CN116174651A - 一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件及其浇注系统和铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件及其浇注系统和铸造方法,属于球墨铸铁铸件铸造工艺技术领域。本发明解决了现有百吨级超厚大断面球墨铸铁铸件生产中存在石墨球化衰退和畸变问题,以及凝固时间较长问题。本发明采用通水铸铁冷铁作为铸件外型冷却水管嵌铸于铸铁中形成整体铸铁冷铁,有利于保证通水冷却安全性,铸件内芯为铸铁冷铁,避免型芯通水带来的安全隐患,同时采用阶梯浇注系统和雨淋浇注系统的结合系统,利用雨淋浇注系统将铁水直接流入冒口中,从而保证冒口中铁水温度,解决了百吨级超厚大断面球墨铸铁铸件凝固时间长,容易产生石墨衰退和畸变,造成铸件报废问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件及其浇注系统和铸造方法,属于球墨铸铁铸件铸造工艺技术领域。
背景技术
近年来,随着高端装备制造业的发展,对超厚大铸件的需求越来越多,尤其是对超厚大断面球墨铸铁铸件的需求更为迫切,并且对球墨铸铁材料的性能要求也越来越高。例如,核乏燃料贮运容器铸件,对显微组织和力学性能都提出较高要求,并且对低温冲击性能提出严格要求(如-40℃低温冲击性能和断裂韧性)。对核乏燃料贮运容器铸件来说,铸件结构比较简单,形状类似于水杯,但其尺寸巨大,质量非常大。
众所周知,对超厚大断面球墨铸铁铸件来说,由于铁水重量大,铸件壁厚大,致使铸件凝固时间过长,出现球化衰退、石墨畸变,严重恶化铸件的显微组织和力学性能,因此,对超厚大断面球墨铸铁铸件生产来说,合理可实施的铸造工艺及生产方法,较快的冷却速率是获得高质量铸件的必要条件。
通常提高冷却速率的方法为在造型过程中添加冷铁措施,但对应超厚大断面球墨铸铁件来说,单单通过添加冷铁的方式很难满足冷却速度要求。目前,也有报道通风、通雾、通液氮等强制冷却方式的文献或专利,但并没有真正用于生产的报道。齐齐哈尔第一机床厂曾用内芯通水冷却的方式生产20吨级核乏燃料储运容器铸件,壁厚仅仅320mm左右。然而,对于百吨级超厚大断面球墨铸铁件来说,采用内芯通水冷却方式,存在安全隐患,对于生产企业来说,难以接受此类冷却方式组织生产,该工艺不适宜广泛推广应用。因此,亟待开发一种既能满足超厚大断面球墨铸铁件冷却条件、又容易被生产企业接受的铸造工艺技术。除了采用较快的冷却速率外,合理的铸造工艺设计、适宜的浇注系统、高纯净的铁水质量、抗衰退的炉前处理工艺也是生产高质量超厚大断面球墨铸铁件的先决条件。
发明内容
本发明针对百吨级超厚大断面球墨铸铁铸件生产中存在石墨球化衰退和畸变问题,以及凝固时间较长问题,提出一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件及其浇注系统和铸造方法。
为了解决现有组织内自体荧光干扰、探测和接收条件不一致导致的低浓度光敏剂精确测量难度较大的问题,提供一种高精度组织内光敏剂浓度测量装置及其使用方法。
本发明的技术方案:
本发明的目的之一是提供一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,该浇注系统由阶梯浇注系统和雨淋浇注系统组成,包括第一水口箱1、砂箱、外冷铁模4、内冷铁模7和第二水口箱10,砂箱包括上箱3、中箱5、下箱9和位于各箱内的浇道,且上箱3、中箱5和下箱9从上至下依次堆叠,上箱3的上方还设有第一水口箱1和第二水口箱10,多个内冷铁模7堆叠构成铸件内芯并位于中箱5的中心,铸件内芯外套装有多个外冷铁模4堆叠构成的铸件外型,铸件外型和铸件内芯之间构成型腔8;
浇道包括直浇道6和横浇道12,直浇道6位于上箱3、中箱5和下箱9内,且其上端与第一水口箱1连通,下端与型腔8连通;横浇道12为环形,横浇道12与直浇道6连通的同时,通过多个均匀开设的内浇口与型腔8连通;内浇口位于相邻外冷铁模4之间;
上箱3内还设有与型腔8连通的冒口2,冒口2与第二水口箱10之间采用雨淋浇口11连通。
进一步限定,型腔8为开口向下、筒底向上的厚大断面带底圆筒形。
进一步限定,外冷铁模4为内嵌冷却水管型冷铁,高度为800-1500mm,相邻层间外冷铁模4之间通过定位孔定位,通水压力为0.2-1.2MPa。
进一步限定,内冷铁模7为冷铁,壁厚为铸件壁厚的0.8-1.2倍,高度为壁厚的1.0-1.5倍,每层冷铁数量为4-16块,相邻层间冷铁通过定位孔定位,同层冷铁之间通过螺栓连接定位。
进一步限定,直浇道、横浇道和内浇口的横截面面积比为(1.8-2.0):(1.2-1.5):1。
进一步限定,每个横浇道12上均匀开设有内浇口。
进一步限定,位于上箱6的横浇道12上开设有与冒口数量相当的内浇口。
进一步限定,除位于上箱6的横浇道12外,其余横浇道12上均匀开设16-24个内浇口。
进一步限定,第一水口箱1和第二水口箱10上安装有拔堵机构和瞬时孕育料斗。
本发明的目的之二是提供一种采用上述浇注系统铸造百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的方法,具体的采用球墨铸铁铸造,铁水浇注温度为1300-1360℃,浇注时间控制在8min内,边浇注边加瞬时孕育剂,完成浇注。
进一步限定,铁水由以下质量百分比的化学成分组成:C3.2-3.7%,Si1.6-2.3%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.3-1.3%,余量为Fe。
进一步限定,瞬时孕育剂成分为SiBa孕育剂,Ba含量3-5wt.%,Si含量70-74wt.%,Al含量0.5-1wt.%,Ca含量0.8-2wt.%。
进一步限定,铁水为将原铁水进行球化处理后获得,球化处理方法为冲入法结合四步孕育处理法,
更进一步限定,原铁水由以下质量百分比的化学成分组成:C3.2-3.9%,Si0.1-0.8%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.5-1.5%,O<0.003%,杂质<0.1%,余量为Fe。
更进一步限定,原铁水熔炼温度为1450-1520℃,出炉温度为1400-1500℃,球化处理温度为1380-1450℃。
更进一步限定,球化处理过程为:将占原铁水重量1.0-1.7%球化剂放入包底,其上依次为占原铁水重量0.4-0.8%孕育剂、0.05-0.2%SiC和0.1-0.8%铁屑,将原铁水冲入浇包2/3,等待1-3min,加入0.2-0.6%孕育剂,边冲入剩余的1/3原铁水边加孕育剂,待球化反应完毕,扒渣,测温,然后加0.1-0.3%浮硅孕育剂,完成原铁水球化处理,获得铁水。
更进一步限定,球化处理后获得的铁水在50min内完成浇注。
更进一步限定,球化剂成分为7-2球化剂,Mg含量6-8wt.%,RE含量为1-3wt.%,Si含量40-45wt.%。
更进一步限定,孕育剂成分为75硅铁,Si含量71-75wt.%,Al含量0.7-1.5wt.%,Ca含量0.5-1.5wt.%。
更进一步限定,浮硅孕育剂成分为75硅铁,Si含量71-75wt.%,Al含量0.7-1.5wt.%,Ca含量0.5-1.5wt.%。
本发明的目的之三是提供一种采用上述铸造方法获得的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件,该铸件的石墨球大小为4-6级,球化等级为2-3级,抗拉强度为360-410MPa,屈服强度为230-270MPa,延伸率13-28%,-40℃冲击功为5-17J。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)本发明采用通水铸铁冷铁作为铸件外型冷却水管嵌铸于铸铁中形成整体铸铁冷铁,有利于保证通水冷却安全性,铸件内芯为铸铁冷铁,避免型芯通水带来的安全隐患;
(2)本发明的浇注系统为阶梯浇注系统和雨淋浇注系统的结合系统,其中雨淋浇注系统中的铁水直接流入冒口中,从而保证冒口中铁水温度,解决了百吨级超厚大断面球墨铸铁铸件凝固时间长,容易产生石墨衰退和畸变,造成铸件报废问题。此外,采用阶梯浇注系统,避免由于铁水量大冲击浇注系统尤其是底部直浇道、横浇道和内浇口,可形成有利于球墨铸铁凝固的温度梯度,即铸件底部温度较低,铸件顶部温度较高,便于排渣、冒口补缩。
附图说明
图1为本发明提供的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统示意图;
图2为图1中A-A处的剖面图;
图3为图1中B-B处的剖面图;
图4为获得铸件本体石墨形态的金相组织;
图5为获得铸件本体基体的金相组织;
图中1-第一水口箱,2-冒口,3-上箱,4-外冷铁模,5-中箱,6-直浇道,7-内冷铁模,8-型腔,9-下箱,10-第二水口箱10,11-雨淋浇口,12-横浇道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器,未经特殊说明,均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器,本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1:
本实施例提供的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,如图1所示,该浇注系统由阶梯浇注系统和雨淋浇注系统组成,包括第一水口箱1、砂箱、外冷铁模4、内冷铁模7和第二水口箱10,砂箱包括上箱3、中箱5、下箱9和位于各箱内的浇道,且上箱3、中箱5和下箱9从上至下依次堆叠,上箱3的上方还设有第一水口箱1和第二水口箱10,多个内冷铁模7堆叠构成铸件内芯并位于中箱5的中心,铸件内芯外套装有多个外冷铁模4堆叠构成的铸件外型,铸件外型和铸件内芯之间构成型腔8;型腔8为开口向下、筒底向上的厚大断面带底圆筒形。外冷铁模4为内嵌冷却水管型冷铁,具体结构详见中国专利(CN11531258A),高度为1100mm,个数5个,相邻层间外冷铁模4之间通过定位孔定位,通水压力为0.6MPa。内冷铁模7为冷铁,壁厚为300mm,高度为230mm,每层冷铁数量为64块,相邻层间冷铁通过定位孔定位,同层冷铁之间通过螺栓连接定位。直浇道、横浇道和内浇口的横截面面积比为2.0:1.5:1。位于上箱6中的横浇道12上开设有与冒口数量相当的内浇口。除位于上箱6的横浇道12外,其余横浇道12上均匀开设16个内浇口。第一水口箱1和第二水口箱10上安装有拔堵机构和瞬时孕育料斗。
采用上述浇注系统制备百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的铸造方法包括以下步骤:
步骤1,铁水得制备:
首先,在温度为1510℃条件下熔炼原铁水,原铁水出炉温度为1490℃,原铁水由以下质量百分比的化学成分组成::C3.8%,Si0.3%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.6%,O<0.003%,杂质<0.1%,余量为Fe。
然后,在温度为1450℃条件下对原铁水进行球化处理,处理方法为冲入法加四步孕育处理法,具体的将占原铁水重量1.4%球化剂放入包底,其上依次为占原铁水重量0.6%孕育剂、0.15%SiC和0.4%铁屑,原铁水冲入浇包2/3,等待1-3min,加入0.4%孕育剂,边冲入剩余的1/3原铁水边加孕育剂,待球化反应完毕,扒渣,测温,温度为1370℃,加入0.1%浮硅孕育剂,得到铁水。
其中,球化剂成分为7-2球化剂,Mg含量6.2wt.%,RE含量为1.3wt.%,Si含量44.2wt.%;孕育剂成分为75硅铁,Si含量71.2wt.%,Al含量0.85wt.%,Ca含量1.2wt.%;浮硅孕育剂成分为75硅铁,Si含量71.2wt.%,Al含量0.85wt.%,Ca含量1.2wt.%。
获得的铁水由以下质量百分比的化学成分组成:C3.65%,Si2.11%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.61%,余量为Fe。
步骤2,将步骤1获得的铁水转运铁水至上述浇注系统旁的水口箱,测温,温度为1350℃,进行浇注,边浇注边加0.1%的瞬时孕育剂,浇注时间控制在8min内。铁水需要在球化处理后50min内,完成浇注,随温冷却至室温,得到百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件。
获得的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的重量为115吨,壁厚为510mm。
对铸件的金相组织进行表征,结果如图4和图5所示,结果表明其显微组织由球状石墨、铁素体基体和少量珠光体组成,石墨球大小为4-6级,球化等级为2-3级。
对铸件的力学性能进行表征,结果表明抗拉强度为360-410MPa,屈服强度为230-270MPa,延伸率13-28%,-40℃冲击功为5-17J。
实施例2
本实施例与实施例1不同处为:铁水化学成分为C3.7%,Si1.81%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.55%,余量为Fe。铁水出炉温度1510℃,球化处理温度1495℃,浇铸温度1355℃,浇注时间为5.5分钟。获得铸件重量90吨,铸件壁厚480mm,
本实施例获得的铸件的石墨球大小为5级,铸件边缘石墨球化等级为2级,铸件中心球化等级为3级。铸件的抗拉强度为362-396MPa,屈服强度为220-275MPa,延伸率13-23%,-40℃冲击功为5-9J。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做各种改动和修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,该浇注系统由阶梯浇注系统和雨淋浇注系统组成,包括第一水口箱、砂箱、外冷铁模、内冷铁模和第二水口箱,砂箱包括上箱、中箱、下箱和位于各箱内的浇道,且上箱、中箱和下箱从上至下依次堆叠,上箱的上方还设有第一水口箱和第二水口箱,多个内冷铁模堆叠构成铸件内芯并位于中箱的中心,铸件内芯外套装有多个外冷铁模堆叠构成的铸件外型,铸件外型和铸件内芯之间构成型腔;
浇道包括直浇道和横浇道,直浇道位于上箱、中箱和下箱内,且其上端与第一水口箱连通,下端与型腔连通;横浇道为环形,横浇道与直浇道连通的同时,通过多个均匀开设的内浇口与型腔连通;内浇口位于相邻外冷铁模之间;
上箱内还设有与型腔连通的冒口,冒口与第二水口箱之间采用雨淋浇口连通。
2.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,型腔为开口向下、筒底向上的厚大断面带底圆筒形。
3.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,外冷铁模为内嵌冷却水管型冷铁,高度为800-1500mm,相邻层间外冷铁模之间通过定位孔定位,通水压力为0.2-1.2MPa。
4.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,内冷铁模为冷铁,壁厚为铸件壁厚的0.8-1.2倍,高度为壁厚的1.0-1.5倍,每层冷铁数量为4-16块,相邻层间冷铁通过定位孔定位,同层冷铁之间通过螺栓连接定位。
5.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,直浇道、横浇道和内浇口的横截面面积比为(1.8-2.0):(1.2-1.5):1。
6.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,每个横浇道上均匀开设有内浇口。
7.根据权利要求1所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的浇注系统,其特征在于,第一水口箱和第二水口箱上安装有拔堵机构和瞬时孕育料斗。
8.一种百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的铸造方法,其特征在于,使用权利要求1所述的浇注系统,采用球墨铸铁铸造,铁水浇注温度为1300-1360℃,浇注时间控制在8min内,边浇注边加瞬时孕育剂,完成浇注。
9.根据权利要求8所述的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件的铸造方法,其特征在于,铁水由以下质量百分比的化学成分组成:C3.2-3.7%,Si1.6-2.3%,Mn<0.1%,P<0.02%,S<0.006%,Ni0.3-1.3%,余量为Fe。
10.一种权利要求8所述的铸造方法获得的百吨级超厚大断面带底圆筒形铸件,其特征在于,铸件的石墨球大小为4-6级,球化等级为2-3级,抗拉强度为360-410MPa,屈服强度为230-270MPa,延伸率13-28%,-40℃冲击功为5-17J。
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