一种真空感应电极铸造液冷模具、设计方法及其应用

本发明涉及金属铸造；用相同工艺或设备的其他物质的铸造的，特别涉及一种真空感应电极铸造液冷模具、设计方法及其应用。

背景技术：

1、真空感应熔炼(vacuuminduction melting,vim)是镍基高温合金生产的第一个工艺过程，它是在真空条件下，利用交变电流作用到感应线圈产生交变磁场，交变磁场在炉料上感应出交变的电流“涡流”，炉料靠“涡流”加热熔化，并通过电磁搅拌过程和真空脱氧、脱氮、脱氢、杂质元素挥发以及控制熔体与坩埚作用等一系列物理化学反应，冶炼出化学成分准确且纯度高的合金铸锭。

2、vim熔炼工艺也存在着许多不足，主要表现为：(1)大尺寸锭型内部凝固结晶速度缓慢，使合金铸锭的显微组织粗大、不同部位元素偏析严重；(2)铸锭缩孔较深，影响成材率；(3)出钢后的坩埚易发生氧化，污染合金；(4)合金熔体与坩埚耐火材料存在反应，造成二次污染；(5)钢水直接脱硫、脱磷的能力较差。

3、综合来看，受凝固缺陷的影响和除杂能力的限制，vim不能作为大型合金铸锭的最终冶炼环节，但其又可以高效地净化钢液，并能最大程度地控制初始合金元素含量，所以目前高质量的中、大型in718合金毫无例外地采用vim作为第一段冶炼工序，将vim铸锭用作二次熔炼的电极锭。在现场浇铸中，真空感应环节得到的电极铸锭存在着具有较大的缩松和缩孔及元素偏析等多种问题，由于铸锭往往需要作为后续真空自耗环节的电极棒进行使用，因此铸锭的瑕疵将影响到后续环节的工艺质量。

4、因此，亟需对铸造模具和传热控制方式进行设计改造。

技术实现思路

1、本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种真空感应电极铸造液冷模具、设计方法及其应用。

2、本发明所采用的技术方案是，一种真空感应电极铸造液冷模具，包括模具，配合所述模具的底部设有底座，配合所述模具的顶部设有冒口；配合所述模具内壁布设有水管路，配合水管路的开口的模具上分别设有进水通路和出水通路。

3、优选地，所述水管路为螺旋式水管路，所述进水通路对应模具下部的螺旋式水管路的开口设置，所述出水通路对应模具上部的螺旋式水管路的开口设置。

4、优选地，所述螺旋式水管路的螺距由下至上逐渐增大。

5、优选地，所述螺旋式水管路的螺纹直径由下至上逐渐增大。

6、优选地，所述模具为中空圆台，模具的外径由上至下逐渐增大。

7、优选地，所述模具的外壁上分布设有若干吊件。

8、优选地，配合所述底座设有底垫砖，所述底垫砖嵌设于底座顶部。

9、优选地，所述底垫砖的顶部朝下设有凹面，所述凹面的外缘抵设于模具的外壁下。

10、一种所述的真空感应电极铸造液冷模具的设计方法，所述方法包括以下步骤：

11、s1定义目标铸件，根据铸件模数m、铸模常数b，n为常数，v表示铸件体积，a表示与模具接触的铸件的表面积；

12、s2建立铸件充型过程的热模型，qc＝ρcvc(c液δt液+c固δt固+l)，其中，ρc为金属液密度，vc为铸件体积，c液和c固分别为液态合金和固态合金的定压比热容，δt液为浇注温度和凝固温度的差值，δt固为凝固温度到铸件出型的温度差，l为单位质量熔化潜热；

13、简化qc为qc＝ρcvc(ccδtc+l)，其中，cc为液态合金和固态合金定压比热容的平均值，δtc为浇注温度和出型温度之差；

14、s3计算模具吸收的总热量qm及冷却水换热总热量qcw，

15、qm＝cmρmvmδtm

16、qcw＝ccwρcwvcwδtcw

17、其中，cm为模具的比热容，ρm为模具的密度，vm为模具体积，δtm为模具型壁的最高温度和初始温度之差，ccw为冷却水的比热容，ρcw为冷却水的密度，vcw为所需冷却水的体积，δtcw为进水通路和出水通路的管口处水温差；

18、s4基于以a表示与模具接触的铸件的表面积，以mc、mm表示铸件和铸型的模数，得到，

19、

20、令损失热量修正系数k1满足k1qc＝qm＝qcw，得到，

21、

22、令比例系数k2满足vm＝k2vc，得到，

23、

24、s5得到冷却水的体积与铸件模数以及冷却水作用的铸件热节区体积成正比，与模具模数成反比；铸件热节越大，需要的冷却量越大，模具越厚，对应的冷却水量越小；根据铸件模数、铸件热节处体积，配置冷却水体积、模具模数获得最优解。

25、一种所述的真空感应电极铸造液冷模具的应用，应用于向模具内注入钢水，封闭冒口，自进水通路向模具以预设速度导入液体，当铸件表层凝固时，自气隙以预设速率充入氦气，破坏铸件与模具间的真空环境。

26、本发明涉及一种真空感应电极铸造液冷模具、设计方法及其应用，包括模具，配合所述模具的底部设有底座，配合所述模具的顶部设有冒口；配合所述模具内壁布设有水管路，配合水管路的开口的模具上分别设有进水通路和出水通路；设计中，定义目标铸件，建立铸件充型过程的热模型并简化，计算模具吸收的总热量及冷却水对流换热的总热量，设置损失热量修正系数和比例系数，根据铸件模数、铸件热节处体积，配置冷却水体积、模具模数获得最优解；模具应用于向模具内注入钢水，封闭冒口，自进水通路向模具以预设速度导入液体，当铸件表层凝固时，自气隙以预设速率充入氦气，破坏铸件与模具间的真空环境。

27、本发明的有益效果在于，模具可以实现高效且有序调节电极模各部位钢锭的冷却速率，实现顺序凝固，有效减少铸锭的缩松和缩孔，通过气隙充入氦气的方式也可使钢锭在凝固过程中的传热方式由辐射传热变为对流换热，以提高传热效率，提高凝固速度；能够简单且有效地生产铸造质量优良的大型钢锭，便于后续脱模。

技术特征：

1.一种真空感应电极铸造液冷模具，包括模具，其特征在于：配合所述模具的底部设有底座，配合所述模具的顶部设有冒口；配合所述模具内壁布设有水管路，配合水管路的开口的模具上分别设有进水通路和出水通路。

2.根据权利要求1所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述水管路为螺旋式水管路，所述进水通路对应模具下部的螺旋式水管路的开口设置，所述出水通路对应模具上部的螺旋式水管路的开口设置。

3.根据权利要求2所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述螺旋式水管路的螺距由下至上逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述螺旋式水管路的螺纹直径由下至上逐渐增大。

5.根据权利要求4所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述模具为中空圆台，模具的外径由上至下逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述模具的外壁上分布设有若干吊件。

7.根据权利要求1所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：配合所述底座设有底垫砖，所述底垫砖嵌设于底座顶部。

8.根据权利要求7所述的一种真空感应电极铸造液冷模具，其特征在于：所述底垫砖的顶部朝下设有凹面，所述凹面的外缘抵设于模具的外壁下。

9.一种权利要求1～8之一所述的真空感应电极铸造液冷模具的设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

10.一种权利要求1～8之一所述的真空感应电极铸造液冷模具的应用，其特征在于：应用于向模具内注入钢水，封闭冒口，自进水通路向模具以预设速度导入液体，当铸件表层凝固时，自气隙以预设速率充入氦气，破坏铸件与模具间的真空环境。

技术总结
本发明涉及一种真空感应电极铸造液冷模具、设计方法及其应用，配合模具的底部设有底座，顶部设有冒口；配合模具内壁布设水管路，配合水管路的开口的模具上分别设有进水通路和出水通路；定义目标铸件，建立铸件充型过程的热模型并简化，计算模具吸收的总热量及冷却水对流换热的总热量，设置损失热量修正系数和比例系数，根据铸件模数、铸件热节处体积，配置冷却水体积、模具模数获得最优解；向模具内注入钢水，封闭冒口，自进水通路向模具以预设速度导入液体，当铸件表层凝固时，自气隙以预设速率充入氦气，破坏铸件与模具间的真空环境。本发明有效减少铸锭缩松和缩孔，提高传热效率、凝固速度；简单有效地生产铸造质量优良的大型钢锭，便于脱模。

技术研发人员：李骥,陆怡伟,张杰,祁梓宸,刘正东,陈正宗
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/17