材料液态成型工艺学A1-6-2015

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1、Dalian University of Technology大连理工大学大连理工大学 张兴国张兴国 材料成型工艺及设备材料成型工艺及设备材料科学与工程学院材料科学与工程学院大孔出流浇注系统的计算大孔出流浇注系统的计算大孔出流浇注系统的计算理论大孔出流浇注系统的计算理论由由魏兵教授魏兵教授等人提出。这等人提出。这里仅介绍四组元浇注系统的计算，即：以里仅介绍四组元浇注系统的计算，即：以浇口杯、直浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道浇道、横浇道和内浇道为为基本基本组成单元的浇注系统的计组成单元的浇注系统的计算。算。大孔出流指直浇道与内浇道截面比小于大孔出流指直浇道与内浇道截面比小于5 5的情况。的情况。

2、现有浇注系统计算中存在的问题：现有浇注系统计算中存在的问题：1）压头：压头：浇口杯液面到内浇道中心线的垂直距离；浇口杯液面到内浇道中心线的垂直距离；2）截面积比：）截面积比：奥赞公式中不包括浇注系统截面积比；奥赞公式中不包括浇注系统截面积比；3）流速：内浇道流速只决定于）流速：内浇道流速只决定于压头压头；4）结果：）结果：计算出的截面积偏小，浇注时间偏长。计算出的截面积偏小，浇注时间偏长。 但是实际上但是实际上内浇道出流的压力和速度既与压力、液面内浇道出流的压力和速度既与压力、液面有关，还与浇注系统截面比有关有关，还与浇注系统截面比有关，调整截面比可以控制，调整截面比可以控制充型压力和流速，充

3、型压力和流速，大孔出流浇注系统计算更有意义。大孔出流浇注系统计算更有意义。四组元浇注系统的作用压力头四组元浇注系统的作用压力头u采用内浇道中心标注法，即采用内浇道中心标注法，即直浇道压力头、横浇直浇道压力头、横浇道压力头、内浇道压力头均以内浇道中心线为起道压力头、内浇道压力头均以内浇道中心线为起点，点，如图所示。如图所示。四组元浇注系统实际四组元浇注系统实际压力头内浇道中心压力头内浇道中心标注法标注法通过水通过水力力模拟试验观测和回归分析表明：模拟试验观测和回归分析表明：四组元浇注系统的作用压力头四组元浇注系统的作用压力头式中式中： vs、vru、vg分别为直浇道、横浇道、内浇道的流速；分别为

4、直浇道、横浇道、内浇道的流速； ?s、?ru、?g分别为直浇道、横浇道、内浇道的流速因素；分别为直浇道、横浇道、内浇道的流速因素； Qvs、 Qvru、Qvg分别为直浇道、横浇道、内浇道的流量；分别为直浇道、横浇道、内浇道的流量； As、Aru、Ag分别为直浇道、横浇道、内浇道的截面积；分别为直浇道、横浇道、内浇道的截面积； s、ru、g分别为直浇道、横浇道、内浇道流量因素；分别为直浇道、横浇道、内浇道流量因素； Hs-直浇道压力头直浇道压力头，从浇口杯液面至内浇道中心线的距离；，从浇口杯液面至内浇道中心线的距离； hru-横浇道压力头横浇道压力头，从内浇道的中心线，从内浇道的中心线 到浇口窝

5、处测量管液面垂直距离；到浇口窝处测量管液面垂直距离； hg -内浇道压力头内浇道压力头，从内浇道中心线，从内浇道中心线 到安装在横浇道顶面或侧面测量到安装在横浇道顶面或侧面测量 管液面的垂直距离。管液面的垂直距离。四组元浇注系统的作用压力头四组元浇注系统的作用压力头 根据液体流动的连续性方程，浇注系统处于稳定的根据液体流动的连续性方程，浇注系统处于稳定的出流状态时出流状态时：四组元浇注系统的作用压力头四组元浇注系统的作用压力头 即即四组元浇注系统的作用压力头四组元浇注系统的作用压力头2-12-2联立以上两式，求得：联立以上两式，求得：式式2-1、2-2就是浇注过程中就是浇注过程中横浇道横浇道、

6、内浇道、内浇道实际作用实际作用压压力头的数学解析式。力头的数学解析式。假设：假设：hru和和hg的物理意义的物理意义 1）hru是横浇道液体流动的是横浇道液体流动的实际压力头实际压力头，同时也是直，同时也是直浇道液体流动的浇道液体流动的反压力头反压力头。n 当直浇道底部截面积小于顶部截面积时，决定直浇当直浇道底部截面积小于顶部截面积时，决定直浇道道中中流速的压力头为流速的压力头为（Hs-hru），），hru越大，直浇道流越大，直浇道流速越小，有利于渣、气在直浇道中的分离上浮。速越小，有利于渣、气在直浇道中的分离上浮。n 直浇道在直浇道在hru的高度内，的高度内， 不管直浇道形状如何，不管直浇道

7、形状如何， 均呈正压均呈正压流动流动状态，直状态，直 浇道在浇道在hru段内不会从砂段内不会从砂 型壁产生型壁产生吸气现象吸气现象。n 2）hg是作用在是作用在内内浇道上的实际压力头浇道上的实际压力头，在直浇道压在直浇道压力头力头Hs一定时一定时，调整浇注系统有效截面积比调整浇注系统有效截面积比k1、k2，就就可以调整可以调整hg的大小，从而达到控制的大小，从而达到控制内内浇道出流速度、流浇道出流速度、流量及平稳性的目的。量及平稳性的目的。hg也是金属液在也是金属液在hru压力头作用下流压力头作用下流入横浇道的反压力头入横浇道的反压力头。n (hru- hg)的大小决定横浇道的流速。的大小决定

8、横浇道的流速。凡是有利于减小凡是有利于减小(hru- hg)值的因素，都可以减小值的因素，都可以减小横浇道的流速，减小紊流程度，横浇道的流速，减小紊流程度，提高金属液在横浇道中流动的提高金属液在横浇道中流动的平稳性，减轻氧化，有利于熔平稳性，减轻氧化，有利于熔渣上浮。渣上浮。hru和和hg的物理意义的物理意义 3）hg可作为横浇道充满的判据。可作为横浇道充满的判据。 设横浇道的高度为设横浇道的高度为h横横，内内浇道的高度为浇道的高度为h内内，则则有：有： （1）当当hg （h横横-h内内/2）时，横浇道不充满，时，横浇道不充满，不充满的程度用不充满的程度用（h横横-h内内/2- hg ）的值表

9、示，的值表示，表明表明横浇道欠缺捕渣能力横浇道欠缺捕渣能力，用式用式2-3表示。表示。hru和和hg的物理意义的物理意义2-3n （2）当当hg =（h横横-h内内/2）时时，横浇道呈临界充满，但横浇道呈临界充满，但对顶部型壁无压力，对顶部型壁无压力，横浇道捕渣能力不强横浇道捕渣能力不强。n （3）当当hg （h横横-h内内/2）时时，横浇道充满，而且充横浇道充满，而且充满有余，满有余，横浇道捕渣能力强横浇道捕渣能力强。n 用用hg -（h横横-h内内/2）值表示值表示横浇道充满有余横浇道充满有余的的程度：程度：hru和和hg的物理意义的物理意义2-4l 为达到各个内浇道等流量出流，可采取如下

10、办法：为达到各个内浇道等流量出流，可采取如下办法：l 1.用较大的封闭比用较大的封闭比（k11，k21）。）。l 2.采用变截面积横浇道。采用变截面积横浇道。通过调整通过调整k1达到达到横浇道沿长度方横浇道沿长度方向上流速的一致向上流速的一致，实现，实现内内浇道浇道等截面积、等流速、等流等截面积、等流速、等流量出流量出流。l 3.采用不等截面积的采用不等截面积的内内浇道浇道，加大流速小的，加大流速小的内内浇道截面浇道截面积，使流速和截面积的乘积相等，积，使流速和截面积的乘积相等，实现实现内内浇道不等流速、浇道不等流速、不等截面积，但等流量出流不等截面积，但等流量出流。l 4.影响横浇道压力头影

11、响横浇道压力头hru和和内内浇道压力头浇道压力头hg的主要因素是的主要因素是直浇道压力头直浇道压力头Hs和浇注系统各组元的截面积比。和浇注系统各组元的截面积比。l 5.在直浇道截面积在直浇道截面积As、内浇道截面积、内浇道截面积Ag和直浇道压力头和直浇道压力头Hs不变的条件下，不变的条件下，改变横浇道截面积改变横浇道截面积Aru，可以显著影响可以显著影响横浇道压力头横浇道压力头hru和和内内浇道压力头浇道压力头hg，从而影响从而影响内内浇道的浇道的流速和流量。流速和流量。控制内控制内浇道等流量出流浇道等流量出流的方法的方法l 例如：例如： As=3.14cm2、Ag=2cm2和和Hs=32cm