CN112872297A - 大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺 - Google Patents

Abstract

一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，在型面段的中间喇叭状薄壁回转体的型面过渡段设置若干个第Ⅱ阶梯冒口，与设置在大、小法兰端的第Ⅲ阶梯冒口、第Ⅰ阶梯冒口形成从下往上阶梯式补缩定向凝固的方式；并设置了左、右对称布置的倒F字形浇注系统，下面的内浇道均从小法兰边缘按顺时针方向注入；上面的内浇道均从大法兰的边缘沿顺时针方向注入；浇注时钢水先注入下法兰端，当浇注到大法兰端时，钢水就从上面的内浇道继续注入，形成阶梯式浇注。本发明中三级阶梯冒口形成的阶梯式补缩定向凝固，有效控制金属液凝固顺序，使产生的缩松转化为集中缩孔，并使集中缩孔转移至冒口内，彻底消除缩孔缩松缺陷，获得结构致密且金属组织健全的优质毛坯。

Description

大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺。

背景技术

调压阀是国家风洞试验的关键设备，而型面段是调压阀中压力调节的关键部件。其结构是两端不同直径的法兰由中间喇叭状的薄壁回转体连接而成，特点是大口径薄壁，两端法兰间的高度为700～1100mm，例如:DN2000调压阀的型面段铸件的两端法兰间高度为:836mm；对于这种大口径薄壁壳体铸钢件，缩孔和缩松是铸造工艺中经常出现的铸造缺陷。对公称尺寸≥DN800的（注：这里的公称尺寸指型面段小法兰端内径尺寸，直径越大，高度越高）型面段铸件，其使用中受应用介质工况的冲击大，所以对零件强度和刚度要求非常高。其一，若按照GB/T 12224标准中铸件射线探伤或超声波探伤规定，只需探伤两端法兰根部的3倍最小壁厚tm或70mm的环带区,见图1。按此要求设计了型面段铸造工艺为：只在型面段的大、小法兰端设计有冒口。此种工艺下所浇注的铸件仅在口径DN400及以下的铸件是合格的。口径大于DN500时，铸件中间喇叭状过渡段因为铸件壁薄受到铸型冷却自己先凝固，无法形成顺序凝固的通道，造成了“卡脖子”区域，所以,无法得到上面大法兰的冒口钢水的补缩。根据筒形薄壁铸件凝固特征，最后在筒形薄壁铸件的中间部位出现“轴线缩孔”或“轴线缩松”。因为，铸件的喇叭状中间部位出现了大面积的缩孔、缩松缺陷, 又远远超过了铸件允许的补焊面积和补焊处数，所以,铸件报废，损失惨重。

其二，用户要求对铸件全区域表面100%进行射线探伤或磁粉探伤，这种无损检测要求超出标准规定的范围。

其三，这种要求高质量无缺陷的铸钢件，必须保证“铸造工艺出品率”≤45%，计算方法为铸造工艺出品率:

N=100%×[铸件质量/（铸件质量+冒口质量+浇道质量）]。

对于口径DN2000阀门的型面段铸件单重13.3吨，按照其工艺出品率≤45%反算，需近30吨钢水才够浇注，铸造厂用三台10吨钢炉同时冶炼钢水，浇一个型面段铸件，其铸造成本近三十万，又射线探伤成本约二十万，费用大约五十多万；购买型面段的厂家，只承担一次检测费用。所以，这种大型铸件报废,会造成严重的损失。

发明内容

本发明提供一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，以解决上述大口径薄壁回转类壳体经常出现铸造缺陷的难题，保证此类铸件形成结构致密且金属组织健全的优质毛坯。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，该型面段由两端的大、小法兰及连接大小法兰的中间喇叭状薄壁回转体构成，在型面段的中间喇叭状薄壁回转体的型面过渡段设置有若干个第Ⅱ阶梯冒口，冒口的厚度为≥3.0倍壁厚，冒口高度为2.5×冒口的厚度；与设置在小法兰端的第Ⅰ阶梯冒口与大法兰端的第Ⅲ阶梯冒口依次形成从下往上阶梯式补缩定向凝固的方式；对于该冒口结构设置了左、右对称布置的倒F字形浇注系统，下面的内浇道均从小法兰边缘按顺时针方向注入；上面的内浇道均从大法兰的边缘沿顺时针方向注入；浇注时钢水先注入下法兰端，当浇注到大法兰端时，钢水就从上面的内浇道继续注入，形成阶梯式浇注。

所述第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口之间均错位布置。

所述第Ⅰ阶梯冒口和第Ⅱ阶梯冒口均设计为保温暗冒口，第Ⅲ阶梯冒口均设计为保温明冒口。

当金属液浇注满第Ⅲ阶梯冒口的所有明冒口后，停留半小时金属液凝固时间，之后用新出炉的成分合格的热金属液分别从每个收缩的明冒口充分补浇热金属液。

本发明通过在型面段的喇叭状弧面过渡段设计第Ⅱ阶梯冒口，位于型面段小法兰端第Ⅰ阶梯冒口与大法兰端第Ⅲ阶梯冒口之间，形成第Ⅰ阶梯冒口-第Ⅱ阶梯冒口-第Ⅲ阶梯冒口从下往上的阶梯式补缩定向凝固的方式，有效控制金属液凝固顺序，使产生的缩松缺陷转化为集中缩孔，并进一步使集中缩孔转移至冒口内，彻底消除缩孔缩松。同时采用优化的制芯结构、2个分型面、施加隔砂外冷铁、双道梯形浇注系统的设计措施，获得结构致密且金属组织健全的优质毛坯。

附图说明

图1为大型型面段铸件按照GB/T 12224标准进行射线探伤（RT）的区域示意图；

图2为本发明实施例产品的结构尺寸示意图；

图3为本发明的铸造工艺图；

图4为本发明的冒口形成过程示意图；

图5为本发明第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口的水平投影布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明下述实施例以图2所示的铸件结构及尺寸为例说明，其铸造工艺包括造型、制芯—分型面确定—冒口设计—冷铁布置—浇注系统设计，具体如下：

（1）造型制芯

因型面段铸件一是体积大、二是铸件的法兰厚、三是铸件壁厚加上加工余量后增厚，所以收缩量大，模型采用30‰缩尺，砂芯采用25‰缩尺，充分保证型面段的精度和壁厚。在型面段的砂芯上、下两端均设计芯头，其中下端芯头的高度为整个芯子总高的1/3，以保证“喇叭”状的砂芯安置稳定,通过对两端芯头的牢固定位来保证芯子位置不发生偏斜。

（2）分型面确定

请参阅图3，型面段为大口径薄壁回转体，取小法兰上端面为分型面，在下箱造型小法兰端面。取大法兰上端面为分型面，在中箱造型大法兰及喇叭状弧面过渡段，然后进行下箱与中箱合箱，放置上箱合箱。

（3）冒口设计

请参阅图4，型面段的小法兰端设计第Ⅰ阶梯冒口，以法兰根部热节圆1-1为基准，沿壁厚向上作热节圆1-2（注：第二个热节圆直径为≥第一个热节圆直径的1.3倍，下同），热节圆1-2与型面壳体外轮廓线相切，同时与热节圆1-1之间有一个接触点；采用相同方法作热节圆1-3，取最大热节圆1-3的直径确定冒口上端直径，全部热节圆相连接形成冒口高度，冒口的厚度为壁厚的≥2.5倍，冒口高度为2×冒口的厚度，冒口数量为4个。第Ⅰ阶梯冒口用来补缩小法兰及小法兰与法兰颈部的部位。

型面段的喇叭状弧面过渡段设计第Ⅱ阶梯冒口，以该部位最小热节圆2-1为基准，沿“喇叭状”弧面向上依次作热节圆2-2、2-3、2-4，相邻热节圆之间相接，每个热节圆与第Ⅱ阶梯“喇叭状”弧面过渡段外轮廓线相切，取最大热节圆2-4的直径确定冒口上端直径，全部热节圆相连接形成冒口高度，冒口的厚度为≥3.0倍壁厚，冒口高度为2.5×冒口的厚度，冒口数量为6个。第Ⅱ阶梯冒口用来补缩喇叭状弧面过渡段的均匀壳体。

型面段的大法兰端设计第Ⅲ阶梯冒口，以法兰根部热节圆3-1为基准，沿大法兰外径方向作热节圆3-2、3-3、3-4，相邻热节圆之间相接，每个热节圆与该部位外轮廓线相切；取最大热节圆3-4的直径确定冒口上端直径，全部热节圆相连接形成冒口高度，冒口的厚度为壁厚的≥3.5倍，冒口高度为3×冒口的厚度，冒口数量为6个。第Ⅲ阶梯冒口用来补缩大法兰及法兰根部的部位。

针对型面段口径大于DN500（小法兰端）时，铸件中间“喇叭状”过渡段因为铸件壁薄受到铸型冷却自己先凝固，无法形成顺序凝固的通道，造成了“卡脖子”区域，所以,无法得到上面大法兰的冒口钢水的补缩。根据筒形薄壁铸件凝固特征，最后在筒形薄壁铸件的中间部位出现“轴线缩孔”或“轴线缩松”。所述型面段的喇叭状弧面过渡段设计第Ⅱ阶梯冒口，冒口的厚度为≥3.0倍壁厚，冒口高度为2.5×冒口的厚度，冒口数量为6个。从而解决和消除了喇叭状弧面过渡段出现轴线缩孔或轴线缩松的铸造质量问题。

第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口分别在相应铸件的壁厚部位实现同时凝固，依据顺序凝固原则，使缩松、气体排入冒口，达到良好补缩。形成了第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口阶梯式补缩定向顺序凝固的工艺。

请参阅图5，第Ⅰ阶梯冒口为a1～a4的4个保温暗冒口，沿X-X和Y-Y中心线对称分布。第Ⅱ阶梯冒口为b1～b6的6个保温暗冒口，其中，b1、b2分别与X-X夹角为26°对称分布，b4、b5与b1、b2以Y-Y中心线对称分布，b3、b6在Y-Y中心线上，以X-X中心线对称分布。同时，保证第Ⅱ阶梯冒口b1～b6与第Ⅰ阶梯冒口a1～a4无接触分布。第Ⅲ阶梯冒口为c1～c6的6个保温明冒口，其中，c1、c3分别与X-X夹角为50°对称分布，c4、c6与c1、c3以Y-Y中心线对称分布，c2、c5在X-X中心线上，以Y-Y中心线对称分布。同时，保证第Ⅲ阶梯冒口c1～c6与第Ⅱ阶梯冒口b1～b6无接触分布。

型面段的第Ⅰ阶梯冒口和第Ⅱ阶梯冒口的每个冒口上设置2个排气管,保证不影响从冒口浇注金属液的排气性。

（4）冷铁布置

请参阅图3，型面段的大法兰下端面及法兰根部、小法兰上端面及法兰根部和小法兰下端面均设置补贴冷铁，冷铁的厚度尺寸，分别为所激冷部位铸件厚度的1.5～2.0倍。

同时，型面段的第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口，每一层的阶梯冒口与冒口之间，在铸型和对应的砂芯上，合理布置隔砂外冷铁，外冷铁总质量≥35～40%的铸件总质量。作用包括：一.配合冒口实现定向顺序凝固，即冷铁处先冷却，逐渐向冒口处实现定向凝固。二.使布置冷铁部位的铸件提前冷却，获得足够强度，有效避免铸件在凝固过程中因收缩而产生裂纹的现象。

（5）浇注系统设计

请参阅图3，大型型面段的公称尺寸≥DN800。因此，其两侧各设计了左、右对称布置的倒F字形浇注系统，且下面的内浇道均从小法兰边缘按顺时针方向注入；上面的内浇道均从大法兰的边缘也是沿顺时针方向注入。浇注时钢水先注入下法兰，当钢水浇注到大法兰时，钢水自然的改成从上面的内浇道继续注入钢水，形成阶梯式浇注。

这种方法有效避免了浇注设计仅采用一个浇注包从小法兰浇入金属液，造成小法兰局部过热，而上浮金属液温度下降的弊病。

当金属液浇注到明冒口（第Ⅲ阶梯冒口）四分之一高度时，改为只用一个浇注包从明冒口中按离浇注系统远近的部位注入热金属液，作用是提高冒口中金属液温度，实现铸件定向顺序凝固的充分补缩。

当浇注满所有的明冒口后半小时，然后用新出炉的成分合格的金属液分别从收缩后的明冒口中补浇，实现冒口中钢水的温度提升，通过补浇热钢水及浇注时产生的动能,使第Ⅲ阶梯冒口的6个明冒囗，充分发挥补缩效果。表1为上述实施例制得的铸件质量检测结果。

表1铸件射线检测结果表

从表1中可以看出：

1. 型面段铸件按照JB/T 6440-2008标准通过全部区域100%射线探伤，Ⅱ级合格。

2.在大型型面段铸件设计第Ⅱ阶梯冒口，形成的阶梯式补缩铸造工艺，完全解决了常规铸造工艺中铸件中间“喇叭状”过渡段,出现的大面积缩孔缩松缺陷。

3.大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺可以实现一种优等高品质铸件。

Claims (4)

1.一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，该型面段由两端的大、小法兰及连接大小法兰的中间喇叭状薄壁回转体构成，其特征在于：在型面段的中间喇叭状薄壁回转体的型面过渡段设置有若干个第Ⅱ阶梯冒口，冒口的厚度为≥3.0倍壁厚，冒口高度为2.5×冒口的厚度；与设置在小法兰端的第Ⅰ阶梯冒口与大法兰端的第Ⅲ阶梯冒口依次形成从下往上阶梯式补缩定向凝固的方式；对于该冒口结构设置了左、右对称布置的倒F字形浇注系统，下面的内浇道均从小法兰边缘按顺时针方向注入；上面的内浇道均从大法兰的边缘沿顺时针方向注入；浇注时钢水先注入下法兰端，当浇注到大法兰端时，钢水就从上面的内浇道继续注入，形成阶梯式浇注。

2.根据权利要求1所述的一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，其特征在于：所述第Ⅰ阶梯冒口、第Ⅱ阶梯冒口和第Ⅲ阶梯冒口之间均错位布置。

3.根据权利要求2所述的一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，其特征在于：所述第Ⅰ阶梯冒口和第Ⅱ阶梯冒口均设计为保温暗冒口，第Ⅲ阶梯冒口均设计为保温明冒口。

4.根据权利要求1所述的一种大型型面段铸件的阶梯式补缩铸造工艺，其特征在于：当金属液浇注满第Ⅲ阶梯冒口的所有明冒口后，停留半小时金属液凝固时间，之后用新出炉的成分合格的热金属液分别从每个收缩的明冒口充分补浇热金属液。

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