一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法技术

本发明专利技术涉及铸造技术领域，特别涉及一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，本发明专利技术的冒口设计方法中，根据大壁厚半环形内缸铸件的结构特点和浇注过程中不同型腔部位的模数越大，钢水的凝固时间越长的原则，将冒口设置成包裹住铸件的整个半圆弧内腔，并使冒口提供足够的钢水补缩量，使得整个铸件缸壁变成了凝固时的末端区（先凝固区），消除了常规工艺方法导致的缸壁中心因凝固延迟而产生的缩松问题；并且整个冒口垂直向上，钢水中的氧化物、夹渣以及浇注过程中卷入的气体等可以直接上浮到冒口中，降低了铸件本身存在夹渣、气孔的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法
本专利技术涉及铸造
，特别涉及一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法。
技术介绍
用于核电机组的高压内缸铸件为一种大壁厚内缸铸钢件，该铸件内、外腔为回转形成的半圆柱形结构，如图1所示，其中法兰面的最大壁厚达330mm以上，缸壁壁厚220~250mm。原铸造工艺的冒口设计如图2所示，在法兰面和内腔中间设置冒口，冒口之间放置冷铁分区，每个冒口对应每个分区进行补缩。该工艺沿用常规汽缸件的铸造工艺进行设计，没有考虑到该铸件本身大壁厚的结构特点，因此铸件存在诸多缩松缺陷。常规汽缸件的缸壁在60mm~100mm，法兰上的明冒口与内腔暗冒口之间使用冷铁分区，由于壁厚比较薄，冷铁的激冷作用明显，缸壁能够在短时间内凝固，明冒口与暗冒口可以分别补缩各自区域，消除铸件缩松。而本产品的铸件壁厚在220~250mm，大于常规汽缸件，使用冷铁分区时，激冷作用不明显，导致铸件凝固时，冷铁部位的缸壁没有及时凝固，明冒口内的钢水在重力作用下对整个铸件补缩，明冒口内钢水不足，导致结合面缩松和夹渣缺陷严重，同时，缸壁的中心凝固时间晚，导致铸铸件壁厚中心出现缩松。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中大壁厚内缸铸件铸造工艺中冒口设计存在的问题，提供一种可以避免壁厚方向缩松的一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法。本专利技术的目的是这样实现的，一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，依次包括如下过程：1）根据半环形内缸铸件的结构，将半环形内缸铸件沿轴向划分为便于计算不同部位模数的若干段,并依次将各段标记为段一～段n；2）从段一开始计算各段的模数，按段一沿半环形圆周各弧段部位的壁厚不同，将段一进一步分为便于模数计算的不同弧段，各段的模数分别记为Ｍ11～M1m，并取各段模数的最大值Ｍ0，计为Ｍ0＝Ｍax（Ｍ11～M1m）；3）根据上步中段１各弧段模数的计算结果，在段一的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一，所述冒口一为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，所述冒口一的模数设为Ｍ1，取Ｍ1≥1.2Ｍ0计为公式1；半圆柱形冒口的理论模数为：Ｍ柱＝V/S=πRd/[2(πR+πd+2d)]计为公式2其中，Ｖ为半圆柱的体积，Ｓ为半圆柱的表面积，Ｒ为半圆柱的半径也就是铸件内腔弧面的半径，d为冒口沿半圆柱轴向的厚度;为延长冒口的凝固时间，在冒口沿半圆柱端面的外侧设置保温层，所述保温层的保温系数Ｋ为1.3～1.4，此时冒口一的实际模数为Ｍ1＝ＫＭ柱计为公式3，将公式2代入公式3得到：Ｍ1＝ＫπRd/[2(πR+πd+2d)]，计为公式4，再将公式4代入公式1得到冒口一厚度d的最小值dmin，d的实际取值按1～1.1倍dmin计，从而确定冒口一的尺寸；4）在冒口一的顶部设置冒口二，以提供铸件型腔及冒口一的补缩液，冒口二的长度为2R，宽度为d，高度为H，冒口二宽度方向的两端为半圆柱形，所述冒口二的补缩液量m大于段一和冒口一的总钢水量m1，m按下式确定：m=1.353*[（14-ε）/ε]*v*ρ计为公式5，其中单位为kg；ε—体收缩率，钢水的取值按5计；ρ—钢水密度，取7.83t/m3，v—冒口二的体积；冒口二的体积v=（2Rd-0.215d2）H*10-6，单位为m3，计为公式6，将公式6代入公式5，得到m=34.67*（2Rd-0.215d2）H*10-6＞m1，换算得出H＞106m1/(69.34Rd-7.45d2)，计为公式7，此式中m可以根据段一和冒口一计算得到，从而确定Ｈ的最小值Hmin，所述冒口二的实际高度为1～1.1倍Hmin；５）重复步骤2）～４）分别设计计算段二～段n的冒口参数。本专利技术根据大壁厚半环形内缸铸件的结构特点和浇注过程中不同型腔部位的模数越大，钢水的凝固时间越长的原则，将冒口设置成包裹住铸件的整个半圆弧内腔，并使冒口提供足够的钢水补缩量，使得整个铸件缸壁变成了凝固时的末端区（先凝固区），消除了常规工艺方法导致的缸壁中心因凝固延迟而产生的缩松问题；并且整个冒口垂直向上，钢水中的氧化物、夹渣以及浇注过程中卷入的气体等可以直接上浮到冒口中，降低了铸件本身存在夹渣、气孔的风险。为进一步延长冒口的凝固时间，所述冒口二的外侧也设置与冒口一相同的保温层。为便于浇注后冒口部位的切除，所述冒口一的保温层的弧形边缘与铸件内腔弧面设有40～50mm的间隙。附图说明图1为大壁厚半环形内缸铸件结构示意图。图2现有技术中大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计工艺图。图3为本专利技术的实施例中大壁厚半环形内缸铸件冒口设计工艺中的分段示意图。图4为内缸铸件其中的一个分段按不同模数不同划分的弧段示意图。图5为内缸铸件其中的一个分段的冒口结构示意图。图6为整个大壁厚半环形内缸铸件的冒口结构示意图。具体实施方式如图1所示为本实施例的所涉及大壁厚半环形内缸铸件结构示意图，其中，缸壁厚D=22.4cm,缸壁内径R=93cm，该内缸铸件产品沿长度方向的中心截面大体上结构对称分布，因此按本专利技术的方法设计冒口时，只需设计其中的一半即可，然后再对称设置另一半，其中的一半，分为段一１和段二２两段，如图3所示。计算段一１和段二２模数时，先计算段一１的模数，如图4所示，段一１按结构和壁厚分布划分为法兰口附近的弧段一，壁厚均匀处的弧段二和弧长中间部位的弧段3，分别计算各弧段的模数M11，M12，M13，并取Ｍ0＝Ｍax（Ｍ11，M12，M13）；据此在段一１的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一３，冒口一３为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，为使冒口一３延时凝固，取冒口一３的模数Ｍ1≥1.2Ｍ0，半圆柱形冒口一的理论模数计算值为Ｍ柱＝V/S=πRd/[2(πR+πd+2d)]，在半圆柱冒口一３的外侧设置保温系数K为1.35的保温层５，因此，冒口一３的实际模数为Ｍ1＝1.35Ｍ柱，并按上述计算M1≥1.2Ｍ0，可以确定冒口一３沿半圆柱轴向的厚度d的最小值为dmin=3.768RM0/（2.119R-6.168M0），d实际按1～1.1倍dmin取值，从而可以确定冒口一３的尺寸。再在冒口一３的上部设置用于补缩铸件型腔及冒口一３的钢水量的冒口二４，冒口二４的长度为2R，宽度为d，高度为H，冒口二４宽度方向的两端为半径为d/2的半圆柱形，并且根据公式5、公式6和公式7可以确定冒口二４的最小高度值Hmin，Ｈ实际按1-1.1倍Ｈmin取值，同样在冒口二４的外侧设置保温系统为1.35的保温层５，以延长冒口二４的凝固时间；同时考虑到浇注后便于清理冒口部位，冒口一３外层的保温层５的弧形边缘与铸件内腔弧面设有40～50mm的间隙。这样就完成了段一的内腔的冒口结构和参数和设计，如图5所示，再按上述方法设计计算段二冒口的结构和参数，从而完成本实施例铸缸件一半的冒口方案设置，如图6所示，最后对称设置铸缸件另一半内腔的冒口设计。经生产实验，采用本专利技术冒口设计方法最终浇注的大壁厚半环形内缸铸件的内部质量使用超声波检测（UT），检测级别为UT2级，铸件各部件没有超过检测级别的缺陷，说明该类型冒口能够有效的解决缩松、夹渣以及气孔缺陷。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，依次包括如下过程：1）根据半环形内缸铸件的结构，将半环形内缸铸件沿轴向划分为便于计算不同部位模数的若干段,并依次将各段标记为段一—段n；2）从段一开始计算各段的模楼，按段一沿半环形圆周各弧段部位的壁厚不同,将段一进一步分为便于模数计算的不同弧段，各段的模数分别记为Ｍ11—M1m，并取各段模数的最大值Ｍ0，计为Ｍ0＝Ｍax（Ｍ11—M1m）；3）根据上步中段１各弧段模数的计算结果，在段一的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一，所述冒口一为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，所述冒口一的模数设为Ｍ1，取Ｍ≥1.2Ｍ0计为公式1；半圆柱形冒口的理论模数为：Ｍ柱＝V/S=πRd/[2(πR+πd+2d)]计为公式2其中，Ｖ为半圆柱的体积，Ｓ为半圆柱的表面积，Ｒ为半圆柱的半径也就是铸件内腔弧面的半径，d为冒口沿半圆柱轴向的厚度;为延长冒口的凝固时间，在冒口沿半圆柱端面的外侧设置保温层，所述保温层的保温系数Ｋ为1.3—1.4，此时冒口一的实际模数为Ｍ1＝ＫＭ柱计为公式3，将公式2代入公式3得到：Ｍ1＝ＫRd/[2(πR+πd+2d)]，计为公式4，再将公式4代入公式1得到冒口一厚度d的最小值dmin,d的实际取值按1—1.1倍dmin计，从而确定冒口一的尺寸；4）在冒口一的顶部设置冒口二，以提供铸件型腔及冒口一的补缩液，冒口二的长度为2R，宽度为d，高度为H，冒口二宽度方向的两端为半圆柱形，所述冒口二的补缩液量m大于段一和冒口一的总钢水量m1， m按下式确定：m=1.353*[（14‑ε）/ε]*v*ƿ计为公式5，其中单位为kg；ε——体收缩率，钢水的取值按5计；ρ——钢水密度，取7.83t/m3 ，v—冒口二的体积；冒口二的体积v =（2Rd‑0.215d2）H*10‑6，单位为m3,计为公式6，将公式6代入公式5，得到m=34.67*（2Rd‑0.215d2）H*10‑6＞m1，换算得出H＞106 m1/(69.34Rd‑7.45d2)，计为公式7，此式中m可以根据段一和冒口一计算得到，从而确定Ｈ的最小值Hmin，所述冒口二的实际高度为1—1.1倍Hmin，；５）重复步骤2）—４）分别设计计算段二—段3的冒口。...

【技术特征摘要】
1.一种大壁厚半环形内缸铸件的冒口设计方法，其特征在于，依次包括如下过程：1）根据半环形内缸铸件的结构，将半环形内缸铸件沿轴向划分为便于计算不同部位模数的若干段,并依次将各段标记为段一～段n；2）从段一开始计算各段的模数，按段一沿半环形圆周各弧段部位的壁厚不同，将段一进一步分为便于模数计算的不同弧段，各段的模数分别记为Ｍ11～M1m，并取各段模数的最大值Ｍ0，计为Ｍ0＝Ｍax（Ｍ11～M1m）；3）根据上步中段一各弧段模数的计算结果，在段一的半圆弧形内腔设计垂直向上的冒口一，所述冒口一为与内腔弧面相配的半圆柱形冒口，所述冒口一的模数设为Ｍ1，取Ｍ1≥1.2Ｍ0计为公式1；半圆柱形冒口的理论模数为：Ｍ柱＝V/S=πRd/[2(πR+πd+2d)]计为公式2，其中，Ｖ为半圆柱的体积，Ｓ为半圆柱的表面积，Ｒ为半圆柱的半径也就是铸件内腔弧面的半径，d为冒口沿半圆柱轴向的厚度；为延长冒口的凝固时间，在冒口沿半圆柱端面的外侧设置保温层，所述保温层的保温系数Ｋ为1.3～1.4，此时冒口一的实际模数为Ｍ1＝ＫＭ柱计为公式3，将公式2代入公式3得到：Ｍ1＝ＫπRd/[2(πR+πd+2d)]，计为公式4，再将公式4代入公式1得到冒口一厚度d的最小值dmin，d的实...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉利，郭小强，马涛，程亚军，
申请(专利权)人：共享铸钢有限公司，
类型：发明
国别省市：宁夏;64