CN102626771A - 空心管坯水冷铸造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种空心管坯水冷铸造方法及装置，包括：筒状水冷外金属型，设置在其内的筒状水冷内金属型，水冷内、外金属型之间形成环形的铸件型腔；所述水冷外金属型和水冷内金属型的顶部设有冒口铸型；水冷底箱设置在所述外金属型和内金属型下部，金属液自浇口经水冷底箱进入所述型腔；其中，所述浇口为切线横浇口，金属液由所述浇口沿切向进入所述水冷底箱，借助切线横浇口出口速度的推动，使钢液自所述型腔的下方呈圆周旋转方式上升；所述水冷外金属型、水冷内金属型的纵断面形状为上薄下厚带锥度的金属型，所述型腔内上方的金属液相对凝固时间较下方得到推迟，并通过控制冷却水位高度的调整实现金属液自下而上的顺序冷却，提高了成品质量。

Description

空心管坯水冷铸造方法及装置

技术领域

本发明是关于一种空心管坯的铸造方法及装置，尤其是一种空心管坯水冷铸造方法及装置，涉及冶金制管、机械环件制造技术领域的坯料制备；特别涉及超大型空心管坯水冷铸造的技术领域。 

背景技术

随着国民经济发展的需要大型厚壁无缝钢管、大型厚壁环件(重型机械轴承圈、风电托圈、环形齿圈等)需求不断增加，以往传统工艺通常制造工艺采用铸造大型实心锭(坯)→通过冲孔→扩孔→锻轧来实现产品坯料的加工。近年来随着技术及配套技术的不断革新，特别是大规格及超大规格制管、环形制件出现了一种新的工艺方法：空心铸锭→空心锻制→成品加工；该方法生产的产品质量高(锻制后)、工序短(简化了冲孔、穿孔)，正在得到迅速推广。 

现有空心铸造技术：包括离心铸造法、静态砂芯铸造法、空冷钢套芯铸造法以及空心管连续铸造法。 

离心铸造法，具有铸件外层组织细密，工艺简便、铸件收得率高等优点，但其内表面10～40mm范围内存在夹渣、缩孔、疏松层，因此铸后必须在冷状态下采用机械加工的办法进行处理，而且离心设备一次投资高。 

静态砂芯铸造法，投资小工艺简单，但铸件冷却时，外表面冷却速度大大快于内表面的冷却速度，即铸件的外部较内部凝固得快，图9为示意性地表示了采用静态砂芯铸造方法制造的铸件凝固过程固相分数变化CAE仿真结果，以a、b、c、d、e五个图分别表示铸件的不同阶段，图中，浅色区域表示未凝固区域A1，其外部的深色区域表示已凝固层B1。从图中可以清楚地看到，采用该方法制造空心管铸件时，外表面首先凝固，内表面最后凝固，即图9a为凝固开始，图9b为凝固初期，图9c为凝固中期，图9d为凝固后期，图9e为结束(全部凝固)，通过各图表示了金属液(末凝固区域A1)及已凝固层B1的变化过程。如图9c所示，在此阶段空心管的内表面仍未凝固(存在浅色的末凝固区域A1)，由图9d至图9e金属液才全部凝固，即空心管的内表面C、以及顶部区域D为最后凝固区。该方法的特点是：凝固后期液芯较窄、且深，因此易出现补缩不畅，使铸件内表面组织相对粗大，靠近砂芯的内表面会 存在一层在锻制加热过程中容易氧化难以去除的疏松层，对于使用条件稍苛刻的产品也需对内表面先进行一下处理。 

空冷钢套芯铸造法，是目前国内外采用较多的方法，在短粗的大型空心钢锭制造中较为成熟，但对于细长筒状的铸管坯制造，该方法很难避免筒状铸件中心出现疏松，如图10所示为采用空冷钢套芯铸造方法制造的铸件凝固过程固相分数变化CAE仿真结果示意图，以a、b、c、d、e五个图分别表示铸件的不同阶段，图中，浅色区域表示未凝固区域A2，其外部的深色区域表示已凝固层B2。即图10a为凝固开始，图10b为凝固初期，图10c为凝固中期，图10d为凝固后期，图10e为结束(全部凝固)，通过各图表示了金属液(末凝固区域A2)及已凝固层B2的变化过程。从图中可以清楚地看到，采用该空冷钢套芯铸造方法同样存在上述静态砂芯铸造法的问题，凝固后期液芯较窄、且深，因此易出现补缩不畅，严重时铸件可能会出现二次缩孔，该方法在每次制造时需要制作一个直接与钢液接触的钢板一起熔到铸件中。 

空心管连续铸造法，包括垂直型空心管连铸法以及水平空心管连铸法，其特点是采用一个水冷结晶器做外型，用一个石墨实心棒做芯子，通过连续拉拔铸造实现空心管坯的制备，由于技术等原因目前该方法仅限于外圆直径规格较小Φ500mm以下、而且壁厚较薄100mm以下的小型铸管生产，其生产效率高、设备一次投资大。 

为寻找一种适合大规格(直径≥1000～2000mm、壁厚≥300～600mm、高度≥2000～6000mm)厚壁管坯的制造方法，本发明人结合多年从事铸造加工的经验，研制出本发明的空心管坯水冷铸造方法及装置，通过采用上薄下厚变厚度金属型，加上金属型内挂上厚下薄变厚度涂层，并借助水冷强制顺序冷却技术，通过控制水冷顺序(由下而上逐渐推进)，达到改善顺序凝固彻底消除缩孔、疏松细化组织的目的。 

发明内容

本发明的目的是提供一种空心管坯铸造方法及装置，尤其是一种空心管坯水冷铸造方法及装置，利用上薄下厚变厚度金属型，并通过控制水冷顺序(由下而上逐渐推进)，达到改善顺序凝固彻底消除缩孔、疏松细化组织的目的。 

为此，本发明提出一种空心管坯水冷铸造装置，其包括：筒状水冷外金属型，设置在其内的筒状水冷内金属型，所述水冷内、外金属型之间形成环形的铸件型腔；所述水冷外金属型和水冷内金属型的顶部设有冒口铸型；水冷底箱设置在所述水冷外金属型和水冷内金属型下部，金属液自浇口经水冷底箱进入所述型腔；其中，所述浇口为切线横浇口，金属液由所述浇口沿切向进入所述水冷底箱，借助切线横浇口出口速度的推动，使钢液自所述型腔的下 方呈圆周旋转方式上升，以得到纯净的铸件表面；所述水冷外金属型、水冷内金属型的纵断面形状为上薄下厚带锥度的金属型，所述型腔内上方的金属液相对凝固时间较下方得到推迟，使金属液顺序冷却。 

本发明还提供一种空心管坯水冷铸造方法，采用如上所述的空心管坯水冷铸造装置，包括： 

打开与水冷盘管、中心冷却水管、冷却水盘管相连接的回水管路，并保持回水管路的畅通； 

将金属液由与直浇道相连通的浇铸管进入所述直浇道、横浇道、沿水冷底箱的切线设置的切线横浇口注入U形腔体内，借助切线出口速度的推动，使钢液呈圆周旋转方式在型腔内上升，充满上薄下厚的金属型构成的型腔； 

打开控制水冷底箱冷却水盘管进水口阀门，对所述水冷底箱内的金属液实施强制冷却；然后，自下而上依次打开控制外水冷金属型内的水冷盘管的进水口阀门，同时打开控制设置在水冷内金属型内的中心冷却水管的阀门，对所述型腔内的铸件进行外、内同时冷却； 

所述金属液由水冷底箱开始冷却凝固，依次经由水冷内、外金属型构成的型腔的下部、中部、上部，直至冒口完全凝固；关闭所述冷却水进水阀门，继续保持所以回水管路畅通，随着铸件继续冷却残存在管路的水分继续蒸发，直至蒸干为止； 

拆除中心冷却水管； 

开箱，对铸件进行清理。 

与公知技术相比，本发明的空心管坯水冷铸造方法及装置具有以下特点及优点： 

1、由于本发明筒状水冷外金属型、筒状水冷内金属型的纵断面选用上薄下厚带锥度的金属型，人为使金属型具有了下方大的蓄热量、上方小的蓄热量，使得金属型受金属液加热后上方迅速升温至较高温度随之冷却强度迅速降低，从而起到推迟凝固作用，起到顺序凝固的目的。 

2、由于水冷外金属型沿高度方向独立设置了多组冷却水盘管使得金属型强制冷却以及顺序冷却成为可能，强制冷却的应用相对加大了自下而上的顺序冷却能力。 

3、由于在水冷外金属型顶端以下高度的1/3范围内外表面围设有耐火绝热保温棉质绝热层，大大降低了金属型上部传热热损失，大大延长和推迟了上方凝固时间，为顺序凝固创造了更加有力条件。 

4、水冷外金属型、水冷内金属采用分节组合结构使模具制造难度降低，使模具高度可调，更换高度规格变得更灵活。 

5、通过在水冷内金属内腔设置带有冷却水喷嘴的中心冷却水管，使得水冷内金属型强 制冷却成为可能；水冷喷嘴自下而上顺序打开使水冷内金属型的顺序冷却得以实现。 

6、水冷内金属型制作成底封闭的U形结构，铸件形成坯壳后直接向内腔通水，通过控制水位高度实现自下而上的顺序冷却方法更为简单。 

7、由于水冷内金属型为可变直径结构，彻底解决了铸件凝固收缩受阻可能导致的裂纹问题，芯子抱死开不出箱来等问题。 

8、金属浇铸型腔内设制的上厚下薄涂料层，起到了调整上下金属液向金属型的传热能力，推迟上方金属液凝固时间，强化上下顺序凝固作用。 

9、具有切线式浇口的环形水冷底箱的使用，使金属液能旋转进入型腔，使金属液在圆周方向分布更加均匀，可大大降低铸件表面夹渣、气孔等表面缺陷的产生，有利于提高铸件表面质量。 

10、通过在水冷底箱的U形腔体内设置耐火砖内衬，大大提高了铸型抗冲刷能力，底箱内水冷环形套以及外环形冷铁的的使用，可大大提高底箱凝固期间的冷却能力，避免水冷底箱部位出现疏松、缩孔的可能性，提高铸件底部的成材率，降低不必要的切头损耗。 

11、冒口箱、空心环形砂芯构成的冒口铸型中，绝热耐火棉层的使用大大降低了冒口的热损失，提高了冒口补缩能力，降低冒口切头损耗，提高铸件成材率。 

本发明提出的空心管坯水冷铸造方法及装置，能够实现超大空心管坯的水冷铸造，通过顺序冷却、顺序凝固铸造方法能够获得高质量的超大规格、大的高厚比的筒状铸件，能有效避免大型、高厚比的筒状铸件内部缩孔、疏松缺陷的发生，提高了成材率。 

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， 

图1为本发明的空心管坯水冷铸造装置一个实施例的结构示意图； 

图2为本发明的空心管坯水冷铸造装置另一个实施例的结构示意图，其中，示意性地表示了液位检测装置； 

图3A为本发明的空心管坯水冷铸造装置的可变径水冷内金属型立体结构示意图； 

图3B为可变径水冷内金属型的上法兰、下法兰和挡板的结构位置； 

图3C为构成一个水冷内金属型的一组圆弧形内金属型单元的结构示意图； 

图4A为本发明的空心管坯水冷铸造装置的水冷内金属型的主视示意图； 

图4B为图4A的左视示意图； 

图4C为图4A的右视示意图； 

图5为本发明的空心管坯水冷铸造装置的水冷底箱剖视示意图； 

图6为本发明的空心管坯水冷铸造装置的水冷底箱府视示意图； 

图7为本发明的空心管坯水冷铸造方法铸件顺序冷却示意图(一)，其中：a、冷却初期；b、冷却中期；c、冷却后期； 

图8为本发明的空心管坯水冷铸造方法铸件顺序冷却示意图(二)，表示了在冷却过程中液位检测装置的位置，其中：a、冷却初期；b、冷却中期；c、冷却后期； 

图9为采用公知的静态砂芯铸造方法的铸件凝固过程固相分数变化CAE仿真结果显示图； 

图10为采用公知的空冷钢套芯铸造方法的铸件凝固过程固相分数变化CAE仿真结果显示图； 

图11为采用本发明的水冷铸造方法的铸件凝固过程固相分数变化CAE仿真结果显示图； 

图12是采用不同铸造方法的铸件CAE仿真缺陷预测结果显示对比图，其中，a1、a2是采用公知的静态砂芯铸造方法的铸件缺陷预测，b1、b2是采用公知的空冷钢套芯铸造方法的铸件缺陷预测，c是采用本发明的水冷铸造方法的铸件缺陷预测。 

附图标号： 

1、冒口铸型        101、冒口箱          2、空心环形砂芯    3、水冷外金属型 

31、水冷盘管       4、水冷内金属型      401、上法兰        402、挡板 

403、下法兰        404、长螺栓孔        405、螺栓          406、内金属型单元 

407、螺纹孔        408、止口            409、收缩缝        410、耐火填料 

411、内腔体        412、隔板            5、水冷底箱        500、浇口 

501、外箱体        502、内水冷环形套    5021、上环套       5022、下环套 

5023、贯通内孔     5024、冷却水盘管     503、外环形冷铁    504、底箱板 

505、环形耐火砖内衬506、横浇道          507、直浇道        508、瓢把部 

509、衬砂          510、U形腔体         6、浇道            7、浇铸管 

8、中心冷却水管    80、喷嘴             81、出水口         9、铸件 

10、耐火绝热层     11、浇口杯           12、保温剂         13、液位计浮漂 

14、液位计         15、钢丝绳           16、滑轮           S、间隙 

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的空心管坯水冷铸造方法及装置的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如 后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。 

如图1所示，本发明的一种空心管坯水冷铸造装置，包括：筒状水冷外金属型3，设置在其内的筒状水冷内金属型4，所述水冷内、外金属型4、3之间形成环形的铸件型腔；所述水冷外金属型3和水冷内金属型4的顶部设有冒口铸型1；水冷底箱5设置在所述水冷外金属型3和水冷内金属型4下部，金属液自浇口500经水冷底箱5进入所述型腔。其中，所述浇口500为切线横浇口，金属液由所述浇口500沿切向进入所述水冷底箱5，借助切线横浇口出口速度的推动，使钢液自所述型腔的下方呈圆周旋转方式上升，以得到纯净的铸件表面。所述水冷外金属型3、水冷内金属型4的纵断面形状为上薄下厚带锥度的金属型，所述型腔内上方的金属液相对凝固时间能较下方得到推迟，使金属液顺序冷却。所述铸件例如为空心管坯。 

进一步地，所述水冷外金属型3内设有多组水冷盘管31，所述水冷盘管31设置在自所述水冷外金属型3底端向上2/3的高度范围内，其进水管、出水管分别延伸至所述水冷外金属型3的外部。 

为便于设计加工，可以将每组所述水冷盘管31的高度设置为相等，当然，每组水冷盘管31的高度可以不相等，可以根据实际需要设置每组水冷盘管31的高度。 

优选的方案是，所述水冷盘管31设置在靠近所述水冷外金属型3内表面30～80mm处。 

本发明的水冷外金属型和水冷内金属的厚度为上薄、下厚，具有下方大的蓄热量、上方小的蓄热量，使得金属型受金属液加热后上方迅速升温至较高温度随之冷却强度迅速降低，从而起到推迟凝固作用，起到顺序凝固的目的，而下部较厚的金属型一方面可维持较大的蓄热量和冷却强度，同时给下部埋设冷却水管创造了条件。 

此外，在所述水冷外金属型3的2/3高度范围内，设有2～5组所述水冷盘管31。 

一个可行的技术方案是，所述水冷外金属型3自顶端向下的1/3高度范围内，在其外表面围设有耐火绝热层10，该绝热层采用绝热保温棉材质制成，从而大大降低了水冷外金属型3上部传热热损失，大大延长和推迟了上方凝固时间，更有利于型腔内的金属液自下而上顺序凝固。 

另一个可行的技术方案是，所述水冷外金属型3、水冷内金属型4均为分节组合式金属型，分别由2～3节构成，在每节金属型间设有公母止口定位自然落放连接。采用分节组合结构的金属，降低了模具的制造难度，可根据铸件9的长度要求调整模具高度，使更换模具的高度规格变得更灵活。 

当采用多节组合式金属型时，每节所述水冷外金属型3内均设有至少一组所述水冷盘管31。在图1所示的一个具体实施例中，每节水冷外金属型3内均设置了一组水冷盘管31。 

进一步地，在水冷内金属型内还设有冷却装置，具体是，一中心冷却水管8穿过所述冒口铸型1伸入所述水冷内金属型4的底部，且所述中心冷却水管8被架固在所述冒口铸型1上。 

在一个优选的技术方案中，所述中心冷却水管8设置在所述水冷内金属型4的中心线上；且设置在所述水冷内金属型4内的所述中心冷却水管8上，沿高度方向均布着多层气雾喷嘴80，在每层的圆周方向环设均布着4～8个喷嘴80，能自下而上依次打开每层的喷嘴80，从而实现内金属型自下而上的顺序冷却。完成浇铸后，自下而上依次打开每一组水冷盘管31的进出水口、每一层的喷嘴80，自下而上对型腔内的浇铸进行外部和内部同时冷却。喷嘴80喷出的冷却水受到水冷内金属型4的加热而蒸发，从而起到对该下部水冷内金属型4冷却以及对下方铸件冷却的作用。随着金属液自下而上凝固的向上推移，对应逐层打开喷嘴80和与其对应的水冷盘管31，直到金属凝固至冒口下沿，关闭中心冷却水管，残存内腔的水继续蒸发至完全蒸干。如图2所示，在另一个具体实施例中，中心冷却水管8的出水口在水管最下方，完成浇铸后，自下而上依次打开每一组水冷盘管31的进水口，同时打开中心冷却水管8的出水口81，冷却水被注入到水冷内金属型4内腔体411的下部一定高度，受到水冷内金属型4加热的冷却水被升温、蒸发，从而起到对该下部水冷内金属型4冷却以及对下方铸件冷却的作用，随着金属液的自下而上凝固的向上推移，通过液位检测装置控制内部的冷却水面不断上升且与注入冷却水的所述水冷盘管31的同高，直到金属凝固至冒口下沿，关闭中心冷却水管，残存内腔的水继续蒸发至完全蒸干。所述内腔体411由水冷内金属型4的内壁面和设置在其底部与水冷底箱5的贯通内孔5023上部的隔板412构成。 

其中，所述液位检测装置包括液位计14、液位计浮漂13，所述液位计浮漂13设置在所述水冷内金属型4内，通过钢丝绳15与所述液位计14相连接。 

如图2所示，在一个具体实施例中，所述中心冷却水管8的上部设有第一滑轮17，在所述金属型的外部设有第二滑轮16，钢丝绳15绕设在所述第一、第二滑轮17、16。所述液位计浮漂13套设于所述中心冷却水管8，通过钢丝绳15将所述液位计浮漂13与液位计14相连接。所述液位计浮漂13随着水冷内金属型4内的冷却水位的升降而升降，并带动液位计14一起升降，以随时指示水冷内金属型4内的冷却水位的高度。 

请配合参见图1、图3A、图3B、图3C、图4A、图4B、图4C，在一个可行的技术方案中，所述水冷内金属型4构成为可变直径金属型，且该可变直径的水冷内金属型4在高度方向由2～3节构成，在每节金属型间设有公母止口定位自然落放连接。 

在一个具体实施例中，每节所述水冷内金属型4具有沿径向分开的多个内金属型单元406，每个内金属型单元406的上、下两端分别与上法兰401和下法兰403相连接，形成一个完整的所述水冷内金属型4，且各所述内金属型单元406均能相对所述上、下法兰401、403沿径向移动。其中，相邻的上、下法兰分别形成公母止口定位，通过自然落放将各节水冷内金属型相连接。本发明的筒状水冷内金属型4可随金属液凝固收缩的进行，直径发生变化，铸件9凝固收缩时，可变化直径的内金属型4不会将铸件撑裂，且铸件9凝固收缩后期不会使水冷内金属型4抱死，铸件9易于出箱。 

具体的是，每节所述水冷内金属型4由上法兰401、下法兰403、以及4～8个1/4～1/8的内金属型单元406构成，如图3、图4所示，在该具体实施例中，水冷内金属型4被4等分，由4个1/4圆弧形内金属型单元406组成，当然，也可以将所述水冷内金属型6等分或8等分，其等分的数量不加以限定，可根据金属型的直径尺寸确定。每两个相邻的内金属型单元406之间具有间隙S，每个内金属型单元406的顶部、底部与上、下法兰401、403之间具有收缩缝409。每个内金属型单元406通过螺栓405分别与所述上法兰401和下法兰403相连接，所述上法兰401和下法兰403上沿半径方向设有呈放射状置的连接所述内金属型单元406的长螺栓孔404，每个所述内金属型单元通过设置在所述长螺栓孔内的螺栓分别与所述上法兰和下法兰相连接，当受到铸件9收缩的挤压时连接法兰的螺栓405能在长螺栓孔404内沿径向向外侧滑动，相邻内金属型单元406之间的间隙S被压减小，水冷内金属型4的内径变小，即实现了水冷内金属型的变径，能有效地防止铸件产生收缩裂纹，并能防止铸件9与内金属型抱死。例如，在一个具体实施例中，当铸坯内孔径直径为Φ800mm时，该间隙S可设置为8～10mm，圆周共设6个间隙S。该间隙S的尺寸及所述内金属型单元406的设置数量不做具体限定，根据需要浇铸的铸件尺寸而定。所述收缩缝409的尺寸与所设置的间隙S的尺寸相匹配。 

进一步，相邻的两个所述内金属型单元406之间的间隙S内填充有填料410，所述填料410为可缩性耐火材料，从而能防止浇铸初期向所述间隙S内钻钢。 

其中，所述可缩性耐火材料可以由耐火纤维棉+耐火粘土+石墨构成。 

此外，构成所述水冷内金属型4的相邻的两个内金属型单元406的内壁接缝处均设有一宽度大于所述间隙S宽度的挡板402，每个所述挡板402与相邻的两个内金属型单元406相连接，并能随该内金属型单元406的收缩进行滑动。例如，在所述挡板402上可以设置横向的长槽孔，螺栓穿过该长槽孔将所述挡板402与金属型本体相连接，当受到铸件9收缩的挤压所述水冷内金属型4的内径变大，即金属型本体沿径向向外侧滑动时，则连接挡板和金属型本体的螺栓则在横向长槽孔内滑动，使所述挡板402能够随金属型本体一起滑动。一个具 体的技术方案是，在所述水冷外金属型3的内表面、水冷内金属型4的外表面均设有高温耐火材料涂层，该涂层由涂料层和砂层构成；所述高温耐火材料涂层为上厚下薄的楔形变厚度涂层，使涂覆了所述高温耐火材料涂层的所述型腔形成为大致圆柱体。 

进一步地，所述高温耐火材料涂层的厚度范围为0.1～20mm，在一个具体实施例中，所述高温耐火材料涂层包括涂覆在所述水冷外金属型内壁面和水冷内金属型外壁面的铬矿砂层，以及涂覆在所述铬矿砂层上的锆英粉涂料层。 

如图5、图6所示，本发明的空心管坯水冷铸造装置的水冷底箱5包括：外箱体501，设置在所述外箱体501内的内水冷环形套502，所述外箱体501与所述内水冷环形套502之间形成U形腔体510，所述U形腔体510位于所述水冷外金属型3和水冷内金属型4之间形成的环形的铸件型腔下部，并与之相连通。所述外箱体501、内水冷环形套502的下端与底箱板504固定连接，所述外箱体501的上端面设有与所述水冷外金属型3的下端相接的定位止口。所述外箱体501包括圆柱形的本体，以及沿圆柱形外箱体的切线方向形成的瓢把部508，构成瓢把形水冷底箱。 

其中，所述水冷底箱5的外箱体501由壁厚为30～100mm的铸钢或铸铁制成。 

在一个具体实施例中，所述内水冷环形套502由直径较小的圆柱状上环套5021和直径较大的圆柱状下环套5022构成，形成一凸柱体。所述内水冷环形套502内设有圆柱状贯通内孔5023，外表面由小直径的上环套5021外圆柱面和大直径的下环套5022上圆环面组成一L形的回转面，一外环形冷铁503套装设置在所述下环套5022上圆环面上，该外环形冷铁503的内周面与所述L形的回转面构成所述U形腔体510，在所述U形腔体510的竖直面和底面砌筑有环形耐火砖内衬505。 

进一步地，所述内水冷环形套502内距所述L形回转面30～50mm处埋设有冷却水盘管5024，所述冷却水盘管5024的进、出水口均由所述贯通内孔5023的内表面引出，经所述底箱板504中心透孔延伸到水冷底箱5外部。 

一个具体的方案是，所述瓢把部508内设有耐火砖管，所述耐火砖管具有横浇道506，所述横浇道506的一端水平延伸至所述U形腔体510，并构成所述切线横浇口500，所述横浇道506的另一端通过90°拐角砖竖直向上形成直浇道507。 

且所述外箱体501与外环形冷铁503、下环套5022的外周面之间，以及瓢把部508内填充有保温衬砂509。 

如图5所示，在一个具体实施例中所述横浇道506的一端水平延伸，贯穿所述外环形冷铁503、环形耐火砖内衬505与U形腔体510连通，在所述外环形冷铁503的内壁形成切线横浇口500，且所述切线横浇口500贯穿所述环形耐火砖内衬505。 

本发明的所述冒口铸型1包括：冒口箱101，设置在其内的空心环形砂芯2；所述冒口箱101的内壁设有保温耐火材料层，所述空心环形砂芯2的内壁设有绝热耐火棉层，且所述空心环形砂芯2的内腔与水冷内金属型4的内腔体411相连通。 

本发明的空心管坯水冷铸造方法，是利用上述的空心管坯水冷铸造装置，按模具组装、浇铸、控制、开箱的步骤进行作业。具体包括： 

模具的准备：包括环形水冷底箱的造型、水冷内外金属型的清理挂砂、冒口外箱、冒口砂芯的造型；干燥等。下面仅以水冷内金属型的挂砂造型做一说明： 

首先，将水冷内金属型4的下法兰403平放到工作台架上，然后分别将各1/4等分的内金属型单元406摆放到对应下法兰403的位置，将下法兰403上的T形长螺栓孔404与内金属型单元406的螺纹孔对正，穿上紧固螺栓405及垫片，调整所需的初始水冷内金属型直径(保证与下法兰403同心)，安装上法兰401后对上、下法兰401、403的螺栓进行预紧，力度要适中(力过大将影响铸件9的收缩，过小结构形状无法保证)，然后，安装膨胀缝的挡板402，向膨胀缝(间隙S)中塞入可缩性耐火填料410，对水冷内金属型4筒体的外表面按要求挂涂上厚下薄的变厚度高温耐火材料涂层，包括膨胀缝部位，完毕后进行干燥、修正待浇前合箱。 

模具的组装： 

首先，将准备好的环形水冷底箱5摆放到浇铸场地，地面铺平着实，引出水冷管进出水管；然后在水冷底箱5上落放水冷内金属型4的下节、上节、冒口砂芯；将接缝处用醇基涂料稿修平，点燃自干；将水冷外金属型3的上下节合到一起，将接缝用醇基涂料稿修平，点燃自干后整体吊装(上下节不得再发生错动)，对中水冷内金属型4缓慢组装到水冷底箱5外箱子口上；合上冒口铸型1；安装直浇铸管7及浇口杯11；用吸尘器吹扫并吸去型腔内砂粒杂质；安装水冷内金属型4内的中心冷却水管8；将中心冷却水管8、水冷盘管31的进、出水口与冷却水系统相连接。 

铸件浇铸、控制冷却及开箱： 

首先，检查管路是否接好，打开与水冷盘管31、中心冷却水管8、冷却水盘管5024相连接的回水管路，并保持回水管路的畅通； 

将金属液由与直浇道507相连通的浇铸管7进入所述直浇道507、横浇道506、沿水冷底箱5的切线设置的切线横浇口500注入U形腔体510内，借助切线出口速度的推动，使钢 液呈圆周旋转方式在型腔内上升，充满上薄下厚的金属型构成的型腔； 

打开控制水冷底箱5冷却水盘管5024的进水口阀门，对所述水冷底箱5内的金属液实施强制冷却；然后，自下而上依次打开控制水冷外金属型3内的水冷盘管31的进水口阀门，同时打开控制设置在水冷内金属型4内的中心冷却水管8的阀门，对所述型腔内的铸件进行外、内同时冷却； 

所述金属液由水冷底箱5开始冷却凝固，依次经由水冷内、外金属型4、3构成的型腔的下部、中部、上部，直至冒口完全凝固；关闭所述冷却水进水阀门，继续保持所以回水管路畅通，随着铸件9继续冷却残存在管路的水分继续蒸发，直至蒸干为止； 

拆除中心冷却水管； 

开箱，对铸件进行清理。 

在一个具体实施例中，在水冷底箱5上设有浇铸管7，该浇铸管7的顶部设有浇口杯11，所述浇口杯11、浇铸管7的浇道6与水冷底箱5的直浇道507相连通。根据工艺要求，将合格的金属液由经浇口杯11和浇铸管7的浇道、直浇道507、横浇道506沿切线注入水冷底箱5的U形腔体510；钢液旋转着由水冷底箱5进入水冷内、外金属型4、3构成的型腔的底部、中部、上部，进入冒口铸型1，直至距冒口箱101上沿100mm停止浇铸。 

进一步地，所述冒口铸型1的冒口内的金属液面上覆盖有起到绝热覆盖作用的保温剂12。为了进一步提高保温效果，一个优选的技术方案是，在冒口内的金属液面上覆盖有发热剂，在所述发热剂上进一步覆盖保温剂12。 

如图1所示，在一个可行的方案中，在进行冷却时，自下而上打开设置在水冷外金属型3内下部的第一组水冷盘管31的进水口、出水口，同时，逐层打开所述冷中心却水管8上的喷嘴80，保持铸件内、外的冷却区域相对应，并使所述冷却区域逐同步上升。 

如图2所示，在另一个可行的方案中，在进行冷却时，自下而上依次打开设置在水冷外金属型内各组水冷盘管的进水口、出水口，同时，打开所述中心冷却水管8底部的出水口81，并根据液位计14的检测结果保持所述水冷内金属型4内的水位高度与所述第一组水冷盘管31同高；随后再自下而上依次打开各组所述水冷盘管31，同时保持对应水冷内金属型4内的水位同步提高。 

如图7、图8所示，图中分别示意性地表示了采用两种中心冷却水管结构时顺序冷却的铸件在各冷却初期内的变化。具体是，完成浇铸作业后，首先打开水冷底箱5的冷却水盘管5024的阀门，对水冷底箱5内的金属液实施强制冷却；然后，打开水冷外金属型3下部第一组水冷盘管31的阀门，在图7所示的一个实施例中，同时逐层打开水冷内金属型4内的中心冷却水管8的喷嘴80，并保持水冷内金属型4内喷射的冷却水高度与所述第一组水冷盘管 31相同。随着金属液的凝固，逐步打开第二组、第三……水冷盘管31，及中心冷却水管8上与其相对应的各层喷嘴80，以保持铸件内、外的冷却区域相对应，并使所述冷却区域逐同步上升。 

在图8所示的另一个实施例中，与图7不同之处仅在于中心冷却水管8上不设有喷嘴80，而是底部设有出水口81，在打开水冷外金属型3下部第一组水冷盘管31的阀门的同时，打开中心冷却水管8的出水口81，并借助于液位检测装置控制内部的冷却水面不断上升，保持水冷内金属型4内的水位高度与所对应的第一组水管同高；在随后向第二组、第三组水冷盘管31内注入冷却水的同时，应保持对应内金属型内水位同步提高，以保持铸件内、外的冷却区域相对应，并使所述冷却区域逐同步上升。 

本发明强制驱动铸件9由底箱迅速冷却凝固，依次经型腔的下部、中部、上部，直至冒口完全凝固。待铸件9完全凝固后，关闭所述冷却水进水阀门，继续保持所述回水管路畅通，随着铸件9继续冷却，残存在管路、水冷内金属型内部的水分继续蒸发，直至蒸干为止。最后，拆除中心冷却水管。 

然后，进入开箱工序：首先开去冒口铸型1的冒口箱101、空心环形砂芯2，然后开去水冷外金属型3，去掉浇铸管7，将浇道6割除；将水冷内金属型4、铸件9、水冷底箱5一并调至开箱落砂场地，脱去底箱板504、割去横浇道506，拆除外环形冷铁503、内水冷环形套502；逐个拆除水冷内金属型4；对铸件9进行清理、外观检查，运至下道工序，完成整个铸造工序。 

本发明的空心管坯水冷铸造方法，是采用底铸法、自浇口500沿切线进入环形腔体下方，借助切线出口速度的推动，使金属液呈圆周旋转方式上升，使得金属液面前沿形成的气泡、杂质不能在铸件9表面停留，请配合参见图11，因此可以得到比较纯净的铸件表面质量。进入具有上薄下厚纵截面结构的水冷外金属型3、水冷内金属型4构成的环形型腔内的金属液，如图a、b、c、d所示，表示了铸件冷却的不同阶段，图中，浅色区域表示未凝固区域A3，其外部的深色区域表示已凝固层B3。即图11a为凝固开始，图11b为凝固初期，图11c为凝固中期，图11d为凝固后期，图11e为结束(全部凝固)，通过各图表示了金属液(末凝固区域A3)及已凝固层B3的变化过程。本方法的特点是：凝固后期液芯下窄上宽、且浅，因此补缩通畅。采用本发明的方法时，首先受到铸型表面的冷却开始凝固形成凝固坯壳，位于水冷底箱5内的金属液受到内水冷环形套502、外环形冷铁503构成的3个方向上的强制冷却优先凝固，并推动凝固前沿由下向上推移。位于水冷内、外金属型4、3下方的金属液受下方厚壁金属型冷却，以及后续强制水冷的作用，承接水冷底箱5内金属液的凝固继续推动凝固前沿由下向上发展；上方的金属型由于较薄的壁厚即较低的铸型蓄热能力，在受到金属液加 热后很快温度极具上升，致使该处的凝固停滞，再加上上厚下薄的涂料层使得金属液向铸型的热传输阻力越靠上越大，致使金属型上方的金属液相对凝固时间较下方得到推迟，即构成了强制顺序冷却和顺序冷却引发的顺序凝固，直至冒口。位于冒内的金属液外表面与冒口铸型1的保温绝热耐火材料相接触、内表面与保温绝热耐火材料制成的芯部砂芯接触、上表面与保温剂12相接触，具有极佳的保温环境，因此可以较长时间的维持金属液的过热状态，直至顺序凝固推到冒口凝固结束；因此避免了该大型、高厚比的筒状铸件内部缩孔、疏松缺陷的发生，如图11中的图e所示，本发明的特点是铸造缺陷集中在冒口和铸件壁厚的中部，且缺陷级别较轻，通过后续的锻造作业能够较为容易地克服该铸造缺陷。本发明特别适用于管坯厚度100～600mm、直径800～2000mm、高度2000～6000mm的大型厚壁管坯的制造。 

图12是采用不同铸造方法的铸件CAE仿真缺陷预测结果显示对比图，其中，图12a1、a2是采用公知的静态砂芯铸造方法的铸件缺陷预测，如图所示，颜色较深处表示缺陷F很严重，且集中在内表面；图12b1、b2是采用公知的空冷钢套芯铸造方法的铸件缺陷预测，如图所示，颜色较深处表示缺陷F’严重，且位于表层以里；图12c是采用本发明的水冷铸造方法的铸件缺陷预测，如图所示，铸件中部的虚线表示缺陷F”，其颜色较浅表示缺陷轻，且该缺陷位于铸件壁厚的中部，通过后续的锻造加工，易于克服该缺陷。因此，本发明的方法与公知技术相比大大降低了铸造缺陷，提高了成材率。 

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。 

Claims (30)

1.一种空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述铸造装置包括：筒状水冷外金属型，设置在其内的筒状水冷内金属型，所述水冷内、外金属型之间形成环形的铸件型腔；所述水冷外金属型和水冷内金属型的顶部设有冒口铸型；水冷底箱设置在所述水冷外金属型和水冷内金属型下部，金属液自浇口经水冷底箱进入所述型腔；其中，所述浇口为切线横浇口，金属液由所述浇口沿切向进入所述水冷底箱，借助切线横浇口出口速度的推动，使钢液自所述型腔的下方呈圆周旋转方式上升，以得到纯净的铸件表面；所述水冷外金属型、水冷内金属型的纵断面形状为上薄下厚带锥度的金属型，所述型腔内上方的金属液相对凝固时间较下方得到推迟，使金属液顺序冷却。

2.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷外金属型内设有多组水冷盘管，所述水冷盘管设置在自所述水冷外金属型底端向上2/3的高度范围内，其进水管、出水管分别延伸至所述水冷外金属型的外部。

3.如权利要求2所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷盘管设置在靠近所述水冷外金属型内表面30～80mm处。

4.如权利要求2所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，在所述水冷外金属型的2/3高度范围内，设有2～5组所述水冷盘管。

5.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷外金属型自顶端向下的1/3高度范围内，在其外表面围设有耐火绝热层。

6.如权利要求1至5任一项所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷外金属型、水冷内金属型均为分节组合式金属型，沿高度方向分别由2～3节构成，相邻的两节金属型之间通过公母止口定位自然落放连接。

7.如权利要求6所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，每节所述水冷外金属型内均设有至少一组所述水冷盘管。

8.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，一中心冷却水管穿过所述冒口铸型伸入所述水冷内金属型的底部，且所述中心冷却水管被架固在所述冒口铸型上。

9.如权利要求8所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述中心冷却水管设置在所述水冷内金属型的中心线上；且设置在所述水冷内金属型内的所述中心冷却水管上，沿高度方向均布着多层气雾喷嘴，在每层的圆周方向环设均布着4～8个喷嘴，能自下而上依次打开每层的喷嘴，从而实现内金属型自下而上的顺序冷却。

10.如权利要求8所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述中心冷却水管的底部设有出水口。

11.如权利要求10所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述空心管坯水冷铸造装置进一步还包括液位检测装置，所述液位检测装置的包括液位计、液位计浮漂，所述液位计浮漂设置在所述水冷内金属型内，通过钢丝绳与所述液位计相连接。

12.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷内金属型为可变直径金属型，且该水冷内金属型在高度方向由2～3节构成，相邻的两节金属型之间通过公母止口定位自然落放连接。

13.如权利要求12所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，每节所述水冷内金属型具有沿径向分开的多个内金属型单元，每个内金属型单元的上、下两端分别与上法兰和下法兰相连接，形成一个完整的所述水冷内金属型，且各所述内金属型单元均能相对所述上、下法兰沿径向移动。

14.如权利要求13所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，每节所述水冷内金属型由上法兰、下法兰、以及4～8个内金属型单元构成，每两个相邻的内金属型单元之间具有间隙；所述上法兰和下法兰上沿半径方向设有呈放射状置的连接所述内金属型单元的长螺栓孔，每个所述内金属型单元通过设置在所述长螺栓孔内的螺栓分别与所述上法兰和下法兰相连接，当受到铸件收缩的挤压时连接法兰的螺栓能沿长螺栓孔滑动，相邻内金属型单元之间的间隙被压减小，实现变径、以防止铸件收缩裂纹、防止铸件与内金属型抱死。

15.如权利要求14所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，相邻的两个所述内金属型单元之间的间隙内填充有填料，所述填料为可缩性耐火材料，以防止浇铸初期向所述间隙内钻钢。

16.如权利要求14或15所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷内金属型的内壁接缝处均设有一宽度大于所述间隙宽度的挡板，每个所述挡板与相邻的两个内金属型单元相连接，并能随该金属型本体的收缩进行滑动。

17.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于：所述水冷外金属型内表面、水冷内金属型外表面均设有高温耐火材料涂层；所述高温耐火材料涂层为上厚下薄的楔形变厚度涂层，使涂覆了所述涂料层的所述型腔形成为大致圆柱体。

18.如权利要求17所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述高温耐火材料涂层的厚度范围为0.1～20mm，由涂料层和砂层构成。

19.如权利要求18所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述高温耐火材料涂层包括涂覆在所述水冷外金属型内壁面和水冷内金属型外壁面的铬矿砂层，以及涂覆在所述铬矿砂层上的锆英粉涂料层。

20.如权利要求1所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷底箱包括：外箱体，设置在所述外箱体内的内水冷环形套，所述外箱体与所述内水冷环形套之间形成与所述型腔相连通的U形腔体；所述外箱体、内水冷环形套的下端与底箱板固定连接，所述外箱体的上端面设有与所述水冷外金属型的下端相接的定位止口；所述外箱体包括圆柱形的本体，以及沿圆柱形外箱体的切线方向形成的瓢把部，构成瓢把形水冷底箱。

21.如权利要求20所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述水冷底箱的外箱体由壁厚为30～100mm的铸钢或铸铁制成。

22.如权利要求20所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述内水冷环形套由直径较小的圆柱状上环套和直径较大的圆柱状下环套构成，形成一凸柱体；所述内水冷环形套内设有圆柱状贯通内孔，外表面由小直径的上环套外圆柱面和大直径的下环套上圆环面组成一L形的回转面，一环形冷铁套装设置在所述下环套上圆环面上，该环形冷铁的内周面与所述L形的回转面构成所述U形腔体，在所述U形腔体的竖直面和底面砌筑有耐火砖内衬。

23.如权利要求22所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述内水冷环形套内距所述L形回转面30～50mm处埋设有冷却水盘管，所述冷却水盘管的进、出水口均由所述贯通内孔的内表面引出，经所述底箱板中心透孔延伸到所述水冷底箱外部。

24.如权利要求20所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述瓢把部内设有耐火砖管，所述耐火砖管具有横浇道，所述横浇道的一端水平延伸至所述U形腔体，并构成所述切线横浇口，所述横浇道的另一端通过90°拐角砖竖直向上形成直浇道。

25.如权利要求22所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述瓢把部内设有耐火砖管，所述耐火砖管具有横浇道，所述横浇道的一端水平延伸，贯穿所述外环形冷铁、环形耐火砖内衬与U形腔体连通，并构成所述切线横浇口，所述横浇道的另一端通过90°拐角砖竖直向上形成直浇道。

26.如权利要求20所述的空心管坯水冷铸造装置，其特征在于，所述冒口铸型包括：冒口箱，设置在其内的空心环形砂芯；所述冒口箱的内壁设有保温耐火材料层，所述空心环形砂芯的内壁设有绝热耐火棉层，且所述空心环形砂芯的内腔与水冷内金属型的内腔相连通。

27.一种空心管坯水冷铸造方法，采用如权利要求1至26所述的空心管坯水冷铸造装置，包括：

打开与水冷盘管、中心冷却水管、冷却水盘管相连接的回水管路，并保持回水管路的畅通；

将金属液由与直浇道相连通的浇铸管进入所述直浇道、横浇道、沿水冷底箱的切线设置的切线横浇口注入U形腔体内，借助切线出口速度的推动，使钢液呈圆周旋转方式在型腔内上升，充满上薄下厚的金属型构成的型腔；

打开控制水冷底箱冷却水盘管进水口阀门，对所述水冷底箱内的金属液实施强制冷却；然后，自下而上依次打开控制外水冷金属型内的水冷盘管的进水口阀门，同时打开控制设置在水冷内金属型内的中心冷却水管的阀门，对所述型腔内的铸件进行外、内同时冷却；

所述金属液由水冷底箱开始冷却凝固，依次经由水冷内、外金属型构成的型腔的下部、中部、上部，直至冒口完全凝固；关闭所述冷却水进水阀门，继续保持所以回水管路畅通，随着铸件继续冷却残存在管路的水分继续蒸发，直至蒸干为止；

拆除中心冷却水管；

开箱，对铸件进行清理。

28.如权利要求27所述的空心管坯水冷铸造方法，其特征在于，所述金属液沿横浇道经切线横浇口旋转着由水冷底箱的切线注入所述型腔的底部、中部、上部，以及冒口铸型，直至距冒口箱上沿100mm停止浇铸；完成浇注后，在所述冒口铸型的冒口内的金属液面上覆盖发热剂，所述发热剂上进一步覆盖保温剂。

29.如权利要求27所述的空心管坯水冷铸造方法，其特征在于，在进行冷却时，自下而上依次打开设置在水冷外金属型内各组水冷盘管的进水口，同时，逐层打开所述中心冷却水管上的喷嘴，保持铸件内、外的冷却区域相对应，并使所述冷却区域逐同步上升。

30.如权利要求27所述的空心管坯水冷铸造方法，其特征在于，在进行冷却时，自下而上依次打开设置在水冷外金属型内各组水冷盘管的进水口，同时，打开所述中心冷却水管底部的出水口，并根据液位计的检测结果保持所述水冷内金属型内的水位高度与注入了冷却水的所述水冷盘管同高，且水位同步提高。

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