一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法

摘要

一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清理冒口上部2/3的侧面的砂型；在冒口上方和暴露的侧面布置水雾喷头或风机，启动水雾喷射和或开启风机，对冒口上表面和侧面进行喷雾或强制风冷，直至铸件冷却到要求的落砂温度；本发明可实现铸件厚大部位的加速冷却，缩短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时降低铸件的温度不均匀性，有助于降低铸件的应力、变形和裂纹倾向。

权利要求

1.一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，其特征在于，包括以下步骤：一、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清理冒口上部2/3的侧面的砂型；二、在冒口斜上方布置水雾喷头或风机，使作用范围完全覆盖冒口上方和暴露的侧面，启动水雾喷射或风机，对冒口上表面和侧面进行冷却，使铸件表面的对流换热系数在2

100～1500W/mK范围，直至铸件冷却到要求的落砂温度；采用风机冷却时，作用到铸件冒2

口表面的风速大于3m/s；采用水雾冷却时，到达冒口表面的水流密度为大于1kg/ms，水流冲击速度大于3m/s。

2.一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，该大型铸钢件是一种大型水轮机叶片，叶片呈X型空间曲面，尺寸为：4687×4268×1753mm，其特征在于，包括以下步骤：一、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口(3)上表面保温材料，使冒口(3)上表面充分暴露，清理冒口(3)上部2/3的侧面的砂型；二、在冒口(3)上方布置8个水雾喷头和周围20个水雾喷头，距离冒口(3)表面0.5m，开启水雾喷头(5)，连续喷雾，到达暴露冒口(3)表面的水流密度为2

3kg/ms，水流冲击速度3m/s对冒口(3)上表面和侧面强制冷却，喷雾冷却时间260h，直至铸件(1)冷却到要求的落砂温度80℃。

说明书

一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大型铸钢件铸造技术领域，特别涉及一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法。

背景技术

[0002] 大型铸钢件是指毛量大于等于5t的铸件，大型铸钢件铸造过程中冷却缓慢，尤其是冒口补缩部位的厚大部位，使得铸件在砂型中的保温时间长，如很多大型铸钢件在砂型中的冷却时间在1个月甚至1个月以上，同时薄壁部位和厚大部位的温差大，易导致应力和变形或裂纹。这方面至今还没有解决的方法。通常，在铸造工艺方面主要有采用外冷铁、内冷铁和冷却能力较强的面砂来加强铸件的局部冷却，这些措施是为了从铸件到冒口形成温度梯度，以利于铸件补缩，从而减小缩孔缩松缺陷。而这正是造成铸件凝固后铸件温度分布不均匀，冷却时间长的原因。

[0003] 对于厚薄空心回转体铸件的内壁粘砂问题或球铁件冷却速度慢球化衰退问题，有人提出在砂芯中布置风冷管道在铸件浇注后即进行强制冷却的方法和装置。该技术针对特定形状的铸件，目的也仅是厚壁部位的粘砂问题。有人对于深入砂型内部接触铸件侧面的压缩空气或冷却水的方法进行了模拟计算和对组织的分析，并应用于一重铸件生 产，目的是保证从铸件到冒口的温度梯度，实现顺序凝固，保证补缩，消除凝固过程中的缩孔缩松缺陷。这些措施都是解决铸件凝固过程中的问题，不是解决铸件凝固后的冷却缓慢问题，也不涉及加速铸件核心热节的冷却问题。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，对冒口上表面和侧面进行喷射水雾、强制风冷或二者同时进行，实现铸件厚大部位的加速冷却，缩短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时降低铸件的温度不均匀性，有助于降低铸件的应力、变形和裂纹倾向。

[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，包括以下步骤：

[0006] 1、当铸件凝固结束后，清理铸件冒口上表面保温材料，使冒口上表面充分暴露，清理冒口上部2/3的侧面的砂型；

[0007] 2、在冒口斜上方布置水雾喷头或风机，使作用范围完全覆盖冒口上方和暴露的侧面，启动水雾喷射或风机，对冒口上表面和侧面进行冷却，使暴露冒口表面的换热系数在2
100～1500W/mK范围，直至铸件冷却到要求的落砂温度；采用风机冷却时，作用到铸件暴露冒口表面的风速大于3m/s；采用水雾冷却时，到达冒口暴露表面的水流密度大于1kg/
2
ms，水流冲击速度大于3m/s。

[0008] 本发明使大型铸钢件凝固时起补缩作用的冒口在铸件凝固后的冷却过程中快速冷却，从而缩短铸件厚大部位与其它部位的温差，缩短铸件在砂型中的冷却时间，提高生产效率，同时也有助于从整体上减小大型铸钢件铸造过程中的裂纹倾向和变形。

附图说明

[0009] 图1是实施例一的应力框试件的结构图，其中：图1(a)是主视图；图1(b)是侧视图。

[0010] 图2是铸件凝固后冒口强制冷却示意断面图，其中图2(a)是采用风机冷却；图2(b)是采用水雾喷头冷却。

[0011] 图3是实施例一的应力框试件在666min时的温度分布效果图，其中：图3(a)是采用本发明方法的温度分布效果图；图3(b)是未采用本发明方法的温度分布效果图。 [0012] 图4是实施例一应力框试件温度均匀性效果图。

[0013] 图5是实施例一应力框试件采用本发明的粗细杆应力效果图。

[0014] 图6是实施例二大型水轮机叶片铸件结构图，其中：图6(a)是铸件的主视图；图6(b)是铸件的右视图；图6(c)是铸件的俯视图。

[0015] 图7是实施例二大型水轮机叶片采用本发明的温度均匀性效果图。 [0016] 图8是实施例二大型水轮机叶片落砂时刻的温度均匀性效果图，其中：图8(a)是采用本发明方法的温度均匀性效果图；图8(b)是未采用本发明方法的温度均匀性效果图。 [0017] 图9是实施例二大型水轮机叶片的变形效果图，其中：图9(a)是采用本发明方法的变形效果图；图9(b)是未采用本发明方法的变形效果图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明的原理做详细说明。

[0019] 实施例一

[0020] 一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，包括以下步骤：

[0021] 1、一种应力框铸钢试件，其尺寸如图1所示，A部位的尺寸为：200×200×1000mm，细杆B部位的尺寸为：80×80×1000mm，粗杆C部位的尺寸为：200×200×1000mm，当应力框铸钢试件凝固结束后，清理铸件冒口3上表面保温材料，使冒口3上表面充分暴露，清理冒口3上部2/3的侧面的砂型；

[0022] 2、参照图2(a)，在两个冒口3的中间斜上方距离左右各2m处分别布置2台移动式轴流风机4，开启风机4，作用到铸件1的暴露冒口3表面的风速为5m/s，对冒口3暴露上表2
面和侧面连续进行强制风冷32小时，对流换热系数400W/mK，直至铸件1冷却到要求的落砂温度。

[0023] 本实施例的效果：参照图3，图3是所示某中间时刻采用本实施例的方法结果和未采用本方法的模拟结果对比；结果表明，采用本方法应力框温度分布更加均匀，采用本方法后粗杆C的温度、粗杆C的温度与细杆B的温度的差降低140℃，冷却时间缩短，缩短了约40％；参照图4、图5，图4是粗杆的温度和粗杆与细杆的温差随时间变化曲线对比，图5是应力框试件采用本发明后的粗杆C和细杆B应力效果，细杆B的应力变化有明显差别，采用本发明方法时，铸件冷却过程中 细杆B的最大应力值减小约10％，最终的残余应力基本相同，见粗杆C和细杆B的应力变化对比图5。从本案例可以看出采用本发明方法可大幅度地缩短铸件在砂型中的冷却时间，使温度分布更加均匀，冷却过程中的应力水平降低，这有助于减小冷裂倾向。

[0024] 实施例二

[0025] 一种加快和均衡大型铸钢件冷却的方法，包括以下步骤：

[0026] 1、参照图6，铸件为某大型水轮机叶片，叶片呈X型空间曲面，尺寸为：4687×4268×1753mm，当铸件凝固结束后，清理铸件冒口3上表面保温材料，使冒口3上表面充分暴露，清理冒口3上部2/3的侧面的砂型；

[0027] 2、参照图2(b)，在冒口3上方布置8个水雾喷头和周围20个水雾喷头，距离冒口2
3表面0.5m，开启水雾喷头5，连续喷雾，到达暴露冒口3表面的水流密度为3kg/ms，水流冲击速度3m/s对冒口3上表面和侧面强制冷却，喷雾冷却时间260h，直至铸件1冷却到要求的落砂温度80℃。

[0028] 本实施例的效果：参照图7，表明本实施例叶片冷却到落砂温度所需时间缩短40％；参照图8，使用本实施例的方法，叶片温度均匀性提了，叶片温差最大缩小了280℃；
参照图9，图9是采用本发明后得到的叶片变形和未采用本方法结果的对比，从图中可以看出，叶片尖角A点最终位移缩小5.3mm，缩小了25％。

[0029] 图中：1-铸件、2-砂型、3-冒口、4-风机、5-水雾喷头。