CN1290646C - 薄膜金属型结晶器和使用该结晶器铸造铸件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结晶器和利用该结晶器铸造铸件的方法。结晶器包括底型、半薄膜型、半型座、规板、给水口、泄水口、液面控制器，型芯等部件。多个垂向规板(16)呈放射状固定在半型座(6)的内侧或一体形成在半型座(6)的内侧；规板向心一侧是一条成形的缘(21)，缘的横截面形状是一个被圆柱体(22)截顶的三角形，半薄膜型(8)附着在半型座(6)上，相邻的规板之间有介质槽(17)，每一个介质槽的上端有一个给水口(5)。所有的介质槽底部均通向排水管。本发明的结晶器使金属熔体注入型腔后有足够一段时间处在液相点温度以上，然后以冷却介质对铸件施以自下而上的快速、顺序热扩散，所得铸件具有优秀的组织结构。

Description

薄膜金属型结晶器和使用该结晶器铸造铸件的方法

技术领域

本发明涉及一种结晶器和使用该结晶器铸造铸件的方法，主要用于铝、镁、铜、锡等中、低熔点金属及其合金的铸造，尤其适用于该几类金属铸件中有底或无底的筒状铸件、特别是铝活塞的铸造。

背景技术

在金属的铸造生产中，沿自下而上方向的快速、顺序结晶是理想的结晶方式，如果能按这一方式完成铸件的结晶过程，所得铸件的铸造缺陷将接近于零。能够导致铸件自下而上快速、顺序结晶的外部条件是自下而上的(热流方向是自上而下的)快速、顺序热扩散。因此，自下而上的快速、顺序热扩散也就成为世界范围内铸造工作者梦寐以求的工艺方法。但是，在已有的铸造技术中，仅有少数几种技术能够实施自下而上的快速、顺序热扩散。例如电渣重熔、锭坯连铸、熔融锡浸入法等。这些技术带有明显的局限性，电渣重熔、锭坯连铸技术只能生产横截面形状没有变化的坯料，无法铸造形状各异的铸件。熔融锡浸入法生产的产品造价昂贵，不能被普通工业领域广泛采用。

中国专利申请CN1098344A公开了一种“薄膜金属型铸造设备及其铸造方法”，其设备构成如图25所示，其中包括型箱90、薄膜金属型91、喷嘴92、拉杆93、顶板94等。该项技术实现了铸型薄膜化，以喷嘴91对薄膜金属型90的外壁自下而上喷施冷却介质，对铸件88进行自下而上的快速、顺序热扩散，进而引导结晶界面89沿自下而上的方向快速、顺序推进。毫无疑问，这项技术对铸件的快速、顺序热扩散方法趋于成熟起到了积极推动作用，但是，其不足之处是：用电阻对焊的方法将多个拉杆93焊在薄膜金属型91的外壁，拉杆的另一端固定在总体支持件型箱90上，通过拉杆93的拉力和顶板94的阻力对薄膜金属型91进行固定，这种固定方法支点少，薄膜金属型受力不均匀，容易产生大面积变形；而且，薄膜金属型的拆、装比较困难。这些不足之处亟待改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种以金属薄膜为铸型的结晶器和使用该结晶器铸造有底或无底筒状铸件的方法，以克服和解决已有技术的不足。

本发明的技术方案是：

一种结晶器，包括基座、底型、半型座、半薄膜型、、规板、介质槽、给水口、排水管等部件，其特征在于：半型座位于底型上，多个垂向规板呈放射状固定在半型座的内侧或一体形成在半型座的内侧；规板向心一侧是一条成形的缘，缘的横截面形状是一个被圆柱体截顶的三角形，截顶弧长0.5～6mm。相邻两条缘在圆柱体上夹持的弧长为2～50mm；圆柱体切割半型座、的内侧下部形成纲环，纲环与缘的截顶弧同在圆柱体的柱面上。相邻的规板之间有一定的垂向间隙即空槽，每一个空槽的上端有一个给水口。同一个型座上的所有空槽底部有通道联通，并通向排水管。每个半型座上有至少两个合型副。合型副上有多个插槽。

半薄膜型有型壁。型壁沿分型面延伸一个宽度形成型耳。每只型耳上有至少一个插脚。

底型有外副。

设圆柱形的半径为R1，纲环的半径为R2，外副的半径为R3，筒状铸件的外径为R4，半薄膜型壁的厚度为6，本发明将它们的配合关系界定为：

          R1＝R2＝R3+6＝R4+6            (式一)

底型、半型座、半薄膜型、砂芯等部件都以基座为基础发生安装关系。这一安装完成后，形成型腔；同时，也使空槽闭合而成为冷却介质的通道即介质槽。介质槽的上端有至少一个给水口，介质槽的下端与排水管连通，排水管通过软管与泄水口连通，泄水口固定在液面控制器之中，在低于介质槽下端和高于介质槽上端的一段垂向行程内，液面控制器可在设定的高度停留或以设定的速度升降。

在结晶器上方的相关位置上有浇杯、浇包，浇杯和浇包分别有各自的操作机构，浇包在升降的同时还能以翻转中心为轴心进行翻转，为了便于计算注速，浇包的经向截面形状设计成以翻转中心为圆心的扇形，浇包每翻转一度倒出的熔体是一个定量。浇杯和浇包的升降速度以及浇包的倾翻速度都处在参数控制状态。

本发明的结晶器可以在半薄膜型之间加入金属型，每个半型座割除两个区域，在割除的区域内加进金属型；金属型的内侧形状与型壁的内圆共同组合成筒状铸件的外周形状。每个金属型至少有两个侧面，侧面作合型面使用。每一只金属型内各含一根销孔芯杆，销孔芯杆可在金属型内推拉。

将型耳压紧在合型副及金属型的侧面之间。型壁下部的一段被压紧在纲环与外副之间，型壁的张力与规板的反张力形成一对力偶，使型壁准确定圆且具有刚性。

在型腔的顶部装有顶芯和顶芯操作机构。顶芯用非金属材料或复合材料制成，以氮化硅SiN₂为佳。顶芯的附近设置加热器。

一种用本发明结晶器铸造筒状铸件的方法，包括以下步骤：

将金属熔体以设定速度注入上述结晶器的型腔中。所述的设定速度必须使型腔中的金属熔体液面能够高于介质槽中的冷却介质液面；

当金属熔体充满型腔底部并淹没注管底端10～30mm之后，开通配水盒，通过多个给水口将冷却介质注入介质槽中；

以筒状铸件纵向各段的R值分段控制冷却介质液面的上升速度，R为铸件结晶界面的垂向移动速度；结晶界面接近筒状铸件顶部时，减小冷却介质液面的R值或令R值为零；

浇注结束。待铸件完成结晶后，停止给水，通过液面控制器将泄水口降至介质槽底端以下，排尽介质槽中的冷却介质；

排尽介质槽中的冷却介质后，结晶器保持即时状态进入一个空冷时段，空冷时段为10～90秒，随后脱型，取出铸件，开始进入下一个铸次。

以上所述的R值是运用下述公式计算得出，

$R=\frac{\mathrm{COS\α}(\mathrm{\λsgts}-\mathrm{\λlgtl})}{\mathrm{\σS\Δh}}$

                                  (式二)

式中：λS-固相热导率；

      λL-液相热导率；

      G TS-固相水平方向单位长度上的温度梯度；

      G TL-液相水平方向单位长度上的温度梯度；

      σS-固相密度；

      Δh-凝固潜热；

      α——结晶界面与水平面的夹角；

      R——结晶界面的垂向移动速度(厘米/秒)。

如果结晶器型腔的顶部有顶芯时，本发明的方法还包括以下步骤：

利用加热器加热顶芯，使顶芯温度始终保持在铸造金属的液相点温度以上；

利用操作机构在浇注开始前将顶芯放入型腔，待铸件完成结晶后用操作机构脱取顶芯并将其放入加热器中保温；

本发明的方法如果是利用带有注管的浇杯将金属熔体注入型腔时，还包括以下步骤：

在注前将浇杯的注管伸到型腔的底部；

开始浇注，待型腔内金属熔体液面淹没注管底端10～30mm时，浇杯和浇包同步提升，其提升速度与金属熔体液面的上升速度保持一致；在一个铸次的金属溶体全部铸完之前，注管的底端始终位于金属熔体液面以下10～30mm。

浇包31的径向截面形状是以浇包翻转中心为圆心的扇形，浇包翻转单位角度对应一定的倒出熔体重量，金属熔体液面的上升速度是通过浇包的翻转角速度来控制的。

用本发明的技术铸造筒状铸件产生了明显的积极效果，以铸造铝硅共晶活塞为例分述如下：

一、用本发明的技术铸造的铝活塞在任意的剖切面上均未发现针孔和疏松，按GB3508-83标准衡定，宏观组织优于1级，已有技术铸造的铝硅共晶活塞其宏观组织2～4级。

二、本发明的技术铸造铝活塞，微观组织明显改善，按JB/T8892-1999标准衡定，微观组织稳定表现为1级，已有技术铸造的铝硅共晶活塞其微观组织在2～4级。

三、鱼骨状铁相夹杂物2级。

按JB/T51050-1999分等标准衡定，以上三项效果致使铝硅共晶活塞优质品率＞90％，已有技术铸造的铝硅共晶活塞其优质品率在10～30％。

四、用本发明的技术铸造铝活塞无需设置冒口和浇道，所以，金属铸造收成率提高到75～90％，已有技术铸造铝活塞其金属铸造收成率在40～60％之间。仅此一项降低制造成本20～30％。

附图说明

图1是本发明结晶器的剖视图；

图2是图1中沿E-E的剖视图；

图3是图1中沿F-F的剖视图；

图4是半型座的轴侧图；

图5是本发明实施例中两个半薄膜型中的一个；

图6是本发明实施例中两个半薄膜型中的另一个；

图7是底型的剖视图；

图8是本发明结晶器铸前状态的示意图，此时浇杯注管已经伸到型腔底部；

图9是典型的无底筒状铸件的结晶过程的示意图；

图10是典型的有底筒状铸件的结晶过程的示意图；

图11是铸件结晶进入最后阶段，对液穴进行收口整理的示意图；

图12是本发明异型结晶器加入金属型的结构示意图；

图13是本发明异型结晶器各部在合型前的相互关系示意图；

图14是本发明异型结晶器工作状态示意图；

图15是图14中沿G-G线的剖视图；

图16是本发明异型结晶器合型前的轴侧图；

图17是本发明异型结晶器的合型状态示意图；

图18是本发明优选实施例中顶芯和顶芯操作机构的侧视图；

图19是本发明优选实施例铝活塞A段的结晶状态示意图；

图20是本发明优选实施例铝活塞B段的结晶状态示意图；

图21是本发明优选实施例铝活塞完成结晶后空冷时段的状态示意图；

图22是本发明优选实施例无底筒状铸件的剖视图；

图23是本发明优选实施例有底筒状铸件的剖视图；

图24是本发明优选实施例异型筒状铸件的剖视图，该铸件为110铝活塞毛坯；

图25是现有技术中薄膜型结晶器的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式给以详细说明。

如图9、10、20，实施本发明的工艺必须依赖一种前序状态，这个前序状态是：注入型腔的金属熔体液面36、39、81有足够一段时间处在液相点温度以上，也就是说，在快速、顺序热扩散涉及某一部位之前，不允许该部位的金属熔体发生结晶。可以把这个前序状态进一步描述为：将金属熔体、铸型、型外工装、大气等视作一个***，当金属熔体注入型腔后，只允许***内发生小量级热转移，这一小量级热转移不足以使型腔中的金属熔体或型腔中某一部位的金属熔体液面36、39、81发生结晶，金属熔体有足够的一段时间处在液相点温度以上；这一前序状态对本发明的工艺是至关重要的，只有在前序状态下，冷却介质33才能推动结晶界面37、40、44、78、82沿自下而上的方向移动。正是本发明的结晶器具备了这一前序状态。半薄膜型8、9自身的质量热容非常小；在***趋向热平衡的过程中，半薄膜型自25℃升至700℃所吸收的热量只能使10mm厚度的铝熔体降低约41～43℃；规板的缘21呈尖薄状态，因而导热面积极小，在冷却介质涉及以前能够传给型座的热量亦不足以突破前序状态。

本发明的第一个实施例如图1、2。该结晶器用于铸造图22中标记为97的筒状铸件。标记为97的筒状铸件是外径为414mm的铝基轴承合金。

如图1、2，结晶器由基座1，底型2，介质槽底部通道3，砂芯4、，给水口5，半型座6、7，半薄膜型8、9，液面控制器10，泄水口11，排水管12，软管14，规板16等部件组成。

如图3、4，规板16与半型座6、7铸成一体，所用材料为球墨铸铁。如果以筒状铸件的横截面为投影面，规板的投影呈放射状排布，放射源在筒状铸件的圆心上，根据需要，也可以在其它位置上；规板向心一侧是一条成形的缘21，缘的横截面形状是一个被圆柱体22截顶的三角形，截顶弧长一般为0.5～6mm，相邻两条缘在圆柱体22上截得的弧长一般为2～50mm。在本实施例中，截顶弧长为1.6mm，相邻两条缘在圆柱体22上夹持的弧长为32.6mm，相当于相邻两个规板之间的夹角为9°。图3中双点划线表示的虚拟圆柱体22在实施过程中是刃具的切削轨迹，所以，缘21的截顶弧和纲环25是一体切削而成。相邻的规板之间有一定的垂向间隙即空槽17-1，每一个空槽的上端有一个给水口5。同一个型座上的所有空槽底部有通道3(见图1)联通，并通向排水管12。每个半型座上有至少两个合型副57、59。合型副上有多个插槽23。

如图5、6，半薄膜型8、9有型壁8-1、9-1。型壁的弧长精确到0.0005。型壁的厚度为0.8mm，半薄膜型的厚度与筒状铸件直径的比值一般在0.002～0.006之间。每只薄膜型至少有两只型耳8-2、8-3、9-2、9-3，型耳是型壁沿分型面延伸90mm而形成的。每只型耳上有三个插脚8-4、9-4。如图7，底型2有外副26。根据式一，外副直径为(414-0.8＝413.2)mm。在合型以前，需要把半薄膜型附着在半型座上，是把插脚***插槽内完成附着的，这种附着是松旷的联接，只保证开模后半薄模型不脱离半型座，这是因为半薄膜型在准确定位之前需要有小范围内的自由度。合型以后，半薄膜型被嵌在外副26、纲环25、合型副53、55、57、59、规板16之间精确配合而形成的空间中。

如图2，半薄膜型的型壁在强制定圆以前只须具备精确的弧长而不必追求其圆度。当半型座6、7受机械力的作用沿F1、F2方向合拢且柔性压紧后，将两片半薄膜型的四只型耳8-2、8-3、9-2、9-3压紧在两对合型副之间，型壁8-1、9-1产生张力，型壁的张力与规板16的反张力形成一对力偶，使型壁准确定圆且具有刚性。

如图1、2，型壁被准确定圆以后，由型壁8-1、9-1、多个规板16、纲环25、合型副53、55、57、59、排水管12共同组成***露的冷却介质通道—介质槽17。介质槽下端与排水管、软管、泄水口串联后形成连通器；介质槽内冷却介质的循环方向是上端给水，下端排水。必须说明的是：排水管、软管、泄水口的通径应该足以使排水量大于最大给水量。本实施例的排水通径为1.25英寸，如回路两端的冷却介质保持20mm的压头，最大排水量为0.025m³/min，而本实施例的最大给水量为0.016m³/min。泄水口11被固定在液面控制器10里面，在低于介质槽下端和高于介质槽上端的一段垂向行程内，液面控制器10携泄水口11可以在任意高度停留或以任意速度升降。液面控制器的升降是以机械驱动的方法实现的。

如果给水口5向介质槽17连续注入足够的冷却介质33，根据连通器的原理，介质槽内的冷却介质液面34与泄水口11始终处在同一水平面上，当液面控制器10携带泄水口11作升降运动时，介质槽内的冷却介质液面34跟随泄水口作同步运动。本实施例用机械方法驱动液面控制器，所以，介质槽内冷却介质液面34的高度和运动速度按指令得到精确控制。

如图8，在结晶器上方的相关位置上有浇杯28、浇包31，浇杯和浇包分别有各自的操作机构27、32，浇杯和浇包通过各自的操作机构组合成固定浇注位置；浇包在升降的同时还能以翻转中心29为轴心进行翻转，翻转中心设在能够使金属熔体倒入浇杯后形成坡流的位置。

为了便于计算注速，浇包的经向截面形状设计成以翻转中心为圆心的扇形，浇包每翻转一度倒出的熔体是一个定量。浇杯和浇包的升降速度以及浇包的倾翻速度都处在参数控制状态。浇杯和浇包用奥氏体钢制作而成。根据型腔内浇杯潜入位置的横截面形状，浇杯横截面形状可圆，可方，可异形。浇包壁厚1mm，浇杯壁厚0.6mm，表面喷布铸造涂料。在向型腔注入熔体的全过程中，浇杯和浇包的相对组合位置始终不变。

具有以上特征的结晶器是本发明的基本型结晶器，可以对典型筒状铸件、例如标记为97的无底筒状铸件、标记为98的有底筒状铸件实施自下而上的快速、顺序热扩散。而标记为99的筒状铸件则明显不同，其横截面形状发生多次连续或不连续的变化，把这一种筒状铸件视作异形筒状铸件，如果铸造异形筒状铸件99，需要本发明的结晶器和铸造方法具备更多的特征，是本发明的第二个实施例。

如图24，铸造异形筒状铸件所用的结晶器称作异型结晶器，标记为99的异形筒状铸件是内燃机铝活塞，在铸件99上需要铸出销孔86、销孔凹面87，由此，本发明设计了水平四分型结晶器。

如图12、13，在基本型结晶器的基础上，每个半型座割除49、50两个区域，在割除的区域内加进金属型52、62；在半型座上割除49、50两个区域后，形成了新的分型面48，此时的型耳8-2、8-3、9-2、9-3应该是型壁8-1、9-1在新的分型面48上延续一个宽度而形成。金属型内侧的基本型腔面与圆柱形22保持一致，在金属型内侧的基本型腔面上生出平台63，平台63是铸出销孔凹面87的型腔面。

如果遇到其它筒状铸件的外周有异形结构，同样加进一块或多块金属型，用以补充薄模型无法给出的型腔面。金属型与半薄模型组合在同一个环状结构中共同形成异形筒状铸件的外周形状。每个金属型至少有两个侧面54、58、56、60，侧面作合型面使用。

每一只金属型内各含一根销孔芯杆51、61，销孔芯杆可在金属型内推拉，便于置放和脱出。

如图13，滑枕75携金属型52、62沿F₃、F₄方向推进，直至触实并压紧外副26，然后半型座6、7携带半薄膜型8、9沿F₁、F₂方向合拢且柔性压紧，分别将型耳8-2压紧在合型副53、金属型侧面54之间；将型耳8-3压紧在合型副55、金属型侧面56之间；将型耳9-2压紧在合型副57、金属型侧面58之间；将型耳9-3压紧在合型副59、金属型侧面60之间。型壁8-1、9-1下部的一段被压紧在纲环25与外副26之间。与前述同样的原理，薄膜型壁的张力与规板的反张力形成一对力偶，使薄膜型壁8-1、9-1定圆且具有刚性。

如图16，在铸件99上需要铸出内腔85，由底型2的下部向上伸出金属型芯66、67、68、69、70。如图17，同一个型座上的多个给水口5由一个配水盒72统一供水。配水盒有四个功能：供水；调节供水流量；瞬间断流；盒内正压转为负压吸走配水盒内余水。

如图17、18、24，在铸件99上需要铸出燃烧室84，在型腔的顶部装有顶芯71和顶芯操作机构74。顶芯71用非金属材料或复合材料制成，以氮化硅(SiN₂)为佳。顶芯的附近设置加热器73，顶芯随铸造节律在型腔与加热器之间作往复运动，顶芯的往复运动在顶芯操作机构74和程序控制的综合作用下自动完成。为了满足前序条件，顶芯在完成了一个铸次后，先是脱芯提升，然后旋转对准加热器，再下降进到加热器里，除了铸造时段外，顶芯始终在加热器里保温。

底型2、金属型52、62用热作模具钢制作而成，本实施例选用3Cr₂W₈V。半薄模型8、9用马氏体耐热钢薄板冷压制成，本实施例选用2Cr₁₃或1Cr₁₇Ni₂做半薄模型。半薄模型壁厚0.4mm。浇杯28、浇包31用奥氏体耐热钢制作，本实施例选用1Cr₁₈Ni₉Ti作浇杯和浇包，浇杯壁厚0.6mm、浇包壁厚1mm。

结晶器可以是单铸位的，也可以是多铸位的，如图17所示，本实施例设计的是双铸位结晶器。这里必须说明的是，本发明结晶器各部分的配合面必须具备一定的精度，分述如下：

纲环25、圆柱形22按GB标准6～7级精度加工；半型座的合型副53、55、57、59、金属型侧面54、58、56、60按GB标准5～6级精度加工；制作薄膜型的冲压模按GB标准5级精度加工。

如图24，将异型筒状铸件99沿轴向分段。分段的依据是：横截面形状相同或类似的划在同一段内。这样，在***内热平衡条件(例如熔体、冷却介质、半薄模型、缘的截顶弧长、型芯等等)确定以后，铸件各段的最快结晶速度既已成为一个定量。将这一定量称为“有限元速度”，其值用R表示。此前用于计算“有限元速度”即R值的公式(式二)，是按已有的凝固理论和传热学计算方法给出的，本发明的特征在于将R值作为冷却介质液面34的运动速度输入到液面控制器10的控制***中。

如果铸件的轴向某一段全部是薄壁结构(图24中的A段)，该段的R值趋向无穷大，在设定该段的注速和冷却介质液面上升速度时，可取大数值。其结果是该段铸件以快速体积结晶的方式凝固。快速体积结晶也可以获得优秀的材料组织。

在实施本发明的过程中，以下工艺要点和工艺流程成为各实施例的通则必须遵守。

如图15、19，浇杯的注管28-1在型腔允许通过的位置65(参照图15)伸到型腔底部。浇注初始，浇杯静止、浇包翻转，待型腔内金属熔体77的液面76淹没注管底端10～30mm时，浇杯和浇包同步提升，提升速度与熔体液面的上升速度相同。在一个铸次的熔体全部注完以前，注管底端始终淹没在熔体液面以下10～30mm。

如图8、19，熔体30注入型腔先于冷却介质33注入介质槽，二者不可同时发生，更不可颠倒。原因一：当冷却介质(例如水)注入介质槽后有五种存在方式—重力水、毛管水、薄膜水、吸蚀水、结晶水(存在于铸造涂料中)。吸蚀水和结晶水在低于900℃时不会引起蒸汽爆发，重力水无法通过薄模型与纲圈、合型副之间微小的缝隙进入型腔，唯有毛管水和薄膜水以缓慢的速度沿着薄模型向型腔蔓延。如果熔体30注入型腔先于冷却介质33注入介质槽，致使薄模型的温度高于150℃，在这种温度条件下，毛管水和薄膜水的蒸发速度大于蔓延速度，即可避免毛管水和薄膜水进入型腔，进而避免在型腔内发生蒸汽爆发。原因二：当R＞25mm/s时，如果熔体30注入型腔滞后于冷却介质33注入介质槽，会导致初入型腔的熔体急剧降温，形成冷隔或冷洞(行业俗称天窗)。

如图9、10、20，型腔内的熔体液面35、38、80必须高于冷却介质液面34，在工艺方法上确立这一高度差是为了形成前序状态-在快速、顺序热扩散涉及某一部位之前，不允许该部位的金属熔体液面36、39、81发生结晶。高度差值不必严格控制，只要满足前序状态即可。

如图20，为了符合前序状态的要求，顶芯71的温度始终保持在铸造金属的液相点温度以上。

本发明的工艺不排除型腔底部或底部一定高程内非冷却介质的强吸热作用，因为型腔底部或底部一定高程内非冷却介质的强吸热作用不违背自下而上的方向性和快速热扩散的传热物性，相反，本发明的工艺在于将型腔底部或底部一定高程内非冷却介质的强吸热作用引导成为自下而上快速、顺序热扩散的一部份。图19、20中结晶界面78、82是由冷却介质和金属型芯的强吸热作用共同形成的。结晶界面82标有D的一部份是由金属型芯顶部的吸热作用形成的，由于金属型芯与熔体之间的温度梯度小于冷却介质与熔体之间的温度梯度，所以，D结晶界面的垂向推进速度相对较慢，此时需将冷却介质液面的上升速度减慢或静止等待。

综上所述，铸造复杂筒状铸件时，如遇到型腔底部或底部一定高程内非冷却介质的强吸热作用时，调整冷却介质液面的运动速度或加快或放慢令冷却介质的强吸热作用和非冷却介质的强吸热作用协调整合，形成统一、圆滑、自下而上快速推进的结晶界面。

如图15，如上所述，型腔底部或底部一定高程内非冷却介质的强吸热作用是自下而上快速、顺序热扩散的一部份，所以，本发明的工艺将型腔底部的型芯66、67、68、69、70和底型2的温度作低位控制，型芯和底型各部的平均温度控制在170℃以下，表面瞬间温度不超过320℃。相反，顶芯71的温度保持在铸造合金的液相点温度以上。

如图21，铸件完成结晶后，配水盒72断流并吸走余水，液面控制器降到最低位置，放尽介质槽内的冷却介质后接续一个空冷时段。中大型筒状铸件的空冷时段一般在10～90秒之间。设置空冷时段的目的是利用铸件的余热烘干半薄模型8、9的背面、纲环25、合型副53、55、57、59表面附着的毛管水和薄膜水。防止残余的毛管水和薄膜水在两个铸次间歇期向薄模型内壁蔓延。

如图11、21，按照自下而上的方向顺序结晶，铸件最后的液穴43或缩陷83存在于铸件的最上部，最后的液穴深浅，直接影响铸造金属的收成率，本发明的工艺对最后的液穴进行收口处理。收口处理是调小R值用以引导结晶界面44的坡度趋缓，既引导α角趋小变化。必要时R值可为0或为负数。收口处理只在铸件顶部具有大面积敞露液面42时才是必要的。

工艺流程：合型→浇杯注管伸到型腔底部，浇包含熔体就位与浇杯形成浇注组合→开始浇注→待型腔内铝液面淹没浇杯10～30mm后，浇包、浇杯开始同步提升→配水盒供水，冷却水进入介质槽→液面控制器按各段有限元速度上升→结晶完毕→配水盒断水，吸走配水盒内余水→液面控制器降到最低点，介质槽内余水放尽→接续空冷时段→启模脱型。

参照图19、20、21、24，根据铝活塞99的结构特点，运用(式二)计算出铝活塞横截面形状发生变化处的R值，经过规并整理，可将活塞沿轴向划分为A、B、C三段。

A段处在活塞的裙部，全部都是薄壁结构，溶体的热容量小，加之内有金属型芯，下有底型，外有冷却介质，三个方向均是强吸热介质，根本不存在热扩散的可控条件，也就是不存在前序状态；又由于强吸热作用下薄壁结构呈快速体积结晶，不需要补缩通道，所以，在A段里应实施快速充型，熔体液面以30～40mm/s的速度升至A段顶点，冷却水液面滞后1秒以同样速度升至A段顶点。

B段处在活塞裙部以上、燃烧室以下部位，该段的纵截面形状呈拱桥形，此时金属型芯的剧烈吸热不但无害，反而需要借助其形成“山”形结晶界面82，“山”形界面82是冷却介质和金属型芯的强吸热作用共同形成的。此时的山形结晶界面82不宜太陡，α角取值35～45°，如果太陡，这种形状将延续到活塞顶部缩陷83，致使收口整理困难，缩陷太深，增加顶冒的切除量，严重影响金属利用率。为了形成较平缓的“山”形界面，当熔体液面淹没金属型芯后，浇注速度立即减慢下来，等待型芯顶面的吸热过程。在此同时，冷却介质液面34停留在型芯顶面稍高一些的位置上，等待“山”形结晶界面82的形成，此时的R值实际上是“山”形结晶界面在垂向的推进速度，相应的G TS表示金属型芯上部固相垂向单位长度上的温度梯度，G TL表示金属型芯上部液相垂向单位长度上的温度梯度，得出R值为3～4mm/s。冷却介质液面在停留6～7秒后继续上升进入C段。

进入C段后，由于上芯自身的温度高于或等于熔体的液相点温度，熔体的热扩散条件突然简化为单一要素，完全由冷却介质控制。因此，C段的铸速范围较宽，可不与冷却介质液面的上升速度关联，一般以10～15mm/s的速度铸完全段。冷却介质液面的上升速度却不可带有任意性，仍按R值行走，得出R值为7～9mm/s。

当结晶界面接近铸件顶端时，冷却介质液面停留在结晶界面的高度上，收口整理最后的液穴。

本实施例的空冷时段为12～15秒。

Claims (12)

1.一种结晶器，用于铝、镁、铜、锡等中、低熔点金属及其合金的铸造，包括基座(1)、底型(2)、半型座(6、7)、半薄膜型(8、9)、规板(16)、介质槽(17)、给水口(5)、排水管(12)等部件，其特征在于，半型座(6、7)位于底型(2)上，多个垂向规板(16)呈放射状固定在半型座(6、7)的内侧或一体形成在半型座(6、7)的内侧，规板向心一侧是被一圆柱体(22)切割所形成的缘(21)，圆柱体(22)的圆柱面与半薄膜型型壁(8-1、9-1)的外圆相吻合，型壁(8-1、9-1)的内圆则是筒状铸件的外周形状，相邻的规板之间具有一定的垂向间隙即空槽(17-1)，半薄膜型通过定位件固定在半型座上以后，使空槽(17-1)闭合成为冷却介质的循环通道即介质槽(17)；介质槽(17)的上端有至少一个给水口(5)，介质槽(17)的下端与排水管(12)连通。

2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述规板向心一侧的缘(21)其横截面形状是用圆柱体(22)截顶的三角形，截顶弧长为0.5～6mm，相邻两条缘在圆柱体(22)上截得的弧长为2～50mm。

3.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述半型座(6、7)沿分型面布有至少两个合型副(53、55、57、59)，所述半薄膜型(8、9)由型壁(8-1、9-1)和型耳(8-2、8-3、9-2、9-3)构成，型耳(8-2、8-3、9-2、9-3)是由型壁(8-1、9-1)沿分型面延伸一个宽度形成的，所述型耳(8-2、8-3、9-2、9-3)被压紧在半型座的合型副之间；所述定位件包括合型副上的多个插槽(23)和型耳上的多个插脚(8-4、9-4)，所述半薄膜型的厚度与筒状铸件直径的比值在0.002～0.006之间，半薄膜型用马氏体耐热钢制作。

4.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，所述底型(2)上有外副(26)，外副(26)与型壁(8-1、9-1)的内圆相吻合，底型(2)固定在基座(1)上，半型座(6、7)可在底型(2)上滑动；圆柱体(22)切割半型座(6、7)的内侧下部形成纲环(25)，半薄膜型(8、9)的下部被夹紧在外副(26)与纲环(25)之间。

5.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，排水管(12)通过软管(14)与泄水口(11)连通，泄水口(11)固定在液面控制器(10)之中，液面控制器(10)可在设定的高度停留或以设定的速度升降。

6.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，在所述结晶器的顶部还设有顶芯(71)以及用于置放、脱出顶芯(71)的操作机构(74)，和加热顶芯的加热器(73)，所述的顶芯是用氮化硅材料制成的。

7.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于，还包括金属型(52、62)，金属型(52、62)是镶嵌在沿分型面割除半型座(6、7)的一部分(49、50)后形成的空缺中，金属型(52、62)沿分型面布有至少两个侧面(54、56、58、60)，金属型(52、62)的内侧形状与型壁(8-1、9-1)的内圆共同组合成筒状铸件的外周形状。

8.一种结晶器铸造铸件的方法，包括步骤：

(a)将金属熔体(30)以设定速度注入结晶器的型腔中，所述的设定速度必须使型腔中的金属熔体液面(35、38、76)能够高于介质槽中的冷却介质液面(34)；

(b)当金属熔体液面(35、38、76)充满型腔底部并淹没注管(28-1)底端10～30mm之后，开通配水盒(72)，通过多个给水口(5)将冷却介质(33)注入介质槽(17)中；

(c)以筒状铸件纵向各段的R值分段控制冷却介质液面(34)的上升速度，R为铸件结晶界面的垂向移动速度；

(d)结晶界面接近筒状铸件的顶部时，对铸件最后的液穴(43)进行收口，所述的收口是减小冷却介质液面(34)的上升速度或令上升速度为零；

(e)待收口结束、铸件全部完成结晶后，停止给水，通过液面控制器(10)将泄水口(11)降至介质槽(17)的底端以下，排尽介质槽中的冷却介质；

(f)排尽介质槽中的冷却介质后，结晶器的所有部分均保持即时状态进入一个空冷时段，空冷时段在10～90秒之间，随后脱型，取出铸件，开始进入下一个铸次。

9.根据权利要求8所述的方法，运用下述公式计算出筒状铸件纵向各段结晶界面的垂向移动速度R：

$R=\frac{\mathrm{COS\α}(\mathrm{\λsgts}-\mathrm{\λlgtl})}{\mathrm{\σS\Δh}}$

式中：λS-固相热导率；

λL-液相热导率；

G TS-固相水平方向单位长度上的温度梯度；

G TL-液相水平方向单位长度上的温度梯度；

σS-固相密度；

Δh-凝固潜热；

α-结晶界面与水平面的夹角；

其特征在于，以筒状铸件纵向各段的R值作冷却介质液面(34)的设定速度值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的结晶器型腔的顶部有顶芯(71)时，在所述的步骤(a)前，还包括步骤：

(g)利用加热器(73)加热顶芯(71)，使顶芯温度始终保持在铸造金属的液相点温度以上；

(h)利用机构(74)在浇注开始前将顶芯(71)放入型腔，待铸件完成结晶后用机构(74)脱取顶芯(71)并将其放入加热器(73)中保温。

11.根据权利要求8或10所述的方法，其特征在于，通过带有注管(28-1)的浇杯(28)将金属熔体注入型腔时，在所述的步骤(a)前，还包括步骤：

(i)在浇注开始前将浇杯(28)的注管(28-1)伸到结晶器型腔的底部；

在所述的步骤(b)前，还包括步骤：

(j)浇注开始后，在(b)步骤中的型腔内金属熔体液面(35、38、76)淹没注管(28-1)底端10～30mm时，浇杯(28)和浇包(31)同步提升，其提升速度与金属熔体液面(35、38、76)的上升速度保持一致；在一个铸次的金属熔体全部铸完之前，注管(28-1)的底端始终位于金属熔体液面(35、38、76)以下10～30mm。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，浇包(31)的径向截面形状是以浇包翻转中心(29)为圆心的扇形，浇包翻转单位角度对应一定的倒出熔体重量，金属熔体液面(35、38、76)的上升速度是通过控制浇包的翻转角速度来实现的。

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