第4章浇注系统设计

内浇道设计的基本原则 （1）内浇道在铸件上的位臵和数目应服从所选定的凝固顺序 或补缩方法 a 同时凝固：内浇道在薄壁处，数量多且分散分布。 b 顺序凝固：内浇道开在厚壁或冒口处。 c 复杂铸件：采用顺序凝固与同时凝固相结合的原则。 （2）方向不要冲着细小砂芯、型壁、冷铁和芯撑。 （3）内浇道应尽量薄。 （4）对薄铸件可用多内浇道的浇注系统实现补缩。 （5）内浇道避免开设在铸件品质要求很高的部位。 （6）各内浇道中金属液的流向应尽量一致。 （7）尽量开在分型面上。 （8）对收缩大易裂纹的合金铸件，内浇道的设臵不应阻碍收 缩。
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内浇道流量的不均匀性
远离直浇道的内浇道流量最大。
U q max q min Q n
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减小内浇道流量的不均匀性的方法 a 缩小远离直浇道的内浇道的截面积。 b 增大横浇道的截面积 c 严格，每流经一个内浇道，比值依次减小。 d 设臵直浇道窝。

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横浇道发挥阻渣作用应具备的条件 （1） 横浇道应呈充满状态：内浇道的截面、位臵； （2）流速应尽量低 （3）内浇道的位臵关系要正确
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a 内浇道距离直浇道应足够远，使渣团上浮到吸动区上部。 b 有正确的横浇道末端延长段，以容纳初流金属液；吸收 液流动能使金属液平稳；防止液流折返。
16Biblioteka 生产中减轻水平旋涡的措施：
a 用大深度浇口杯。 b 用拔塞等方法，使浇口杯内液面 达到一定深度时再向直浇道注入。 c 浇口杯底部安放筛网砂芯等



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d 在浇口杯底部设臵堤坝，形成垂直旋涡。
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垂直旋涡的挡渣作用： 如图，金属液沿斜壁流下，由于流速的减低和流向的改变， 形成垂直方向的旋流。
pr pi hr hi g g
（5）
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将（2）-（5）：
vi2 vr2 h横 hr (1 r i ) hi 2g 2g

化简：


(hi hr h横） 2 g （6） v 1 r i v vi2
2 r 2 i
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上浮阻力：
F=CSρV2/2

式中：F- 渣团上浮阻力 ρ-液态金属的密度 S -渣团的水平投影面积 V- 渣团上浮速度 C -渣团上浮阻力系数，与液体雷诺数有关，见表34-1
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渣团临近上浮速度：阻力F=浮力时的速度。
2 v 4 3 R ( 渣）g CR 2 0 0 3 2
p
p —质量压力（kg/m2）
—金属密度（kg/m3）
5

（m）


动能：用单位体积的流体以速度v移动时的动量来表示。

v2 Ek 2g
定理：在一封闭系统中，单位质量流体所携带的总能量
是不变的，但其位能、压能、动能可以互换。


柏努利方程
v1 p2 v2 i1 i2 2g 2g
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结构。如图侧壁在 能顺利拔模的条件 下尽量垂直，转角 处避免尖角，底面 作成平面。
• • • • •
1.5 横浇道中金属的流动 横浇道的作用 （1）向内浇道分配洁净金属。 （2）储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣。 （3）使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣物。
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横浇道的阻渣原理 阻渣条件：渣团上浮到横浇道顶部超过内浇道吸动区。
同理得直浇道的充满条件：
S内 S直

1 z i
( hi hz） 2 H

传统理论：把液态金属视为理想液体，全部阻力系数等于 零，流量系数为1。充满条件为S直>S横>S内 实际情况：液态金属有粘度，流动阻力有较大的影响。 S直：S横：S内=1:2.5:2.5时仍呈正压充满状态。
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第1节
液态金属在浇注系统基本组元中的流动

1.1 在砂型中流动的水利学特点 流体力学原理：（可参阅卡塞博士箸《球墨铸铁浇口和 冒口—04 浇口原理》）

（1）帕斯卡（Pascal）定律

在一个静止而且相互连通的容器中，在一给定的水平面
上各点的压力是相等的；等于该给定的水平面致液体顶 部的垂直距离乘以液体的密度，加上外部压力。
8g 渣 v0 R 3C



式中 R- 渣团半径 ρ- 金属液密度 ρ渣 -渣团密度 g -重力加速度 v0 -渣团临近上浮速度，又称悬浮速度。
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金属液的悬浮速度：当金属液流速（与上浮速度反向）等 于渣团的临近上浮速度时的速度 总结： a 渣团半径小，对应悬浮速度也越小。 b 对应一定横浇道的流速有一可能上浮的临近渣团半径， 只有大于临近半径的渣团才能上浮。 c 渣团密度相对于金属液密度越小，越有利于上浮。 d 横浇道内金属的流速越低，可能阻流的渣团也越小。
S内 S直
1 z i
(hi hz ) 2 H
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1.4 直浇道窝 作用 （1）缓流作用：动能—压力能—水平流速。 （2）缩短直—横拐弯处的高度紊流区。 （3）改善内浇道的流量分布（使之更均匀）。 （4）减小直—横浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。 （5）浮出金属液中的气泡。
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影响水平旋涡的因素： 浇口杯中金属流股的水平分速度越大，越容易形成水平旋 涡。而水平分速度的大小又与以下因素有关： a 浇口杯内液面的深度：液面深度超过直浇道上口直径的 5倍时可基本消除水平旋涡。 b 浇注高度：浇包嘴离浇口杯越高，越容易产生水平旋涡。
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c 浇注方向：逆向浇注较顺向浇注为佳。
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1.3 直浇道中的流动 直浇道的功用 （1）引导金属进入横浇道、内浇道或型腔。 提供足够的压头。 真空吸气理论：等截面直浇道附近型砂中的气体会被吸入 液流，溶于液态金属中的气体也会因压力降低而析出。
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直浇道的流动特点 （1）两种流态：充满和不充满。非充满状态易带气，但 在底注包浇注时或用阶梯浇注系统时采用。 （2）非充满直浇道中金属液以重力加速度做等加速运动， 流股必定向内收缩；流股内部与砂型表层气体之间无压力 差，气体不可能被吸入，而是被金属表面吸收和带走。 （3）直浇道入口形状影响金属流态。入口尖角时，增加 流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇 道呈充满流态，要求入口处圆角半径r》d/4。 （4）水利学模拟实验与砂型中实际流动状况有差异。 （5）砂型中直浇道充满的理论条件。
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p1

（3）托里拆利（Torricelli）定理 是伯努利方程的一种特殊应用。如图，在一个流体高度h不变 的容器里在i=0的水平面处有一孔口，应用伯努利方程

(i=h):
pa

(i=0):
h
( v=0， p a 为大气压力)
2 vx pa 2g
(i=0)

得： vx
2gh 这是设计浇注系统最重要的根据之一。
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（2）充型伴随着热作用、机械和化学作用。
（3）浇注过程是不稳定流动。 （4）合金液在浇注系统中呈紊流状态。 （5）多相流动。固相杂质、气相夹杂。
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1.2 浇口杯中的流动 浇口杯的作用： （1）承接来自浇包的金属液，防止飞溅和溢出，便于浇 注



（2）减轻对直浇道底部和侧壁、型腔的冲击。
（3）分离渣及气泡，防止其进入型腔。

（4）增加充型压头。
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结构形式： 漏斗形（bush）：挡渣效果差，结构简单。 盆形：（basin）
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水平涡流 水平旋涡是危害浇 口杯全面发挥功能的
重要原因。

原因：水平各向流 量不均衡造成流速方 向的偏斜。
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若忽略金属粘度的影响，视液态金属为理想流体，浇口杯 内液态金属应满足动量矩守衡： Mvr=常量。 式中：M 距离直浇道中心为r处的质点的质量 v M点的切线速度 r M点距离直浇道中心的距离。 漏斗形等压自由液面的形成：一旦出现水平旋涡，越靠近 中心，M质点的离心加速度越高，重力加速度和离心加速 度的合成加速度越接近于水平，根据流体力学原理，等压 面垂直于总加速度方向。等压面逐步由水平过度到垂直， 形成中空的大气压力表面。 对铸件质量的影响：卷气、渣沿等压面进入型腔。
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2.2 封闭、开放式浇注系统 （图3-4-4）
（1）封闭式浇注系统（choked running system，pressurized system） 概念：在正常浇注条件下，所有组元都能为金属液充满的浇注 系统。 类型：内浇道阻流、部分扩张（S内/S阻≤1.5-2.5）。 优点：阻渣效果好、防止卷气、消耗金属少、清理方便。 缺点：喷溅、冲砂、金属氧化、流动不平稳。 应用：不易氧化的各类铸铁件。不宜用于易氧化的轻合金、漏 包浇注铸钢件和高大的铸铁件（充型压力很大）。
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c 封闭式浇注系统的内浇道应位于横浇道的下部，且和
横浇道具有同一底面，开放式浇注系统的内浇道应重叠 在横浇道之上，且搭接面积要小，但大于内浇道横截面 积。
•
d 封闭式浇注系统的横
浇道应高而窄，内浇道宜 扁而宽。 • e 内浇道应远离横浇道 的弯道；应尽量使用直的 横浇道。内、横浇道连接 一般为垂直。
•
a)、d) 错误
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