灰铁和球铁的浇冒口系统

灰铁和球铁的浇冒口系统

1 浇注系统的一般叙述

1.1 液态金属在砂型中的流动特性

铁水的浇注温度比结晶凝固温度高出200℃以上，铁水在1310℃-1340℃时，运动粘度γ铁水=0.003㎝2/s，水在20℃时，γ水=0.010㎝2/s在正常浇注温度

下，铁水的运动粘度，比室温下水的运动粘度还要低，有理由认为，能应用流体力学的原理来研究铁水的充型过程。但与水、油等液体在玻璃、塑料、金属管道里流动，不尽相同，铁水在砂型中流体运动的特点：

1.型砂有透气性，铁水在多孔的型腔内运动，气体的压力可以迫使铁水流股与型壁脱离接触。在玻璃、塑料、金属管道中液体呈充满状态，而铁水在砂型中流动时，边界条件为铁水任何截面的压力（P），必须大于或等于型壁的气体压

力（Pa）即P≥P a 当 P>Pa铁水呈充满状态流动。P≤Pa时，铁水呈非充满

状态流动。这时气体会卷入型腔，发生氧化反应铁水吸气，这是不希望看见的。

2. 铁水在浇注系统流动过程中，造型材料受热产生水气、二恶英、3-4苯并芘等有机挥发物，型腔产生的大量气体形成背压，阻碍铁水充型，造成侵入性气孔。铁水冲刷型壁、砂芯，冲刷过程产生化学反应，形成夹杂物等铸件缺陷。

2.冲型过程是不稳定过程，铁水充型及型腔气体背压，随铁水不断注入发

生变化。计算浇注系统时，把变量视为为恒量，简化计算工作量。

1.2 灰铁、蠕铁、球铁停止流动的机理

灰铁、蠕铁、球铁，都是铁碳合金，流动性与合金化学成分关系密切。从铁碳平衡图可以看出，共晶成分铁水流动性最好。在相同温度下，铁水的流动性，球铁>蠕铁>灰铁，因为CE值是球铁>蠕铁>灰铁。铁水停止流动的机理是温度降低以后铁水产生结晶凝固。除共晶点外，铁水的凝固都在一个较宽的温度区间内。

另外，残余镁量过高铁水氧化膜增多，降低流动性。少量稀土能降低铁水表面氧化膜结膜温度，使流动性提高。Mg、RE是强烈的脱氧、脱硫、去气的元素，净化铁水减少外来结晶核心，提高铁水的过冷度。因此相同温度下，球铁的流动性优于灰铁。

1.3铁水流动状态的估计

层流和紊流是粘性液体二种不同的流动状态。液体流动状态取决于雷诺数。

νd 4νd

圆形管道：Re= ————非圆形管道：Re= ————

γγ

Re>2320是紊流；Re<2320是层流。13800>Re>2320是混合状态，多数为紊流。铁水在浇注系统中基本上呈紊流状态。

1.4 浇注系统的功能

一.美国魁北克钛铁公司著名专家卡塞教授提出：浇注系统三大功能

1.将铁水引入型腔；

2.挡渣撇渣；

3.排出型腔内气体。

美国宾夕法尼亚大学格林塞尔维亚教授提出，

①铁水在浇注系统中紊流程度最低；以避免铁水氧化、卷入气体和熔渣、

冲蚀铸型和砂芯。②在金属内部建立向冒口方向顺序凝固的温度梯度；

②浇注系统足够大，满足平稳快速充型需求，同时考虑工艺出品率。

二.华中科技大学李魁盛教授综合国内外研究者的观点，提出

1.内浇口的位置、个数应符合铸件凝固顺序。

选择同时凝固，应保证铸件各部温度均匀。以使内应力最小；

选择顺序凝固，应保证铸件向冒口逐渐凝固，避免缩孔、缩松。

2.建立必要的压力头，平稳快速充型，避免冷隔、浇不足；

3.浇注系统中紊流程度最低，避免卷入气体、熔渣、铁水吸气、氧化。

4.应使铁水平缓进入型腔，防止铁水飞溅和冲蚀型壁、砂芯。

5.具有良好的挡渣能力，防止铸件产生渣孔；

6.型内金属液面有足够的上升速度，以免产生夹砂、皱皮、冷隔等缺陷。

7.不应破坏冷铁、芯撑的作用。

8.减少浇注系统金属消耗，减少砂型体积，减少造型工作量；

9.尽可能减少清理工作量，考虑模板制作方便。

2.铁水充填浇注系统

2.1 外浇口、直浇口、直浇口与横浇口的连接

1.普通的漏斗形浇口杯，只能起到承接浇包铁水和便于浇注的作用。它的弊病是出现水平旋涡。铁水不可能100%对准直浇口中心，某一流股偏离中心距离为r，旋转切线流速为V，按动量矩守衡原理，V·r = 常数，据分析r越小，质点离心加速度（ω2·r=V2/r）越大，使得ω2r与重力加速度g的合成加速度J 的方向接近水平，铁水等压面由水平过渡为垂直，在直浇口中心形成中空漏斗形液面。这样，熔渣和空气被卷入浇注系统内。针对本公司情况，解决办法①铁水包浇注口距离浇口杯越近，产生水平旋涡的危害越小。②浇口杯底部放置过滤网，

2.直浇口铁水流动时，如何防止吸入气体。在这方面学问很大，争论也很大。这里主要牵涉到流体力学方程与型砂通道的条件是否吻合的问题。

3.直浇口与横浇口的连接，直浇口下部的凹窝尺寸与作用，综合卡塞和铸造手册的观点如下：①凹窝比平面有减缓铁水冲击的作用；②减少紊流程度和吸气倾向。凹窝尺寸：直径=1.5倍直浇口，直浇口和横浇口的连接处，避免尖角。

2.2 横浇口与内浇口的挡渣作用原理

1. 对横浇口有三大要求：①承接和分送铁水；②挡渣和撇渣；③降低紊流程度，防止二次氧化。

A 能起挡渣作用

B 不能起挡渣作用

上图为横浇口挡渣示意图，A图熔渣一面上浮，一面做水平运动。渣团到达内浇口附近，处于内浇口吸动区之外，渣团将到达横浇口顶部，或进入横浇口末端延长段顶部。不会从内浇口进入型腔。横浇口担当起挡渣作用。B图由于内浇口吸动区扩展到横浇口顶部，渣团从内浇口吸动区进入型腔，不能起挡渣作用。

由于铁水在横浇口里的流动，基本处于紊流，所以渣团的悬浮运动十分复杂，但可以得出以下结论：①渣团直径越小，上浮速度越慢；②只有大于临界直径的渣团才有可能上浮。③渣团比重越轻，越有利于熔渣上浮；④横浇口中铁水实际流动速度低，横浇口才可能挡住更小直径的熔渣。⑤横浇口不可能百分之百的阻挡所有铁水中的熔渣。

根据理论分析，横浇口发挥良好挡渣作用的充要条件:为：

1．横浇口、内浇口应呈充满状态（内浇口横截面积如果大于横浇口截面积，就不存在充满状态）。横浇口呈充满状态是挡渣的必要条件之一。

2．横浇口里的铁水流速必须尽可能的低。计算表明直径1mm的渣团上浮速度为0.37米/ 秒，只有直径较大的渣团才有可能浮起并被捕获。

要求横浇口断面积很大，将消耗更多的金属，经济上不可行。

3.内浇口、横浇口、直浇口应有正确的关系：

①第一个内浇口与直浇口应有足够的距离，以便渣团在横浇口内移动一定

距离让渣团浮起，越过内浇口吸动区。

②横浇口应有足够长的末端延长段，原因是铁水流到末端时速度减慢产生

背压，会将渣团向最末内浇口方向推挤，通过吸动区进入型腔。

③横浇口与内浇口的位置十分重要，对于封闭式浇注系统，内浇口放置在