd＝820mm，壁厚E_fd＝50mm；

e——垂直梯形平壁面，形状、尺寸与垂直梯形平壁面c完全相同；

f_e——垂直凸缘平壁面，形状、尺寸与垂直凸缘平壁面f_c完全相同

f_e＝f_e1+f_e2

f_e1——与垂直平壁面a、垂直梯形平壁面c、e相连通的垂直凸缘平壁面f_e的下部分

f_e2——与倾斜60°平壁面b及三角形垂直平壁面c、e相连通的垂直凸缘平壁面f_e的上部分。

确定铸件重量G、铸造何种金属组织、液态金属在铸型中向上快速凝固速度u。

确定铸件重量G。

已知0.23C钢的平均密度ρ_cp＝7.86×10³Kg/m³，各个组成壁面的形状和尺寸，计算各组成壁面的体积V及重量W。以下水平平壁面d及其相应的凸缘平壁面f_d为例。V_d为水平平壁面d的体积，W_d为其重量。V_fd是相应的凸缘平壁面f_d的体积，W_fd为其重量。

V_d＝B_d·L_d·E_d＝0.82×0.85×0.04＝0.0279m³

W_d＝V_d·ρ_cp＝0.0279×7.86×10³＝219.1kg

V_fd＝B_fd·L_fd·E_fd＝0.12×0.82×0.05＝0.00492m³

W_fd＝V_fd·ρ_cp＝0.00492×7.86×10³＝38.67kg

V_d+V_fd＝0.0279+0.00492＝0.0328m³

W_d+W_fd＝219.1+38.67＝257.8kg

同样方法，可以计算出垂直梯形平壁面c的体积V_c、重量W_c，相应的凸缘平壁面f_c的体积V_fc、重量W_fc；垂直梯形平壁面e的体积V_e、重量W_e，相应的凸缘平壁面f_e的体积V_fe、重量W_fe；垂直平壁面a的体积V_a、重量W_a；倾斜60°平壁面b的体积V_b、重量W_b，相应的凸缘平壁面f_b的体积V_fb、重量W_fb。计算结果列于表12。

表12铸件的各细成平壁面体积V及重量W

铸件体积V＝0.34m³，铸件重量G＝2679.9kg。

铸件体积V是指各个壁面体积的总和，而不是铸件轮廓所占的空间体积。根据V、G去检查已有的差压式压室3、快速压头5等设备、装置是否合用，或者去设计、制造合适的差压式压室3和快速压头5等设备、装置。

确定铸件的金属组织、液态金属在铸件的铸型壳体中向上快速凝固的速度u

铸件的金属组织，主要由组成铸件的各个平壁面的金属种类、成分和壁厚E来决定。图2所示的铸件，各个主要平壁面a、b、c、d、e的壁厚均为E＝40mm。考虑铸型壳体的钢板壁厚，实际浇入铸型的液态金属厚度约30mm。从已申请的发明专利200510096844.1说明书的表3和本专利0.23C钢圆管铸件资料表1中均可查得：微晶(一)金属组织可铸造的最大壁厚为25.5mm，微晶(二)金属组织可铸造的最大壁厚为80.6mm，则本铸件的金属组织应在微晶(一)与微晶(二)之间变化且趋近于微晶(一)。当金属种类、成分确定以后，金属组织的变化取决于冷却速率V_k。为了确定本铸件具体的金属组织，按照已申请的发明专利200410002605.5及200510096844.1提供的计算公式和计算程式进行计算，将微晶(一)各种金属组织和冷却速率V_k及各生产参数的关系列于表13、表14中。

表13不同冷却速率V_k条件下，0.23C微晶(一)钢板各种金属组织的最大壁厚E_max和生产参数(B＝1m、K_max＝30m/s、h＝2mm)

表14不同冷却速率V_k条件下，0.23C微晶(一)钢圆管铸件各种金属组织的最大壁厚E_max和生产参数(L＝3m、r＝0.4m、K＝30m/s、h＝2mm)

根据表13、表14资料，微晶(一)B金属组织适合本铸件。其相关的生产参数数值为：V_k＝6×10⁵℃/s、Δτ＝2.9×10^-3、Δm＝0.116mm、u＝2.4m/min、E_max＝32.9mm。

即本铸件最后确定：

微晶(一)B金属组织、u＝2.4m/min

确定本铸件浇注、快速凝固、冷却的铸造方式

根据铸件结构特点，铸件采用图2所示的大部分平壁面竖立的浇注位置。当液态金属以u＝2.4m/min的速度在所有的垂直平壁面a、c、e的铸型壳体内填充上升并在壳体中填满了ΔL间距液态金属以后，液氮喷射机构(图2没有表示)也以u＝2.4m/min的速度同步上升，同时向各个垂直平壁面铸型壳体的内、外表面喷射与微晶(一)B金属组织相适应的液氮喷射量V，在喷射液氮气化吸热作用下，铸型壳体中的液态金属以V_k＝6×10⁵℃/s的速度快速凝固、冷却成-190℃的固态金属。液态金属不断通过直浇口、内浇口进入铸型，ΔL底部的液态金属不断快速凝固成固态金属，并以u＝2.4m/min速度向上延伸，最后获得微晶(一)B金属组织的垂直平壁面。对于图中底部的水平平壁面d，其铸造方法与上述垂直平壁面的铸造方法相比较是不同的，在水平平壁面铸型壳体厚度δ适当加厚情况下，以比垂直平壁面向上填充速度快得多的速度迅速填满整个水平平壁面铸型壳体后，再启动设置在d壁面右端的液氮喷射机构向铸型壳体喷射液氮，同时液氮喷射机构以获得微晶(一)B金属组织的u＝2.4m/min的速度由右向左移动，通过喷射液氮气化吸热方式使d平壁铸型壳体内的液态金属由右向左快速凝固、冷却，最后使d水平平壁面成为一个微晶(一)B金属组织的完整壁面。或者在d水平平壁面左、右两端各设置一个液氮喷射机构，在d壁面铸型壳体中填满液态金属以后，两端的液氮喷射机构同时以u＝2.4m/min的速度向中间移动并同时喷射液氮，通过喷射液氮吸热气化方式，使铸型壳体内的液态金属快速凝固、冷却成微晶(一)B金属组织的平壁面。d水平平壁面铸型壳体的厚度δ要在液态金属浇注、填充及快速凝固、冷却成微晶(一)B金属组织的整个过程中，能够承受得住液态金属的热作用而不会熔化。δ厚度的决定还有具体的论述。在液态金属完全填满d水平平壁面铸型壳体以后，图中所有的垂直平壁面就开始一面浇注一面快速凝固的过程，这个过程前面已有论述，不再重复。铸件整个浇注填充、快速凝固、冷却到-190℃的时间为t。

$t=\frac{L}{u}---\min$

式中：L——铸件总高度，L＝2.86m；

u——液态金属在图2所有垂直平壁面铸型壳体中的浇注填充上升速度，

u＝2.4m/min

t——液态金属在图2铸件中浇注填充、快速凝固并冷却到t_b＝-190℃温度的整个过程所需的时间，min

将L、u数值代入上式可得t＝1.2min。液态金属在下水平平壁面d中浇注填充、快速凝固、冷却到t_b＝-190℃的整个过程所需要的最长时间为t_d。同样方法可计算出浇注填充、快速凝固、冷却整个长度为0.9m的d水平平壁面的时间t_d约为23s。因为这个过程的时间是与图2中液态金属在所有垂直平壁面浇注、快速凝固、冷却的过程是同时进行的，液态金属在铸件中浇注填充、快速凝固、冷却到-190℃的总时间仍为约1.2min。

如果将图2所示的铸件逆时针翻转90°的位置作为另一个浇注位置，则a垂直平壁面转变为上水平平壁面，f垂直凸缘平壁面转变为下水平平壁面。整个铸件的浇注填充、快速凝固、冷却到t_b＝-190℃的时间分为两部分，t₁和t₂。t₁是所有垂直平壁面和倾斜平壁面的浇注填充、快速凝固、冷却到t_b＝-190℃的时间，t₁＝0.9/2.4＝0.375min。t₂是上水平平壁面的浇注填充、快速凝固、冷却到t_b＝-190℃的时间，t₂＝2.18/2.4＝0.91min。总时间t＝t₁+t₂，t＝1.3min。铸件的两个浇注位置所需的浇注填充、快速凝固、冷却到-190℃的总时间相差不大。但第二个浇注位置水平平壁面长度L_d长达2.18m。显然，第二个浇注位置的水平平壁面太长，浇注填充，快速凝固的难度比第一个浇注位置的水平平壁面的浇注填充，快速凝固的难度大得多。因而采用第一个浇注位置。

铸件排气、支撑等问题较简单、不再赘述。

确定ΔL、Δτ′、n、δ及液氮喷射量V等生产参数

确定ΔL

铸造0.23C微晶(一)B钢铸件，取ΔL＝15mm

确定Δτ′

Δτ′＝ΔL/u＝60×0.015/2.4＝0.38S

确定ΔL、Δτ′以后，按图2所示的铸件浇注位置，铸造过程是从液态金属进入f_d下凸缘平壁面开始，然后铸造下水平平壁面d，接着同时铸造垂直平壁面a，垂直梯形平壁面c和e、垂直凸缘平壁面f_c、f_e、倾斜60°平壁面b，最后铸造上水平凸缘平壁面f_b。按上述过程研究各个平壁面生产参数的确定。

铸造下凸缘平壁面f_d

确定下凸缘平壁面f_d的铸型壳体钢板厚度δ_fd

构成下凸缘平壁面f_d铸型壳体的几何尺寸为宽B_fd＝80mm，长度L_fd＝900mm，壁厚E_fd＝50mm。当液态金属自直浇口h、内浇口g浇注进入f_d铸型壳体并上升ΔL＝15mm时，液态金属所占的体积为L_fd·E_fd·ΔL。与此同时液氮喷射机构一方面以u＝2.4m/min速度向上移动，一方面向下凸缘平壁面f_d的铸型薄钢板壳体喷射相应于微晶(一)B钢的液氮喷射量V_fd。在液氮喷射以前，ΔL间距包含的全部液态金属，其温度由t₁＝1550℃下降到t_j＝1495℃，释出的热量为Q_ΔL。

$Q_{\mathrm{\ΔL}}=L_{\mathrm{fd}}\·E_{\mathrm{fd}}\·\mathrm{\ΔL}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]$

设定下凸缘平壁面f_d铸型薄钢板壳体的壁厚为δ时，Q_ΔL改写为

$Q_{\mathrm{\ΔL}}=L_{\mathrm{fd}}\·(E_{\mathrm{fd}}-2\mathrm{\δ})\·\mathrm{\ΔL}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]$

厚度为δ、长度为ΔL的f_d下凸缘平壁面铸型壳体，温度由工作室温度t_b＝t₂＝-190℃上升到t_j＝1495℃并吸热熔化时所吸收的热量为Q_ΔL′

${Q_{\mathrm{\ΔL}}}^{\′}=\mathrm{\ΔL}\·L_{\mathrm{fd}}\·2\mathrm{\δ}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}(t_j-t_2)+L]$

式中符号意义见前面公式(6)，不予重复。

令Q_ΔL＝Q_ΔL′，可以解出钢板厚度2δ，因为这时钢板厚度是可以熔化的，应是钢板厚度的最小值，即2δ_min。

$2{\mathrm{\δ}}_{\min }=\frac{E_{\mathrm{fd}}[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]}{{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+{{C_{\mathrm{cp}}}_2}^{\′}(t_j-t_2)+2L},\mathrm{mm}---\left(9\right)$

式中各符号意义见前面公式(6)，不予重复，以E_fd＝50mm、

t₁＝1550℃、t_j＝1495℃、L＝310KJ/Kg代入(9)式，得：

$2{\mathrm{\δ}}_{\min }=\frac{50[0.84(1550-1495)+310]}{0.71(1495+190)+0.84(1550-1495)+2\×310}=9.6\mathrm{mm}$

取δ_fd＝5mm。

确定铸造下凸缘平壁面f_d时，快速压头5的下压速度n_fd

根据连续流动原理，下式成立：

L_fd(E_fd-2δ)u＝F_qn_fd

因为下凸缘平壁面f_d壁厚E_fd＝50mm，实际填充进f_d壁面铸型壳体中的液态金属厚度为40mm。因此铸造f_d壁面的金属组织、生产参数和其他的平壁面a、b、c、f、e不同。根据表13、表14、铸造f_d壁面的金属组织应为微晶(一)C、最大壁厚E_max＝40.3mm、液态金属在下凸缘平壁面f_d铸型壳体中上升速度u＝1.96m/min。

将上述参数值代入上式，可得

$n_{\mathrm{fd}}=\frac{0.0706}{F_q},m/\min ---\left(10\right)$

确定铸造下凸缘平壁面f_d的液氮喷射量V_fd

根据表13，铸造宽度B＝1m、最大壁厚E_max＝40.3mm、金属组织为微晶(一)C的0.23C钢平板，需要的液氮喷射量V_max＝7200dm³/min，液态金属在铸型壳体中的浇注速度u＝1.96m/min。铸造宽度L_fd＝0.9m、壁厚E＝E_max-2δ＝40mm、金属组织为微晶(一)C的f_d下凸缘平壁面时，液氮喷射量V_fd按以下程式计算

计算比例系数x

x＝E_max/E

$V_{\mathrm{fd}}=L_{\mathrm{fd}}\·V_{\max }\·\frac{E}{E_{\max }}=0.9\×7200\×\frac{40}{40.3}=6431.8{\mathrm{dm}}^3/\min ---\left(11\right)$

确定铸造下凸缘平壁面f_d的时间τ_fd

τ_fd＝B_fd/u＝0.08/1.96＝0.04min

铸造下水平平壁面d

确定下水平平壁面d的铸型壳体钢板厚度δ

确定下水平平壁面d的铸型壳体钢板厚度δ时，式(9)仍适用。但需要将式(9)中的E_fd换成E_d。E_d＝40mm

$2{\mathrm{\δ}}_{\min }=\frac{E_d[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+L]}{{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t_1-t_j)+{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}(t_j-t_2)+2L}---\mathrm{mm}$

$=\frac{40[0.84(1550-1495)+310]}{0.84(1550-1495)+0.71(1495+190)+2\×310}=7.65\mathrm{mm}.$

取δ₁＝4mm，δ₂＝6mm

对位于下水平平壁面d铸型壳体上方位置的钢板厚度δ₁，取δ₁＝4mm，对位于下方位置的钢板厚度δ₂，取δ₂＝6mm。下方位置钢板厚度δ₂加厚2mm，目的是确保在铸造过程中，下水平平壁面d下方钢板不会熔化、变形、漏出液态钢。δ₁+δ₂＝10mm。实际浇注下水平平壁面d的铸型的液态钢厚度为30mm。

因为下水平平壁面d的壁厚E_d＝40mm，实际浇注进入下水平平壁面铸型的液态金属厚度为30mm。根据表13、表14、铸造下水平平壁面d的金属组织应为微晶(一)B，最大壁厚E_max＝32.9mm，液态金属在下水平平壁面d铸型壳体中垂直上升速度u＝2.4m/min。

确定快速充满d壁面时，快速压头5的下压速度n_d

根据连续流动原理，下式成立

L_d·B_d·u＝F_q·n_d

式中：L_d——下水平平壁面d的长度，L_d＝0.9m；

B_d——下水平平壁面d的宽度，B_d＝0.9m；

u——液态金属在下水平平壁面d铸型壳体中垂直上升速度，u＝2.4m/min。

$n_d=\frac{1.944}{F_q}m/\min ---\left(12\right)$

确定下水平平壁面d的液氮喷射量V_d

根据表13，B＝1m、E_max＝32.9mm，金属组织为微晶(一)B的0.23C钢平板的液氮喷射量V_max＝7200dm³/min。则V_d按式(11)计算

V_d＝B_d·V_max·E/E_max＝0.9×7200×30/32.9＝5908.82dm³/min

确定铸造下水平平壁面d的时间τ_d，τ_d即前面所述的t_d

前面已进行计算，τ_d＝0.38min。

铸造a、c、e垂直平壁面及f_c1、f_e1垂直凸缘平壁面

垂直平壁面a宽度B_a＝820mm、长度L_a＝2180mm、壁厚E_a＝40mm

垂直平壁面c宽度B_c＝850mm、长度L_c＝2180mm、壁厚E_c＝40mm；

垂直平壁面e宽度B_e＝850mm、长度L_e＝2180mm、壁厚E_e＝40mm；

垂直凸缘平壁面f_c1宽度B_fc1＝120mm、长度L_fc1＝2180mm、壁厚E_fc1＝50mm；

垂直凸缘平壁面f_e1宽度B_fe1＝120mm、长度L_fe1＝2180mm、壁厚E_fe1＝50mm；

a、c、e垂直平壁面和f_c1、f_e1垂直凸缘平壁面互相连通，可以处理成一块垂直平壁面去计算生产参数数值、设计、布置液氮喷射机构。因为E_fc1＝E_fe1＝50mm，而E_a＝E_c＝E_e＝40mm，两者厚度不同，要作一个简化处理。设定E_fc1′＝E_fe1′＝E_f＝40mm，垂直凸缘平壁面宽度为B′，则下式成立。

B_fc1·E_fc1＝B′·E_f

以B_fc1＝120mm、E_fc1＝50mm、E_f＝40mm代入

B′＝B_fc1·E_fc1/E_f

B′＝120×50/40＝150mm

经过这一处理过程，a、c、e垂直平壁面和f_c1、f_e1垂直凸缘平壁面可以简化成一块垂直平壁板P，其尺寸为

宽度B_p＝B_a+B_c+B_e+2B′＝820+850+850+2×150＝2820mm

长度L_p＝L_a＝L_c＝L_e＝L_fc1＝L_fe1＝2180mm

壁厚E_p＝40mm

确定垂直平壁面P铸型壳体薄钢板壁厚δ

计算垂直平壁面P铸型壳体的薄钢板壁厚δ所使用的公式仍为式(9)，式中E_fd改为E_p，E_p＝40mm。计算的过程和结果与下水平平壁面d的铸型壳体钢板是相同的。即2δ_min＝7.65mm。

取δ＝4mm，液态金属在垂直平壁面P铸型壳体中厚度为32mm。

根据表13可确定p垂直平壁面的金属组织为微晶(一)B、E_max＝32.9mm、u＝2.4m/min。

确定快速压头5的下压速度n_p

根据液态金属连续流动原理，下式成立

B_p·E_p·u＝F_q·n_p

$n_p=\frac{B_p\·E_p\·u}{F_q}---\left(13\right)$

以B_p＝2.82m、E_p＝0.032m、u＝2.4m/min代入(13)式

$n_p=\frac{2.82\×0.032\×2.4}{F_q}=\frac{0.217}{F_q}---m/\min$

确定垂直平壁面P的液氮喷射量V_p

根据表13，B＝1m、E_max＝32.9mm、金属组织为微晶(一)B的0.23C钢平板的液氮喷射量V_max＝7200dm³/min。液氮喷射参数为p＝1.877bar、t＝-190℃、K_max＝30m/s、h＝2mm。垂直平壁面P的液氮喷射量V_p按式(11)计算

V_p＝B_p·V_max·E/E_max

＝2.82×7200×0.032/0.0329

＝19748.6dm³/min

确定铸造垂直平壁面P的时间τ_p

${\mathrm{\τ}}_p=\frac{L_p}{u}$

$=\frac{2.18}{2.4}=0.908---\min$

铸造倾斜60°平壁面b、梯形平壁面上端部分的三角形垂直平壁面c和e、垂直凸缘平壁面f_c2和f_e2。

倾斜60°平壁面b，宽度B_b＝820mm、长度L_b＝981mm、厚度E_b＝40mm；

三角形垂直平壁面c，宽度B_c＝850mm、长度L_c＝490mm、厚度E_c＝40mm；

三角形垂直平壁面e，宽度B_e＝850mm、长度L_e＝490mm、厚度E_e＝40mm；

垂直凸缘平壁面f_c2，宽度B_fc2＝120mm、长度L_fc2＝490mm、壁厚E_fc2＝50mm；

垂直凸缘平壁面f_e2，宽度B_fe2＝120mm、长度L_fe2＝490mm、壁厚E_fe2＝50mm；

因为图3所示的b斜面内、外设置的液氮喷射机构8沿b斜面向上移动，同时向b斜面内、外表面喷射液氮。故b平壁面要单独布置液氮喷射机构。

图4所示为三角形垂直平壁面外表面液氮喷射机构8工作过程图。但液氮喷射机构以V_p＝19048.3dm³/min的液氮喷射量向P平壁面喷射时，喷射到三角形垂直平壁面c外表面的液氮量为0.5V_c。

$V_c=\frac{V_p(B_c+B^{\′})}{B_a+B_c+B_e+2B^{\′}}=\frac{19048.3(850+150)}{820+850+850+2\×150}=6754.7{\mathrm{dm}}^3/\min$

$\frac{1}{2}{V}_c=3377.4{\mathrm{dm}}^3/\min$

当液氮喷射机构上移到图4A(B)C位置时，即P壁面与C壁面交接处，液氮喷射机构有两种处理方式。一种是液氮喷射机构以u＝2.4m/min速度由AC上移到A₁C₁位置，AC长度收缩为B₁C₁长度。液氮由B₁C₁向C壁面喷射，液氮喷射量也相应减小为

当AC上升CC_N距离时，A_N向右收缩与C_N重合，液氮喷射量为零。这种处理方式要求液氮喷射管要制成可伸缩管，液氮喷射量要随着液氮喷射机构上升而减少。这种处理方式太复杂，并不可取。另一种处理方式是AC上升到A₁C₁位置时液氮喷射管长度不变，仍为AC长，液氮喷射量也不变，仍是

A₁B₁长度的喷射液氮向工作室空间喷出。这样要多耗费一些液氮，但机构、操作要简单易行得多。

图5表示三角形垂直平壁面c的内表面液氮喷射机构8工作过程图。c壁面液氮喷射量为3377.4dm³/min，在铸造c壁面过程中液氮喷射量恒定不变，液氮喷射管的长度也不变。当液氮喷射管由AC上升到A₁C₁位置时，也向左移动了B₁C₁距离。B₁C₁长度的液氮喷射量也向工作室空间喷出。这样也导致多耗费液氮喷射量，但机构、操作要简单易行得多。

铸造倾斜60°平壁面b

三角形垂直平壁面c和垂直凸缘平壁面f_c2实际上是垂直梯形平壁面c的组成成分；三角形垂直平壁面e和垂直凸缘平壁面f_e2实际上是垂直梯形平壁面e的组成部分。据此，三角形垂直平壁面c和垂直凸缘平壁面f_c2的δ、u、V、n、τ等生产参数以及金属组织都是和垂直梯形平壁面c相同的。同样，三角形垂直平壁面e和垂直凸缘平壁面f_e2的δ、u、V、n、τ等生产参数以及金属组织都是和垂直梯形平壁面e相同的。设置液氮喷射机构问题前面已有论述。

倾斜60°平壁面b的生产参数则与垂直平壁面a略有不同，需要单独讨论。

确定倾斜60°平壁面b铸型壳体薄钢板壁厚度δ

倾斜60°平壁面b铸型壳体薄钢板壁厚度δ的决定和垂直平壁面P铸型壳体薄钢板壁厚δ的计算公式、计算程式是完全相同的。据此，计算出δ_min＝3.8mm，采用δ＝4mm。铸型薄钢板壳体中实际填充的液态金属厚度为32mm。

根据表13可确定倾斜60°平壁面b的金属组织是微晶(一)B，E_max＝32.9mm，u＝2.4m/min。

确定快速压头5的下压速度n_b

根据表13确定的u是液态金属向上的流动速度，而在液态金属填充倾斜60°平壁面b铸型壳体的空间时，液态金属流动情况如图3所示，即液态金属的流动是与垂直方向成60°角度的斜向流动，其数值大小应为u-u/cos60°。因为如上述u＝2.4m/min，则u′＝2.4/0.5＝4.8m/min。查阅发明专利200510096844.1表3可知，在u＝4.39m/min，V_max＝7200dm³/min条件下，可以铸造出冷却速率V_k＝2×10⁶℃/s的超微晶金属组织的铸件，但能够铸造出的最大壁厚E_max只有18mm。而本铸件的倾斜60°平壁面b的壁厚却是32mm。显然在铸造倾斜60°垂直平壁面b时，不能采用u′＝4.8m/min。因为倾斜60°垂直平壁面b铸型中实际液态金属厚度只有32mm，所以采用u＝2.4m/min是合适的。在u＝2.4m/min，V_max＝7200dm³/min条件下，能够铸造的最大壁厚是32.9mm。倾斜60°平壁面取u′＝2.4m/min，则三角形垂直平壁面c、e，垂直凸缘平壁面f_c2、f_e2的u＝1.2m/min。在u＝1.2m/min，V_max＝7200dm³/min条件下能够铸造的最大壁厚E_max可达57.3mm，铸造出上述所有的平壁面是完全能够满足的。

综合上述分析，铸造倾斜60°平壁面b、三角形垂直平壁面c、e，垂直凸缘平壁面f_c2、f_e2时，采用与垂直平壁面P相同的生产参数即可。

铸造上凸缘平壁面f_b

铸造上凸缘平壁面f_b的生产参数与铸造下凸缘平壁面f_d的生产参数是完全相同的。

经过上面分析、讨论、计算以后，本铸件的各个组成平壁面的生产参数列于表15。

表15铸件各平壁面金属组织的生产参数

表中P壁面分三部分组成，一部分是垂直平壁面a和倾斜60°平壁面b，第二部分是垂直平壁面c和三角形平壁面c，第三部分是垂直平壁面e和三角形平壁面e。第一部分液氮喷射量V_a+b为5538.9dm³/min，第二、三部分液氮喷射量V_c、V_e都是6754.7dm³/min。

由表15可见，液态金属在充填下水平平壁面d时，快速压头5下压速度为n_d、n_d＝1.944/F_q，是n_p＝0.217/F_q的8.9倍，而作用时间在u＝2.4m/min条件下仅0.75秒。但这个时间是可以根据工厂实际条件予以加长的。限制性环节是铸型壳体薄钢板的厚度δ在这个时间内能够承受住静液压力和热作用。

最后确定本铸件的金属组织为微晶(一)B，主要生产参数是：

u＝2.4m/min；

δ＝4～6mm；

E＝30～32mm；

n＝0.217/F_q m/min；

V＝19048.3dm³/min；

t＝1.3min。

在生产本铸件时，并不是只能生产微晶(一)B金属组织的0.23C钢铸件的。因为微晶(一)B金属组织使用L、R、C法时可以生产的铸件最大壁厚为32.9mm，因此，不可能铸造出壁厚为30mm的0.23C非晶、超微晶、微晶(一)A的钢铸件。而壁厚为30mm的微晶(一)C、微晶(一)D、微晶(二)等0.23C钢铸件都是可以铸造出来的。只要改变v、u参数值采用不同的组合就可以。具体可以参照本铸件例子的方法进行。

铸型壳体薄钢板厚度δ的确定要特别谨慎、小心，除计算数据以外，还应结合生产实际的经验，并应以生产实验结果为准。

L、R、C法及其设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶黑色及有色金属成型铸件应用范围广泛，除0.23C钢外也适用于其他钢种。同样也可以铸造铝、镁、铜、钛等有色金属合金的成型铸件。需要特别指出的是：使用L、R、C法及设备铸造铸铁成型铸件，除了上面所述保护环境的意义之外，将会开发和开辟出性能远比可锻铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁更为优秀的、崭新的、系列的铸铁成型铸件产品，可以开辟出一个崭新的、值得从事而且前景极其广阔、璀璨的事业。

对于已申请的中国发明专利“L、R、C法及其设备铸造非晶、超微晶、微晶等金属型材”(专利申请号200410002605.0，以下简称“型材专利”)和“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属管材”(专利申请号200510096844.1，以下简称“管材专利”)以及现在正在申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属成型铸件”(简称“铸件专利”)三个专利而言，合起来实际上就是一个专利——“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶、细晶等金属型材、管材及铸件”。型材专利技术是后两个专利技术的基础，后两个专利技术是第一个专利技术发展、衍生出来的。其中，铸件专利是三个专利中最重要的专利，这是因为全世界各个工业领域中的机器、设备、装置等都离不开铸件。

非晶、超微晶、微晶金属组织比现有金属组织的机械性能优越得多。在当今世界所有的各个工业领域中，使用黑色及有色金属的非晶、超微晶、微晶的型材、管材、成型铸件，经机械加工后装配而成的名目繁多的各种设施、各种机械产品、各种交通运输工具、甚至桥梁、大厦等等，都比现今世界正在使用的各种设施、各种机械产品等的机械性能同样要优越得多。这些产品将会结构更坚固、强度更高、更能承受高强度的冲击、重量却更轻、壁厚更薄、设备运行速度更快，同样的动力可以飞得更高、跑得更快、能量消耗却更少、更环保……这就势必促使在全世界范围内对现有的各个工业领域所有的各种类型机械产品进行全面的重新设计、制造，也就是说将要对全世界现有的、所有的各种机械产品进行全面的更换。现有的各工业领域的工厂、矿山、企业要进行全面的改造、更新，新一轮的工业革命将在全世界展开。世界经济将有一个飞跃的发展。其意义是极其重大的！

参考文献

[1]李月珠，快速凝固技术和材料.北京：国防工业出版社，1993.11：8

注：

[附件1]^*表示本附件与已申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶等金属型材”(专利申请号200410002605.0)中的[附件1]完全相同。

[附件2]^*表示本附件与已申请的中国发明专利“L、R、C法及设备铸造非晶、超微晶、微晶等金属型材”(专利申请号200410002605.0)中的[附件2]完全相同。

Claims (4)

1.L、R、C法铸造非晶、超微晶、微晶、细晶金属成型铸件的方法，其特征在于：

使用温度t_b＝-190℃、压力p_b＝1bar的恒温、恒压立式工作室7和温度t＝-190℃、压力p＝1.877bar的低温工作介质液氮作为强大的工作冷源；快速压头5以下压速度n推压差压式压室3中的液态金属4，使液态金属克服沿程阻力和局部阻力自下而上地、平稳地通过直浇口11、内浇口10进入厚度为δ的薄钢板制成的铸型6的型腔中，然后以u的速度平稳地向上浇注，填充铸型壳体中的型腔；ΔL高度的液态金属将与δ厚度薄钢板进行热交换，δ及ΔL值选择合适时，薄钢板不会熔化，液态金属不会熔漏出铸型壳体之外；在铸型中形成ΔL高度金属液柱的同时，液氮喷射机构8在ΔL金属液柱底部向铸型壳体内的液态金属喷射压力p＝1.877bar、温度t＝-190℃、喷射速度k＝30m/s、液氮层高度h＝2mm的喷射液氮；在与非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织相对应的Δτ时间间隔内，喷射与非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织相对应的喷射液氮量ΔV，ΔV液氮量通过气化吸热作用，把位于ΔL底部长度值与非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织相对应的Δm长度段的液态金属包含的从液相线温度到-190℃的内热能全部取走，该Δm的液态金属将以不同的冷却速率V_k快速凝固成非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织并快速冷却到-190℃；在同一个Δτ时间间隔内，液态金属以u的速度由k面补充进入铸型6，并在铸型6中使液态金属上升Δm长度段的金属液面高度，这就使ΔL间距始终保持不变；在这同一个Δτ时间间隔内，液氮喷射机构8一面喷射液氮，一面也以u的速度同步上升一个Δm长度段的距离；这就实现了铸型浇注液态金属过程也就是铸型中液态金属快速凝固的过程；最后铸型中浇注液态金属和液态金属在铸型中快速凝固、冷却的整个过程完成时，就铸造出非晶、超微晶、微晶、细晶金属成型铸件；最后再通过一个强力的抽气系统将喷射液氮通过吸热气化所产生的氮气全部迅速及时地排出工作室，以确保工作室7内的工作温度恒定为-190℃，压力恒定为略大于1bar。

2.按权利要求1所述的L、R、C法铸造非晶、超微晶、微晶、细晶金属成型铸件的方法，其特征在于：

有关的生产参数按以下公式计算获得：

1)确定黑色及有色金属快速凝固的冷却速率V_k

对于非晶金属组织，V_k≥10⁷℃/S

对于超微晶金属组织，V_k＝10⁶℃/S-10⁷℃/S

V_k又分以下4个数值：8×10⁶℃/S、6×10⁶℃/S、4×10⁶℃/S、2×10⁶℃/S

对于微晶金属组织，V_k＝10⁴℃/S-10⁶℃/S

对于微晶(一)金属组织，V_k＝10⁶℃/S

对于微晶(一)A金属组织，V_k＝8×10⁵℃/S

对于微晶(一)B金属组织，V_k＝6×10⁵℃/S

对于微晶(一)C金属组织，V_k＝4×10⁵℃/S

对于微晶(一)D金属组织，V_k＝2×10⁵℃/S

对于微晶(二)金属组织，V_k＝10⁵℃/S

对于细晶金属组织，V_k≤10⁴℃/S

2)确定快速凝固、冷却时间间隔Δτ

Δτ＝Δt/V_k                         S

3)确定Δτ时间间隔内在铸型内凝固、冷却成-190℃固态金属的长度段Δm对于非晶金属

$\mathrm{\Δm}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CP}}\mathrm{\Δ\τ}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CP}}{C}_{\mathrm{CP}}}\mathrm{mm}$

对于超微晶、微晶、细晶金属

$\mathrm{\Δm}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CP}}(C_{\mathrm{CP}}\mathrm{\Δt}+L)V_K}\·\mathrm{\Δt}\mathrm{mm}$

4)计算液态金属在铸型内平稳浇注、填充、冷却、凝固的速度u

u＝Δm/Δτ                          m/s

5)计算Δm金属长度包含的液态金属内热能ΔQ₂

对于非晶金属

ΔQ₂＝πΔmρ_cpC_cpΔt(r₂ ²-r₁ ²)       KJ

对于超微晶、微晶、细晶金属

ΔQ₂＝πΔmρ_cp(C_cpΔt+L)(r₂ ²-r₁ ²)   KJ

6)确定在Δτ时间间隔内将Δm长度段液态金属内热能全部取走的液氮喷射量ΔV

ΔV＝ΔQ₂V′/r                       dm³

7)确定液氮喷射量V及其气化为氮气后所占的体积V_g及液氮喷射层厚度h

V＝60·ΔV/Δτ＝60·ΔQ₂V′/rΔτ   dm³/min

V_g＝V·V″/V′＝60·ΔQ₂V″/rΔτ    dm³/min

h＝ΔV/2π(r₁+r₂)KΔτ               mm

8)计算ΔV_max

ΔV_max是最大液氮喷射速度K_max＝30m/s、液氮喷射层厚度h＝2mm及铸件宽度B固定不变条件下，在Δτ时间间隔内，液氮喷射机构8所喷射的液氮量(铸件宽度B是圆钢管展开的当量宽度，B＝2πr，r＝(r₂+r₁)/2)；

ΔV_max＝4πK_maxΔτhr                dm³

9)计算ΔQ_2max

ΔQ_2max＝ΔV_maxr/V′                KJ

10)确定E_max

对于非晶金属

E_max＝ΔQ_2max/2πrΔmρ_cpC_cpΔt         mm

对于超微晶、微晶、细晶金属

E_max＝ΔQ_2max/2πrΔmρ_cp(C_cpΔt+L)     mm

按照上述程式计算，可得：

0.23C非晶钢管E_max＝8.9mm

0.23C超微晶钢管E_max＝9mm至18mm

0.23C微晶钢管E_max＝25mm至80mm

0.23C微晶(一)钢管E_max＝25.5mm

0.23C微晶(一)A钢管E_max＝28.6mm

0.23C微晶(一)B钢管E_max＝32.9mm

0.23C微晶(一)C钢管E_max＝40.3mm

0.23C微晶(一)D钢管E_max＝57.3mm

0.23C微晶(二)钢管E_max＝80.6mm

11)计算V_max及V_gmax

V_max＝240πrK_maxh                       dm³/min

V_gmax＝240πrK_maxhV″/V′               dm³/min

12)确定铸造圆管壁厚为E的相关生产参数

比例系数x

x＝E_max/E

计算ΔQ₂、ΔV、V、V_g、K

x＝ΔQ_2max/ΔQ₂＝ΔV_max/ΔV＝V_max/V＝V_gmax/V_g＝K_max/K

计算K是在h＝2mm不变条件下，K按上式计算

13)确定铸型中液态金属间距ΔL

对于0.23C非晶钢圆管铸件，ΔL＝20mm

对于0.23C超微晶钢圆管铸件，ΔL＝15mm～20mm

对于0.23C微晶(一)、微晶(二)钢圆管铸件，ΔL＝10mm～15mm

对于0.23C细晶钢圆管铸件，ΔL＝6mm～8mm

14)确定快速压头5的下压速度n

n＝πDEu/F_q                             m/min

15)确定ΔL金属液柱持续作用时间Δτ′、静压力p_ΔL

Δτ′＝ΔL/u                           S

p_ΔL＝γΔL                             Kg/cm²

16)确定铸型壳体薄钢板厚度δ及附加液氮喷射量V_b

$2{\mathrm{\δ}}_{\min }=E[{C_{c{p}_1}}^{\′}(t-t_j)+L]/[{C_{{\mathrm{cp}}_1}}^{\′}(t-t_j)+{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\text{\′}}(t_j-t_2)+2L]\mathrm{mm}$

当采用的钢板厚度小于δ_min时，为了防止钢板泄漏，可以采取在浇注刚开始时就向铸型壳体薄钢板喷射液氮，在Δτ′时间间隔内喷射附加液氮量V_b；

$V_b=\mathrm{\πD}\left(2\mathrm{\δ}\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{L\ρ}}_{\mathrm{cp}}[{C_{{\mathrm{cp}}_2}}^{\′}(t_j-t_2)+L]V^{\′}/r{\mathrm{dm}}^3$

h＝V_b/2πDKΔτ′                       mm

3.按权利要求1所述的L、R、C法铸造非晶、超微晶、微晶、细晶金属成型铸件的方法，

其特征在于：

1)确定铸件的壁面组成和铸造方法

下水平平壁面d：下水平平壁面d的铸造方法与垂直平壁面P不同；首先，液态金属在不到1秒的时间内快速充满整个下水平平壁面d的铸型型腔；然后，再启动液氮喷射机构，一面向铸型喷射液氮，一面以同样数值的速度u，以水平的方向由d壁面的左端向右端移动，使液态金属快速凝固、冷却到t_b＝-190℃，最后铸造出非晶、超微晶、微晶、细晶的下水平平壁面d；

垂直平壁面a、c、e：垂直平壁面a、c、e是相互连通的三块垂直平壁面，可以展开处理成一块垂直平壁面P。在液态金属浇注进入铸型并以垂直向上速度u填充上升ΔL间距后，液氮喷射机构一面向铸型喷射液氮，一面也以速度u沿铸型壳体垂直上升，使液态金属快速凝固、冷却到t_b＝-190℃，最后铸造出非晶、超微晶、微晶、细晶的垂直平壁面P；

垂直凸缘平壁面f_b、f_c、f_d、f_e：与垂直平壁面P的铸造方法相同；

倾斜60°平壁面b：与垂直平壁面P的铸造方法相同；

2)确定浇注位置

取竖立浇注位置；

3)确定铸件各壁面金属组织和生产参数

按权利要求2所述的有关生产参数的计算公式计算各种金属组织所能铸造的最大壁厚E_max，然后根据铸件各壁面的壁厚E来确定各壁面的金属组织，以及相应的生产参数V_k、Δτ、Δm、u、V、V_g、ΔL、n、δ的数值；用以确定铸件壁面金属组织的壁厚E应为铸型壳体中实际液态金属厚度E-2δ；对于下水平平壁面d，铸型壳体下方位置的钢板厚度δ₂应比铸型壳体上方位置的钢板厚度δ₁加厚2mm，以确保下方位置的钢板不会熔化、变形、漏出液态金属；

4)三角形垂直平壁面外、内液氮喷射机构8工作过程

三角形垂直平壁面外表面液氮喷射机构8工作过程：液氮喷射机构8的A(B)C喷射管喷出的V_c液氮量是始终不变的，但喷射管中包含的A₁B₁部分所喷出的液氮是喷到工作室7的空间而不工作的；三角形垂直平壁面内表面液氮喷射机构8工作过程：AC喷射管一面上升一面向左移动，喷管B₁C₁部分的喷射液氮是喷到工作室7的空间而不工作的。

4.一种L、R、C法铸造成型铸件的机械设备系统，其特征在于：

1)使用真空绝热技术的温度t_b＝-190℃、压力p_b＝1bar的恒温、恒压工作室7，工作室内环境温度与液氮喷射机构8喷出液氮的温度都是-190℃，他们之间没有热交换；

2)L、R、C法铸造成型铸件的液氮喷射机构采用高喷射速度、极薄液膜喷射传热技术；液氮喷射速度K_max＝30m/s，液氮喷射层厚度h＝2mm；液氮喷射机构的上升速度u的大小、喷射管形状及布置均需依据铸件厚薄、形状、大小进行设定；液氮喷射机构上升速度u和液态金属浇注，填充铸型以及液态金属向上快速凝固速度都是相同的；u的参数值和液氮喷射量V的数值均应根据不同的金属种类、不同形状和壁厚，不同的非晶、超微晶、微晶、细晶金属组织的要求进行相应的调节；喷射液氮与铸型壳体交接处C截面可以通过调节液氮喷射机构与铸型壳体的相对位置进行调节；

3)快速压头5由液压油缸操控；油缸的液压系统的压力由液态金属浇注、填充铸型的沿程阻力和局部阻力决定，液压系统不设溢流定压回路；快速压头5的下压速度n由液压系统的节流回路或直接控制油缸的输油量来调节；

4)直浇口11、内浇口10要根据铸件形状、浇注位置而设置；但必须保证直浇口11中的液态金属在整个铸造过程中始终保持液体状态，即在整个铸造过程中，液态金属在直浇口11中的流动始终是通畅的；

5)强力的抽气装置；

6)液态金属转运及浇注附属装置。

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