球墨铸铁件浇注系统的优化设计

球墨铸铁件的生产过程中，铁液需要进行球化处理和孕育处理，处理后温度下降较大，所以要求大流量迅速浇注。因此，要求浇注系统具有两个功能：①能够大流量输送铁液；②具有比灰铸铁更好的挡渣能力。球墨铸铁件浇注系统常采用封闭式浇注系统，使充型平稳，并具有较强的挡渣能力，其组元的截面面积比例关系见表4⁃49。

表4⁃49 球墨铸铁件浇注系统各组元的截面面积比例关系

球墨铸铁件浇注系统的设计方法分为两种，即公式法和查表法。

1.公式法

以阿暂公式为基础求解系统中阻流截面面积，即。式中G取铸件重量的1.2～1.4倍，流量损耗系数μ的选取可分两种情况：湿型取0.35～0.50，干型取0.41～0.60。浇注时间t（s）按下式计算：

式中 G——铁液浇注总重量（kg）。

对于大型球墨铸铁件也可以按图4⁃17来查得浇注时间。

图4⁃17 大型球墨铸铁件的浇注时间

阻流截面面积求解出后，其他组元的截面面积、浇道数量和浇道尺寸等设计内容可按灰铸铁件的设计方法设计。

2.查表法

查表法包括常规方法和大孔出流法。

（1）常规方法 球墨铸铁件浇注系统中各组元的截面面积和尺寸见表4⁃50和表4⁃51。

表4⁃50 浇注系统中各组元的截面面积

（续）

表4⁃51 浇注系统中各组元的截面尺寸

（2）大孔出流法 先按表4⁃52选取浇注系统的流量损耗系数和截面面积比，该表是铸造工艺设计人员和研究人员长期工作经验的总结。选取后再按灰铸铁件大孔出流法设计球墨铸铁的浇注系统，直到满意为止。也可以按表4⁃53选取内浇道截面面积，然后按灰铸铁件浇注系统的设计方法设计其余部分。

表4⁃52 球墨铸铁件浇注系统的参数

表4⁃53 球墨铸铁件大孔出流法内浇道的截面面积 （单位：cm²）

（续）

3.型内球化设计

型内球化是20世纪70年代发展起来的球化工艺，方法是将球化剂放置到浇注系统中的反应室，与流经反应室的铁液反应后使铁液得到球化处理，如图4⁃18所示。反应室的入口与出口布置方案如图4⁃19所示。几种类型反应室的侧视图如图4⁃20所示。

图4⁃18 型内球化处理工艺

1—直浇道 2—入口 3—反应室 4—出口 5—集渣包 6—缩颈浇道 7—横浇道

图4⁃19 反应室的入口与出口布置方案

图4⁃20 几种类型反应室的侧视图

型内球化设计主要是反应室设计，包括以下步骤：

（1）求解浇注速度 可根据铸件的重量G与铸件的浇注时间t来求解，以便进行下一步计算。浇注速度v公式为

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（2）反应室截面面积的求解 根据Mc.Caulay公式，利用球化剂的溶解系数值，计算出反应室截面面积A，该面积为水平截面的面积。反应室截面面积A（cm²）的计算公式为

式中 v——浇注速度（kg/s）；

f——球化溶解系数[kg/（s·cm）]。

（3）计算球化剂的堆积高度 可根据球化剂的加入量和反应室截面面积进行求解，反应室中球化剂的堆积高度H_堆（cm）的计算公式为

式中 V_球——球化剂体积（cm³）。

（4）反应室深度 反应室深度一般为堆积高度加上反应室的上部空间，再加上反应室内铁液的进口高度。反应室上部空间就是反应室的反应空间，一般取1.27cm。进口高度一般取2.54cm。

（5）反应室的长度和宽度 即反应室水平截面的长度和宽度，可根据水平截面面积求出。反应室的结构应该满足两个要求：①必须使铁液稳定地在球化剂上流过，以便于球化剂能逐渐地与铁液发生球化反应；②必须使铁液带入到型内的未反应的球化剂保持最低限度。因此在反应室的设计和实际工程应用中，应注意以下几点：

1）应避免流入反应室的铁液剧烈的冲击反应室的某一固定位置。

2）应避免铁液以大于20mm的落差流入反应室，反应室的出口应高于反应室的入口，如图4⁃20所示。

3）反应室出口截面面积应至少比入口截面面积小10%，以形成阻流，促进球化剂的溶解。

4）如果可能，尽量不将入口和出口设置成一条直线，如图4⁃19所示，以迫使铁液流出出口之前，在球化剂上部形成一定的环流。

一般情况下，反应室可设在下型，入口也在下型，出口在上型，如图4⁃21所示。大件及一箱多件可采用双反应室结构，也可以采用台阶式结构。

图4⁃21 型内反应室的布置及与分型面的关系

1—直浇道 2—反应室

4.球墨铸铁浇注系统设计的示例

选取主轴缸体的浇注系统设计来说明球墨铸铁浇注系统的设计过程。

主轴缸体的材料牌号：HT600⁃3，铸件重量：400kg，浇注重量：430kg，最大轮廓尺寸：530mm×530mm×672mm，铸件最大壁厚δ_max：120mm，最小壁厚δ_min：50mm。铸件技术要求：水压试验压力为25MPa，持续10min无渗漏。

工艺方案如图4⁃21所示。按照均衡凝固顶注优先，冒口靠边的原则，采用半封闭式浇注系统，一侧内浇道搭边，另一侧设置一个侧冒口溢流、补缩。设计过程如下：

1）直浇道有效高度：H_直=H_砂箱+H_杯=150mm+50mm=200mm。

2）浇注时间t：采用平均值计算法计算，。

3）浇道截面面积比：根据表4⁃52选取ΣA_直∶ΣA_横∶ΣA_内=1∶2∶1，同时查得μ_直=0.65，μ横=0.65，μ内=0.60。

4）计算k₁、k₂：

5）计算平均压头h_p：

6）计算内浇道截面面积：

因ΣA_内=4A_内，则A_内=21cm²/4=5.25cm²，再查表4⁃51，确定内浇道的截面尺寸为38mm/42mm×12mm（扁平形）。

横浇道的截面面积A_横=ΣA_横/2=2ΣA_内/2=21cm²，再查表4⁃51，确定横浇道的截面尺寸为50mm/38mm×50mm（梯形）。

直浇道的截面面积A_直=ΣA_内=21cm²。据此选取直浇道的直径为ϕ50mm。

7）浇道充满判别：

又k₁′²=0.25，k₂′²=1.17，则有

由上式及其结果判断，浇注系统处于充满有余状态，余量是50mm。