大型铸钢件浇注充型观测 2


图1铸件充型测量系统示意图

图1铸件充型测量系统示意图

浇注是铸件生产的第一个步骤,铸件浇注时钢液充型状况直接关系到铸件的质量。浇注不合格容易造成紊流、冲蚀铸型、冷隔、夹砂和未铸满等缺陷。铸件充型过程的研究在近年来一直是热点,实际测量和数值模拟计算是两种常用的方法。数值模拟计算被广泛应用于科研和生产,但模拟结果由于没有很好的验证一直受到怀疑。所以研究人员尝试各种实际测量的方法来研究铸件的充型过程。在这些实际测量的方法中,水力学实验被用于铸件浇注系统研究中[1-3],但是由于模型的复杂性和出于对模型制作成本的考虑,水力学实验很难在大型铸钢件中应用。在砂型前面安装高温透明观察窗则可以直接观察浇注过程中高温熔体的流动。赵忠兴[4]采用石英玻璃窗的方法观察了铝合金熔体的流动,Khodai [5]使用这种方法观察了消失模铸造中铝合金、铸铁和钢的充型。这种方法很适合对模型简单的铸件进行实验研究。近年来,由于高能量X射线的发展,这也给铸件充型过程的研究提供了一种新的方法。Kashiwai[6]和Zhao[7] 使用X射线的方法现场观察了铝合金铸件的充型流动,Li [8]也使用该方法研究了铸铁(代替Ni合金)水轮机铸件的充型流动情况。X射线的方法很适合于实验研究,但是由于铸件的尺寸和厚度,以及相关X射线设备的复杂性和成本限制,该方法难以用于产品的实际生产。Jong [9]提出了通过设置一系列通电的导线来探测熔体流动的接触时间法,并成功将该方法应用于铝合金铸件上,李锋军[10]将这种方法应用在一块平板铸铁的消失模充型实验上,并根据充型时间和距离计算出了充型速度。但是这种方法也没有能应用在铸钢件上,因为在铸钢件的实际生产中,这些设置的导线和接触点会给生产带来麻烦。

图2 铸件充型无线测量系统的关键部件图

图2 铸件充型无线测量系统的关键部件图

本文基于接触时间法提出了充型的无线测量方法,另外设计了一套基于耐高温的高速摄像观察系统。通过这两套系统研究了两个实际生产铸钢件产品的充型。

1. 测量方法及测量系统的开发

铸件充型测量采用接触时间法,即在砂型中布置钢液探测器,使探测器端部暴露在砂型内腔表面要测量的位置。钢液探测器另一端与无线信号发射器相连,当有钢液接触到钢液探测器时,无线信号发射器会记录该时刻,同时将该时刻无线传输给信号接收器。无线信号接收器与电脑相连,由电脑内的软件对时间信号进行采集和处理,并实时显示充型结果。该无线铸件充型测量原理如图1(a)所示。信号传输采用超远距离信号无线调制方式,实际传输距离超过200米,这个距离可以使实验测量人员及设备远离浇注现场,保证人员和设备安全。钢液探测器为开放的带电源的电路,探头端部为一对未闭合的电极,当其接触到钢液时,电路导通,从而使连接在该电路上的无线信号发生器工作。信号发射器和指示灯如图1(b)所示。实际成型的探测器、发射器和接收器产品如图2所示。

图3 水轮机叶片的现场测量情况

图3 水轮机叶片的现场测量情况

为了直观观察钢液的流动,在造型时预先埋入耐高温高速摄像设备,将钢液的流动直接传输到显示器进行实时显示并录制成录像。该观察系统也在图1(a)中体现。

2. 大型铸钢件的充型测量与观测

采用开发的两个铸件充型测量和观测系统对哈尔滨电机厂有限责任公司热加工事业部生产的水轮机叶片和轮毂铸件进行了充型测量与观测。
测量案例一:水轮机叶片的充型过程

图4 水轮机叶片的测量时间结果(单位: ms)

图4 水轮机叶片的测量时间结果(单位: ms)

该铸件材质ZG0Cr13Ni4Mo,外形尺寸为1460mm×1210mm×850mm,钢水重量为0.9吨,采用底注式浇注系统。充型测量选定了10个点和1个摄像位置,现场测量情况如图3所示,测量结果如图4所示。

从图4可以看出3号内浇口最先流出钢液,然后是1号内浇口、4号内浇口和2号内浇口。铸件底部由于截面小所以充型速度很快,顶部P1、P2角的充型远落后与中间的P3位置,这表明该铸件顶部的角落很难充型到,需要改进更好的排气措施,如开设通风孔等。摄像装置的观测结果如图5所示,3号内浇口比2号和4号内浇口较早流出钢液。

图5 水轮机叶片开始浇注时型腔内观测情况 测量案例二:轮毂的充型测量

图5 水轮机叶片开始浇注时型腔内观测情况 测量案例二:轮毂的充型测量

该轮毂铸件的材质为铸钢,外形尺寸为1460mm×1210mm×850mm,需要浇注钢水11.3吨,采用底注式浇注系统。在铸件的浇注系统、筋板和上法兰处一共设置了18个探测点,并在冒口顶部布置了2个摄像装置。测量结果如图6所示。

图6 轮毂铸件的充型测量结果(单位:s)

图6 轮毂铸件的充型测量结果(单位:s)

由测量结果得知,四个内浇口几乎同时流出钢液,四者之间没有明显的差别。但是出于钢液流动前方的1号和3号内浇口明显比处于后方的2号和4号内浇口充型更快,这也验证了液体充型首先是沿流动方向进行的。在大型铸钢件里面,这个现象可以忽略,但是在小型铸件中,这个现象需要被设计者考虑。根据充型的时刻,内浇口的充型速度也可以计算,大约是5m/s,钢液的这个速度极易造成对型腔内砂型的冲刷。其中一对内浇口的剖面图如图7所示,很容易看出内浇口和型腔壁之间有一段距离,这个内浇口出口宽阔型设计是正确的,同时底部法兰和四周的筋板充型也比较平稳。钢液在底部法兰的上升速度为15mm/s,在筋板和顶部法兰的上升速度分别为30 mm/s和16 mm/s。

图7 其中一对内浇口截面示意图

图7 其中一对内浇口截面示意图

顶部摄像观测系统得到的充型结果如图8所示。很明显可以看出在浇注开始时有飞溅产生,这极易给铸件造成氧化物和夹渣的缺陷。由1s处的图像可以看出钢水从2号和3号内浇口中流出更多。浇注开始时,钢液从内浇口流出,覆盖了整个底部四周后开始向底部中央回流,这个过程能够从1.09s,2s, 3s, 4s, 5s 和7s处的图像看出。然后底部被钢水覆盖的面积逐渐增加,从8s, 12s和25s处的图像可以看出。基本说来,整个充型过程比较平稳。钢液覆盖了底部中心位置后,开始出现烟雾现象,随着充型的进行,烟雾逐渐增大。浮渣也出现在了钢液表面,并随着浇注的进行,最后进入到冒口位置。

这两个案例的测量验证了两套测量系统的效果,充型无线测量系统很容易操作而且不会对生产造成影响,这两种方法都能够在实际生产中进行应用。

3. 结论

图8 轮毂铸件浇注过程摄像结果

图8 轮毂铸件浇注过程摄像结果

开发了基于电极接触点的铸件充型无线测量系统和基于耐高温高速摄像头的铸件充型观察系统。
采用该系统观测到了水轮机叶片铸件和轮毂铸件的充型情况,并测量到了多点的充型时刻以及浇注充型录像。观测结果表明沿钢液流动方向的内浇口首先流出钢液,通过记录的时间,也获得了铸件充型的速度。两个案例的研究也表明这两个系统操作方便且可靠性高,这两个系统是观察铸件充型过程和优化浇注系统的有效工具,在铸件实际生产上有广阔的应用前景。

4. 致谢

该项目得到中国国家重大科技专项(项目编号 2011ZX04014-052)和国家基础科研项目(项目编号2011CB012900)的资助。


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