CN220361968U - 一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于离心铸造领域，具体为一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置。该加热装置包括中心轴、炉体外壳，中心轴的加热部分由内到外依次设有陶瓷纤维保温隔热模块、加热源、刚玉管Ⅰ，中心轴的支撑移动部分由不锈钢管内嵌刚玉管及铝编线组成；炉体外壳的前端中心孔与绝缘隔热圆盘相对应并呈滑动配合，炉体外壳的后端中心孔与不锈钢管相对应并呈滑动配合；炉体外壳的后端外壁中心孔底部安装手摇齿轮，不锈钢管的底部安装传动齿条，手摇齿轮与传动齿条相对应组成齿轮齿条传动机构。采用本实用新型可完全消除铸件内部的缩孔缩松缺陷，明显减少铸件内部的夹渣，并降低原材料消耗，降低机加工难度，提高铸件成品率。
Description
技术领域
本实用新型属于离心铸造领域，具体为一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置。
背景技术
离心铸造是将液体金属注入高速旋转的铸型内，使金属液做离心运动充满铸型并形成铸件的技术和方法。离心铸造设备简单生产效率高，金属消耗少，铸件组织致密，机械性能好。
离心铸造过程中，型筒高速旋转造成较强的对流条件，型筒内金属液内表面因迅速散热而使金属液在由型筒壁向内凝固的同时也由内表面向外凝固，即形成所谓的双向凝固，易在铸件内部最后凝固位置周围形成缩孔缩松缺陷，严重影响铸件质量。消除离心铸件缩孔缩松缺陷的关键是需将双向凝固方式改变为由外壁向内壁的顺序凝固方式，通常采用的方法有增加铸型厚度、水冷、在金属液内表面使用发热造渣剂等。
但对于厚壁铸件，铸型壁厚的增加或水冷方式对铸件的冷却能力都极为有限，实际生产中发现，对于厚度100mm以上的铸件，采用以上两种方式都不能完全消除缩孔缩松缺陷。而发热造渣剂，由于其发热及保温的时间较长(大于30min)，并不适用于熔点较低、离心时间较短的金属，如：500kg的铜合金铸件整个离心过程只有20min，若使用发热造渣剂会严重影响生产效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种使用效率高、适用范围广、消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，以解决环形厚大铸件缩孔缩松缺陷，提高铸件质量，降低原材料消耗，提高铸件成品率。
本实用新型的技术方案如下：
一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，该加热装置为可移动式加热炉，包括中心轴、炉体外壳，具体结构如下：
中心轴呈水平放置，可沿水平方向前后移动，主体由加热部分和支撑移动部分同轴通过法兰连接构成；中心轴的加热部分由内到外依次设有陶瓷纤维保温隔热模块、加热源、刚玉管Ⅰ，加热部分前端同轴一体设有绝缘隔热圆盘，绝缘隔热圆盘的外径大于刚玉管Ⅰ的外径，加热部分后端设有耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘；中心轴的支撑移动部分由不锈钢管内嵌刚玉管及铝编线组成；
炉体外壳前端和后端开设中心孔，中心轴沿水平方向穿设于炉体外壳，炉体外壳的前端中心孔与绝缘隔热圆盘相对应并呈滑动配合，炉体外壳的后端中心孔与不锈钢管相对应并呈滑动配合；耐热不锈钢套与炉体外壳的后端中心孔和内壁相对应，绝缘隔热圆盘厚度与炉体外壳的厚度相同；炉体外壳的后端外壁中心孔底部安装手摇齿轮，不锈钢管的底部安装传动齿条，手摇齿轮与传动齿条相对应组成齿轮齿条传动机构。
所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，中心轴的加热部分布置有热电偶，热电偶的一端内置于耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘中，其另一端位于加热源的上方；加热源为硅钼棒或硅碳棒，根据加热功率选择螺纹型或圆周均匀分布的直棒型。
所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，不锈钢管内衬刚玉管Ⅱ，电源输入接线夹连同其中的铝编线伸至刚玉管Ⅱ内腔，铝编线的一端与电源连接，铝编线的另一端依次穿过法兰、中心轴与加热源连接。
所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，炉体外壳的底部安装连接架，每个连接架为沿竖向设置上下两段的上支撑架、下支撑架插装配合结构，上支撑架下部和下支撑架上部相应开设有两个以上用于穿设旋钮或螺栓的安装孔，上支撑架、下支撑架之间通过旋钮或螺栓连接固定于不同位置，实现炉体外壳的垂直移动，以调整炉体外壳的高度；每个下支撑架的下端设有带锁死功能滚轮，通过连接架支撑炉体外壳水平移动。
所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，工作时，炉体外壳前端与离心机铸型相对应，离心机铸型由环形铸型模套、圆盘形铸型模垫和开设中心孔的圆盘形铸型模盖组成，铸型模盖与铸型模垫相对设置于环形铸型模套两端，铸型模盖位于离心机外壳的一侧开口处，铸型模垫位于离心机外壳的另一侧内壁处，由铸型模盖、环形铸型模套、铸型模垫围成离心机铸型内腔，合金熔体浇注后受离心力作用呈环状填充于离心机铸型内腔；炉体外壳的前端中心孔与铸型模盖中心孔同轴相对应，绝缘隔热圆盘外径小于铸型模盖中心孔直径；使用时，炉体外壳固定不动，通过手摇齿轮与传动齿条传动配合，使不锈钢管带动中心轴、加热源自炉体外壳的内腔伸出，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔。
本实用新型的设计思想是：
将加热源固定在可水平移动的中心轴上，实现对环形铸件内腔加热，将铸件凝固方式由从内表面和外表面向中心凝固的双向凝固转变为由外表面向内表面的顺序凝固，从而调控缩孔疏松区域位置从厚壁中心向内表面环靠拢，最终可通过机加工去除，带来以下的有益效果1、2、3。
配套相对固定的加热炉外壳，减小热量损失并提供安全防护功能，提高预热状态加热效率，也为加热炉循环连续使用提供过渡环境及使用完毕后提供缓冷环境。通过设置温度监测功能控制铸件内腔加热温度和时长，确保不同种类合金凝固方式的转变；通过设置可上下左右移动的加热炉支架，使该加热装置适用于不同尺寸的卧式离心机。以上设计要点带来有益效果4。
本实用新型的优点及有益效果是：
1、采用本实用新型离心铸造用加热装置可完全消除铸件内部的带状缩松缺陷。
2、采用本实用新型离心铸造用加热装置可明显减轻铸件内部的夹渣缺陷。
3、采用本实用新型离心铸造用加热装置可降低原材料消耗，降低机加工难度，提高铸件成品率。
4、本实用新型与离心铸造方法配套的可移动式加热炉，其使用效率高、适用范围广，适用于不同种类合金及不同尺寸的卧式离心机。
附图说明
图1为加热装置示意图。图中，1中心轴，2炉体外壳，10绝缘隔热圆盘，11加热源，12刚玉管Ⅰ，13陶瓷纤维保温隔热模块，14热电偶，15耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘，16法兰，17不锈钢管，18刚玉管Ⅱ，19铝编线，20电源输入接线夹，21上支撑架，22下支撑架，23旋钮或螺栓，24带锁死功能滚轮，1a传动齿条，2a手摇齿轮。
图2为加热装置加热状态示意图。图中，1中心轴，2炉体外壳，3离心机铸型，4合金熔体，31铸型模盖，32铸型模套，33铸型模垫，34离心机外壳。
具体实施方式
在具体实施过程中，本实用新型提出一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造方法，包括如下步骤：1)铸型厚度为铸件厚度的1.5倍以上，可通过增加铸型模套来调整铸型厚度；2)采用宽口径浇口进行离心浇注，保证合金液在离心过程中均匀连续；3)待合金液浇注结束后，立即取出浇注系统，放入加热装置对离心机铸型内腔进行加热；4)取出加热装置，待铸件冷却成型；5)脱模后，对环形内表面铸造缺陷进行机加工去除。
步骤2)中，首先根据铸件内径大小确定离心机转速，然后根据转速和铸件大小确定合金浇注速度，铸型转速用康斯坦丁公式计算：
n——铸型转速，r/min；
β——转速修正系数，与合金种类有关；
ρ——合金密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
ri——环形铸件内半径，m；
转速可在此范围内根据合金添加元素的不同进行调整，合金浇注速度与铸型转速和铸件长度成正比，即铸型转速越高铸件越长，浇注速度越快。
如图1-图2所示，步骤3)所述的加热装置为可移动式加热炉，主要包括中心轴1、炉体外壳2、绝缘隔热圆盘10、加热源11、刚玉管Ⅰ12、陶瓷纤维保温隔热模块13、热电偶14、耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15、法兰16、不锈钢管17、刚玉管Ⅱ18、铝编线19、电源输入接线夹20、上支撑架21、下支撑架22、旋钮或螺栓23、带锁死功能滚轮24、传动齿条1a、手摇齿轮2a，具体结构如下：
中心轴1呈水平放置，可沿水平方向前后移动，中心轴1主体由加热部分和支撑移动部分同轴通过法兰16连接构成。中心轴1的加热部分由内到外依次设有陶瓷纤维保温隔热模块13、加热源11、刚玉管Ⅰ12，加热部分前端同轴一体设有绝缘隔热圆盘10，加热部分后端设有耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15，热电偶14的一端内置于耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15中，其另一端位于加热源11的上方，用于监测和控制加热源温度；中心轴1的支撑移动部分由不锈钢管17内嵌刚玉管Ⅱ18及铝编线19组成，电源输入接线夹20连同其中的铝编线19伸至刚玉管Ⅱ18内腔，铝编线19的一端与电源连接，铝编线19的另一端依次穿过法兰16、耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15与加热源11连接，为加热源11供电，加热源11为硅钼棒或硅碳棒，具体规格根据加热功率选择螺纹型或圆周均匀分布的直棒型。其中，绝缘隔热圆盘10的外径大于刚玉管Ⅰ12的外径。
炉体外壳2的底部安装连接架，每个连接架为沿竖向设置上下两段的上支撑架21、下支撑架22插装配合结构，上支撑架21下部和下支撑架22上部相应开设有两个以上用于穿设旋钮或螺栓23的安装孔，上支撑架21、下支撑架22之间通过旋钮或螺栓23连接固定于不同位置，实现炉体外壳2的垂直移动，以调整炉体外壳2的高度；每个下支撑架22的下端设有带锁死功能滚轮24，通过连接架支撑炉体外壳2水平移动。
如图1所示，炉体外壳2的前端和后端开设中心孔，中心轴1沿水平方向穿设于炉体外壳2，炉体外壳2的前端中心孔与绝缘隔热圆盘10相对应并呈滑动配合，炉体外壳2的后端中心孔与不锈钢管17相对应并呈滑动配合；耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15与炉体外壳2的后端中心孔和内壁相对应，绝缘隔热圆盘10厚度与炉体外壳2的厚度相同，使炉体外壳2内腔形成密闭保温空间。此时为预热状态，可以通过加热源11对刚玉管Ⅰ12进行预热，炉体外壳2呈密闭状态，加热源11逐渐升温至稳定阶段。
炉体外壳2的后端外壁中心孔底部安装手摇齿轮2a，不锈钢管17的底部安装传动齿条1a，手摇齿轮2a与传动齿条1a相对应组成齿轮齿条传动机构；工作时，炉体外壳2前端与离心机铸型3相对应，离心机铸型3为装设于离心机外壳34的环形铸型模套32、圆盘形铸型模垫33和开设中心孔的圆盘形铸型模盖31组成，铸型模盖31与铸型模垫33相对设置于环形铸型模套32两端，铸型模盖31位于离心机外壳34的一侧开口处，铸型模垫33位于离心机外壳34的另一侧内壁处，由铸型模盖31、环形铸型模套32、铸型模垫33围成离心机铸型3内腔，合金熔体4浇注后受离心力作用呈环状填充于离心机铸型3内腔；炉体外壳2的前端中心孔与铸型模盖31中心孔同轴相对应，绝缘隔热圆盘10外径小于铸型模盖31中心孔直径；使用时，炉体外壳2固定不动，通过手摇齿轮2a与传动齿条1a传动配合，使不锈钢管17带动中心轴1、加热源11自炉体外壳2的内腔伸出，将连接加热源11的中心轴1向前推进，使加热源11放置于离心机铸型3内腔。
使用时，炉体外壳2固定不动，通过手摇齿轮2a与传动齿条1a传动配合，使中心轴1带动加热源11自炉体外壳2的内腔伸出，将连接加热源11的中心轴1向前推进，使加热源11放置于离心机铸型3内腔，耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘15位于离心机铸型3的一端铸型模盖31开孔内，起到密闭保温的作用。此时为工作状态，通过加热源11、刚玉管Ⅰ12热辐射对离心机铸型3内腔中空气进行加热，并将热量传递给离心机铸型3中的铸件。
加热装置的使用包括预热/缓冷状态、工作状态，其中：预热/缓冷状态，炉体外壳呈密闭式，加热源位于炉体外壳内，加热源逐渐升温至稳定阶段或逐渐降温；工作状态，炉体外壳呈开放式，将连接加热源的中心轴向前推进，使加热源放置于离心机铸型内腔，通过热辐射对离心机铸型内腔空气进行加热，并将热量传递给离心机铸型中的铸件。预热状态，需控制炉内温度达到金属液熔点以上；工作状态，需控制离心机铸型内腔温度为金属液熔点以上一段时间，具体温度及时间针对不同合金及不同铸件尺寸进行调整。
步骤4)中，铸件冷却成型后停机，取出的加热装置继续用于其他离心铸件的加热或缓冷至室温。
下面，通过实施例和附图对本实用新型进一步详细阐述。
实施例
本实施例中，合金牌号为ZCuSn5Pb5Zn5，铸件直径(外径600mm，内径400mm)，铸件长度300mm。如图1-图2所示，一种消除锡青铜合金厚壁铸件缩松缺陷的离心铸造方法，包括如下步骤：
(1)计算铸型厚度L
L≥1.5×(600-400)/2＝150mm，此处应保证离心机外壳壁厚+铸型模套壁厚大于150mm，该厚度保证了铸型蓄热能力。
(2)计算铸型转速n
ρ：8400kg/m3，g：9.81m/s2，ri：0.2m，β：铜合金该系数的取值范围为1.2～1.4，此处考虑到铅元素比重偏析问题，β取较小值1.23，计算得到铸型转速n＝530rpm，合金液浇注速度为32kg/s，该速度可保证合金液充型平稳连续，不产生飞溅断流现象，减少偏析夹渣等缺陷。
(3)浇注前准备
转动旋钮或螺栓23调整加热装置高度与离心机铸型内腔高度对应，将电源输入接线夹20接通电源，预热加热装置至800℃，如图1状态。待合金液浇注结束后(浇注温度为1090℃)，立即取出浇注系统，可移动式加热炉对准离心机铸型内腔，并调整带锁死功能滚轮24至固定位置，将连接加热源11的中心轴1向前推进，注意此过程保证加热装置不接触离心机铸型，使加热源11放置于离心机铸型内腔，如图2状态，保证离心机铸型内腔温度800℃时间为7min。
(4)取出加热装置，待铸件冷却成型至500℃，离心机停止工作，离心机总运转时长控制在25min左右，冷却至该温度可防止早脱模造成铸件变形、“出锡汗”等缺陷。
(5)脱模后，对环形铸件内表面铸造缺陷进行机加工去除，去除深度大于23mm，该深度可保证将缩松位置全部切除，成品铸件无缩松缺陷。
经过模拟仿真得到的铸件整体及中心面缩松缺陷分布情况，常规离心铸造方法得到的铸件缩松区域轴向集中于中心位置且宽度较大，径向上位于铸件内环与外环中间靠近内环处且范围较宽，机加工去除量要达到47mm才能完全去除缩松缺陷，而成品内环直径在左右，机加工后至少还留有20mm深度的缩松缺陷于成品内环附近，严重影响铸件质量。采用本实用新型提供的离心铸造方法得到缩松区域轴向也位于中心位置但宽度较窄，径向上位于铸件内环表面且范围较小，机加工去除量只要在23mm以上就可以完全消除缩松缺陷，显著提升铸件成品质量。
实施结果表明，本实用新型采用可移动式加热炉伸入离心机铸型内腔，对浇注后的铜合金进行加热，将铸件凝固方式由双向凝固转变为顺序凝固，从而调控缩松区域位置向铸件内表面靠拢并通过机加工去除。本实用新型可完全消除铸件内部的缩孔缩松缺陷，明显减少铸件内部的夹渣，改善铸件元素偏析，并降低原材料消耗，降低机加工难度，提高铸件成品率。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效方法或等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，其特征在于，该加热装置为可移动式加热炉，包括中心轴、炉体外壳，具体结构如下：
中心轴呈水平放置，可沿水平方向前后移动，主体由加热部分和支撑移动部分同轴通过法兰连接构成；中心轴的加热部分由内到外依次设有陶瓷纤维保温隔热模块、加热源、刚玉管Ⅰ，加热部分前端同轴一体设有绝缘隔热圆盘，绝缘隔热圆盘的外径大于刚玉管Ⅰ的外径，加热部分后端设有耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘；中心轴的支撑移动部分由不锈钢管内嵌刚玉管及铝编线组成；
炉体外壳前端和后端开设中心孔，中心轴沿水平方向穿设于炉体外壳，炉体外壳的前端中心孔与绝缘隔热圆盘相对应并呈滑动配合，炉体外壳的后端中心孔与不锈钢管相对应并呈滑动配合；耐热不锈钢套与炉体外壳的后端中心孔和内壁相对应，绝缘隔热圆盘厚度与炉体外壳的厚度相同；炉体外壳的后端外壁中心孔底部安装手摇齿轮，不锈钢管的底部安装传动齿条，手摇齿轮与传动齿条相对应组成齿轮齿条传动机构。
2.按照权利要求1所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，其特征在于，中心轴的加热部分布置有热电偶，热电偶的一端内置于耐热不锈钢套内嵌陶瓷纤维保温隔热盘中，其另一端位于加热源的上方。
3.按照权利要求1所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，其特征在于，加热源为硅钼棒或硅碳棒，根据加热功率选择螺纹型或圆周均匀分布的直棒型。
4.按照权利要求1所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，其特征在于，不锈钢管内衬刚玉管Ⅱ，电源输入接线夹连同其中的铝编线伸至刚玉管Ⅱ内腔，铝编线的一端与电源连接，铝编线的另一端依次穿过法兰、中心轴与加热源连接。
5.按照权利要求1所述的消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置，其特征在于，炉体外壳的底部安装连接架，每个连接架为沿竖向设置上下两段的上支撑架、下支撑架插装配合结构，上支撑架下部和下支撑架上部相应开设有两个以上用于穿设旋钮或螺栓的安装孔，上支撑架、下支撑架之间通过旋钮或螺栓连接固定于不同位置，实现炉体外壳的垂直移动，以调整炉体外壳的高度；每个下支撑架的下端设有带锁死功能滚轮，通过连接架支撑炉体外壳水平移动。
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| CN202321395013.4U CN220361968U (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 一种消除厚壁铸件缩孔缩松缺陷的离心铸造用加热装置 |
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