紫铜结晶器低压铸造工艺规程的设计

度为 ９ ０ ０ ℃。 当作用于密封坩埚 内 液 态 金 属 液 面 上 的 气 体 压 力 使液态金属沿升液管向上运动 ， 为使液态金属在升液管 中流动平稳 ， 则应使其 处 于 层 流 状 态 ， 其升液速度应小 于某一临界值 ， 即Ｖ升 ＜ Ｖ临
［ ９］
Ｖ充 ≥ Ｖ 充ｍ ｉ ｎ。
随着 Ｖ 充 的增大 ， 金属液在工作型腔内流动时的 雷 诺数 Ｒ 流 态 会 逐 渐 变 化， 即紊乱程度逐 ｅ 将随 之 增 大 ， 渐增加 ， 所以从保证铸 件 质 量 的 角 度 考 虑 ， 存在一个最 大允许的雷诺值 Ｒ 则 Ｖ 充ｍａ ｅ ｍ ａ ｘ， ｘ可由以下公式来确定 ：
Ｖ升 ＝
（ ） ２
３ ／ ； 式中 ， ｃ ｍ ｈ 为升液管内液面与 ｇ ρ 为 金 属 液 的 密 度，
坩埚内液面的高度差 ， ｍｍ； ｐ 为作用于坩埚内金属液面 。 上的气体压力 ， ＭＰ ａ 除此之外 ， 在升液 初 期 ， 升液管内金属液的紊乱程 度还与升液管下端 和 坩 埚 底 部 的 距 离 有 关 。 经 过 计 算 ／ 。 选取 Ｖ 升 为 ３ ０ｍｍ ｓ 常见的升液管的结 构 形 式 大 致 分 为 直 筒 形 和 带 锥 形过渡段两类 ， 设计选 择 倒 锥 口 升 液 管 与 铸 型 连 接 ， 这 种结构具有适当延长铸件浇口可凝固长度的能力
。
该临界值可由下式确定
Ｖ临 ＝
Ｒ ｅ临υ ｄ
（ ） １
式中 ， ｄ 为 升 液 管 内 径， ｃ ｍ； υ 为 液 态 金 属 运 动 粘 度，
２ ／ ； ｃ ｍ ｓ Ｒ ｅ临 为低临界雷诺数 。
Ｖ 充ｍａ ｘ ＝
Ｒ ｅｍａ υ ｘ ４ Ｒ
（ ） ４
式中 ， Ｒ 为型腔的水力学半径 。
／ 通常 ， Ｖ 临 控制在小 于 １ ５ｃ ｍ ｓ的 范 围 内 。 处 于 层 流状态的液态金属在 升 液 管 中 运 动 时 ， 液 面 平 稳， 所以 卷入空气及氧化膜的机会很少 ， 并且有利于液面上的氧 化膜及浮渣粘附到管壁上 ， 起到一定的除渣作用 。 一般 来说 ， 升液速度 Ｖ 升 与坩埚内液面加压速度成正比 ， 即 ｄ ｈ １ｄ ｐ ＝ ｄ ｔ ρｄ ｔ
［ １ ０］
。
在一般情况下 ， 生产上用的升液管出口面积比计算 值都大得多 ， 这不仅是 为 了 保 证 充 型 平 稳 ， 同时也为了 与铸型浇口吻合 。 如果升液管出口面积太小 ， 不仅要增
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紫铜结晶器低压铸造工艺规程的设计 夏 翔 等 结构特点 、 铸型种类并通过生产实践来确定 。 砂型浇注 增压压力控制 在 ０． 金属型浇 时， ０ ３～０． ０ ５ ＭＰ ａ之 间， 。增压压力采用下面的公式 注时 ， 取 ０． ０ ５～０． ０ ７ ＭＰ ａ 计算 （ ） ６ ｐ增 压 ＝ ｋ ｐ充 １ 式中 ， 对 于 金 属 型 砂 芯 及 干 砂 型， ｋ ｋ １ 为 增 压 系 数， １＝ 增压压力可取 １． ３～１． ５。 薄壁干砂型或金属型干砂芯 ， ， 。 设计选取为 ０． ０． ０ ５～０． ０ ８ ＭＰ ａ ０ ８ ＭＰ ａ （ ） 保压时间 ５ 保压时间与铸件 的 壁 厚 、 结 构 及 浇 口 形 状、 液态金 铸型的温度 、 热导率及冷却条件 、 坩 属的热导率及温度 、 底型的直浇道处的热阻及热容等 埚内液态金属的存量 、 诸多因素有关 。 生产实践认 为 ， 使铸件凝固后浇口残留长度为４ ０ 或铸件与内浇口 连 接 处 无 缩 孔 时 的 保 压 时 间 较 为 ｍｍ， 合适 。 但是在间歇式 生 产 、 连 续 生 产 的 初 始 阶 段 里， 上 述影响因素中有许多 是 在 波 动 、 变 化 着 的， 因此仅靠经 验是很难将保压时间控制得恰到好处的 。 生产上保压时间一般先取参考值 ， 然后再根据具体 的试验加以修正确定 。 经软件模拟修正后 ， 设计的保压 。 时间确定为 １ ２ ０ｓ （ ） 浇注温度 、 模具温度和铸型温度 ６ 为了得到结晶细小的组织 ， 应该使浇注温度和模具 温度控制在 最 低 限 度 ， 但如果浇注温度和模具温度太 件来说 ， 很容易出现 冷 隔 等 缺 陷 。 所 以 ， 从充型的要求 看， 希望能将浇注温度和模具温度控制得高一些 。 铸型的温度也直接影响着铸件的成形和结晶组织 ， 也要依据铸型种类 、 铸 件 结 构 特 点、 合金类型来合理选 择 。 非金属型 （ 如砂型 、 石墨型的型温一般为室温或预 。 金属 型 型 温 的 确 定 以 金 属 型 铸 造 热至 １ ５ ０～２ ０ ０ ℃） 方法为参考 。 由于紫 铜 熔 点 在 １ 浇注温度一般在 ０ ８ ３ ℃ 左 右， 用 普 通 的 电 阻 炉 或 油 炉 熔 炼 不 合 适， 选 １ １ ５ ０ ℃左 右， 用焦炭炉熔化 ， 除渣去气脱氧处理完后 ， 把整个炉 （ 连同 处理好的存铜液的坩 锅 ） 吊放 到 一 个 压 力 罐 中， 而后用 一个带有升 液 管 的 上 盖 ， 把压力罐上口用硅橡胶圈密 封， 并用 Ｕ 形 楔 铁 锁 紧 ， 放上预热好的升液管及铸型 后， 可进行低压铸造生产 。 应用计 算 机 模 拟 软 件 技 术 对 工 艺 参 数 进 行 了 验
２． ２ 紫铜结晶器的低压铸造工艺设计源自文库由铸件工 艺 结 构 ， 设计的低压铸造工艺简图见图 其工作过程为 ： 铸型 安 放 在 密 封 坩 埚 的 上 方 ， 当往坩 ２， 埚中铜液表面上方通进干燥的压缩气体或惰性气体时 ， 铜液在气体压力作用 下 ， 沿 升 液 管 上 升 进 入 型 腔， 随后 是充型阶段 ， 铜液由铸 型 下 部 向 上 充 填 型 腔 ， 型腔中的 空气和充型过程所产 生 的 气 体 被 排 挤 通 过 铸 型 上 端 的 排气道 （ 图中未注出 ） 进入大气 。 待铸件凝固完毕 ， 关闭 通过坩埚的气阀 ， 同时 打 开 排 气 阀 ， 解除坩埚内铜液面 上的气体压力 ， 升液 管 中 尚 未 凝 固 的 铜 液 流 回 坩 埚 中 ，
压 力 铸 造
特种铸造及有色合金 ２ ０ １ ０ 年第 ３ ０ 卷第 １ １期
紫铜结晶器低压铸造工艺规程的设计
夏 翔 谢世坤 金曼曼 周太平 （ 井冈山大学工学院 ）
摘 要 研究了低压铸造紫铜结晶器工艺设计方法 ， 从铸型 种 类 选 择 、 升 液 管 设 计、 低压铸造工艺参数设计等方面进行了 、 ／ ， ， 探讨 。 紫铜结晶器低压铸造合理的工艺参数 ： 充型压力 、 充型速度分别为 ０． 结壳时间为２ 增压压 ０ ６ ＭＰ ａ １ ０ ０ ０ｍｍ ｓ ５ｓ ， ， 力为 ０． 保压时间为 １ 浇注温度为 １ 铸型温度为 １ ０ ８ ＭＰ ａ ２ ０ｓ １ ５ ０ ℃， ５ ０～２ ０ ０ ℃。 关键词 低压铸造 ； 紫铜 ； 结晶器 （ ） 中图分类号 Ｔ Ｇ ２ ４ １； Ｔ Ｇ ２ ４ ９． ２ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－２ ２ ４ ９ ２ ０ １ ０ １ １－１ ０ ２ ７－０ ３ ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ８ ７ ０ ｔ ｚ ｚ ｚ ． ２ ０ １ ０． １ １． ０ １ ５
４～６］ 。 然后打开铸型取出铸件 ［
１ 紫铜结晶器传统铸造方法存在的问题
目前电渣重熔技术已经成熟 ， 低压铸造在有色金属 但在铜合 特别是铝合金等轻合金上的应用也十分广泛 ， 金特别是在紫铜结晶 器 的 制 造 等 方 面 的 应 用 的 报 道 却 很少 。 电渣熔铸紫铜 结 晶 器 目 前 传 统 的 铸 造 方 法 是 采 用普通砂型铸造工艺 ， 易产生缩孔 、 缩松等铸造缺陷 ， 成 品率很低 ， 在电渣熔铸 过 程 中 极 易 变 形 漏 水 ， 大大增加 因 此， 有必要探索一种新 电渣熔铸结晶器的制 造 成 本 ， 的电渣熔铸紫铜结晶器制造方法 ， 以推动电渣熔铸铸件
７， ８］ ， 由于紫铜 的 熔 点 高 ， 设 计 选 用 陶 瓷 升 液 管［ 预热温
加金属液在型腔里的 线 速 度 ， 产 生 涡 流 飞 溅， 导致铸造 而且还给扒渣 、 清理 、 喷涂等操作带来不便 。 目前 缺陷 ， 生产上常用的升液管内径一 般 为 （ 出口 ６ ０～８ ０）ｍｍ， 处的直径一般 ≥ 出口处面积取为 ３ ０ ｍｍ。 经 计 算 后 ，
２ 。 考虑到紫铜熔点高 ， 浇注温度比一般铝合金 ９ ０ ０ｍｍ
故升 液 管 也 更 粗 些 。 设 计 选 取 升 液 管 的 内 径 为 更高 ， 外径为 ９ ７ ０ｍｍ， ０ｍｍ。 ２． ２． ３ 紫铜结晶器低压铸造工艺参数设计 由于紫铜的密度 大 、 熔 点 高， 和铝合金低压铸造相 比， 所需的升液压力 、 充 型 压 力、 保 压 时 间、 充型温度等 试验所要求的条件更高 。 工艺参数都较大 ， （ ） 充型压力 ｐ充 １ 可依帕斯卡原理确定 ： （ ） Ｈ ３ ｐ充 ＝ μ ρ 式中 ， Ｈ 为型 腔 顶 部 与 坩 埚 中 金 属 液 面 的 距 离 ， ｃ ｍ； μ 为充型阻力系数 ， 一般取 １． ２～１． ５。 （ ） 充型速度 Ｖ 充 ２ 恰当的充型速度 Ｖ 充 应满足下面的不等式 ： Ｖ 充ｍａ ｘ＞
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特种铸造及有色合金 ２ ０ １ ０ 年第 ３ ０ 卷第 １ １期 结晶 、 保压阶段 ， 铸型承受的压力较普通重力铸造大２ 甚至更 多 ， 因此铸型用材料就必须能够承受液 ～３ 倍 ， 结晶 、 保压时 的 压 力 ， 否 则 就 会 引 起 铸 件 变 形， 体充型 、 使尺寸精度难以保证 。 考虑到电渣熔铸紫铜结晶器属于单件小批生产 ， 且 铜的浇注温度较高 ， 不 适 合 采 用 金 属 型， 所以选择使用 干模砂型铸造 。 除了经济实用 ， 还可以保证铸件尺寸精 度和表面质量 。 ２． ２． ２ 升液管的设计 升液管应保证液态金属在上升过程中流动平稳 ， 不 致引起液态金属的 氧 化 和 吸 气 从 而 保 证 铸 件 质 量 。 此 外， 升液管的工作条件 较 为 恶 劣 ， 长期浸泡在高温的金 并承受金属液 的 冲 刷 和 侵 蚀 ， 还得起到较好的 属液中 ， 引导金属液进入铸型 的 作 用 ， 所 以 必 须 设 计 形 状 合 适、 工作寿命长 、 工作性能优越的升液管 ， 以保证铸件质量 。
； 收稿日期 ： 修改稿收到日期 ： ２ ０ ０ ９ １ ２ ２ ２ ２ ０ １ ０ ０ ３ ２ ０ － － － － ） ， ： 第一作者简介 ： 夏翔 ， 女， 教授 ， 井冈山大学工学院 ， 江西吉安 （ 电话 ： １ ９ ６ ６ 年出生 ， ３ ４ ３ ０ ０ ９ １ ３ ９ ７ ０ ４ ６ ０ ４ ５ １， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ｉ ａ ｘ １ １ １ ７＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ
２． １ 铸件工艺结构分析 所设计的结晶器结构见图 １， 冷却 水 道 与 结 晶 器 一 体成型 。
图 ２ 紫铜结晶器低压铸造工艺原理简图
罐体 ２． 炉体 ３． 坩埚 ４． 升液管 ５． 密封圈 ６． 砂箱 ７． 铸型 １． 型芯 Ａ ９． 型芯 Ｂ ８．
图 １ 结晶器的结构示意图
Ｖ 充ｍ Ｍ 卡尔公式来确定 ： ｉ ｎ可由 Ｈ． ｈ铸 Ｖ 充ｍ ． ２ ２× 槡 ｉ ｎ ＝０ ｔ 浇 ｌ ｎ δ· ３ ８ ０
（ ） ５
式中 ， 最小允许） 平均上升 Ｖ 充ｍ ｉ ｎ为金属 液 在 铸 型 中 的 （ ， ／ ； 速度 （ 沿铸件高度 ） ｃ ｍ ｓ ｈ铸 为铸件高度 ， ｃ ｍ； δ为铸件 壁厚 ， 设计充 ｃ ｍ； ｔ ℃。根 据 计 算， 浇 为铜液的浇 注 温 度 ， ，充型速度 Ｖ 充 取 １ ／ 。 型压力 ｐ充 取 ０． ０ ６ ＭＰ ａ ０ ０ ０ｍｍ ｓ （ ） 结壳时间 ３ 对于有一定壁厚的铸件 ， 采用干砂型或金属型干砂 型进行低压铸造时 ， 充 型 结 束 后， 必须有一段压力保持 ， 。 不变的结壳时间 ， 一般为 １ 设计选取 ２ ５～３ ０ｓ ５ｓ ） （ 增压压力 ４ 金属液充满型腔 后 ， 为 了 防 止 铸 件 出 现 缩 孔、 缩松 等铸造缺陷 ， 应迅速使坩埚内的压力达到铸件的增压压 从而使金属液在增压压力下凝固 ， 并及时补缩凝固 。 力， 实践证明 ， 增压压力越高 ， 铸件组织越致密 ， 然而过大的 压力会使铸件产生胀箱或铸件粘砂等缺陷 ， 影响铸件尺 寸精度和表面光洁度 ， 因此增压压力的大小应根据铸件
１～３］ 。 的发展 、 降低电渣熔铸的成本 ［
２． ２． １ 铸型种类的选择 低压铸造所适用的铸型有金属型 、 砂型 、 石墨型 、 陶 瓷型 、 石膏型 、 熔模 的 型 壳 、 实 型 等。 低 压 铸 造 时， 铸件 充型 、 结晶 、 保压是在一定压力下完成的 ， 尤其是铸件在
２ 紫铜结晶器低压铸造工艺设计