CN106181023B - 一种钢轨铝热焊接浇注系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨铝热焊接浇注系统，该系统包括砂模、设置在砂模上方的坩埚本体、与坩埚本体匹配的坩埚盖、设置在砂模内部的分流塞及设置在砂模底部的底板；该系统反应坩埚及浇道系统均设计液体除渣结构，充分考虑净化型腔钢水纯度；该系统坩埚顶盖采用气动布局，疏导反应的高温气体和阻挡高温液固飞溅物；该系统砂模底部两个冒口连通，增强铸件补缩能力。

Description

一种钢轨铝热焊接浇注系统

技术领域

本发明涉及钢轨铝热焊接技术领域，具体的说是一种钢轨铝热焊接浇注系统。

背景技术

随着铁路交通运输业的发展，钢轨铝热焊接产品的使用量与日俱增；铝热焊接是无缝线路钢轨焊接的常用方法，将铝粉、氧化铁粉及铁合金等按一定比例配合组成铝热焊剂，在一次性坩埚内高温点燃后，发生激烈的化学反应，放出大量的热，形成高温铝热钢水，将钢水注入预热的焊接砂型型腔中，高温钢水通过特别设计的砂型，熔化部分待焊钢轨端面，经冷却凝固后将待焊钢轨联成一个整体。铝热焊接具有设备简单、使用方便、经济高效、安全可靠、不需外界电源等优点，被广泛用于无缝线路的焊接。

一次性坩埚、分流塞和砂模是钢轨铝热焊接的浇注系统的三大要素。一次性坩埚需要承载铝热反应高温热作用，保证在剧烈热冲击下坩埚不破裂漏钢液；不影响钢轨焊缝金属的化学成分、显微组织和力学性能。砂型作为铸焊过程中轨型的成型铸模，对焊接接头轨底质量起到至关重要的影响。分流塞在引导钢液的流向，减少钢液对砂型的冲击作用。

现有技术中一次性坩埚使用时存在稳定性差，焊接过程的安全性较低。坩埚内钢液仅依靠液体密度差实现钢液与渣液的分离。在浇注过程中分流塞承受较大冲击，在型腔内因分流塞引导钢液流向导致钢液相互撞击产生飞溅。砂型底部容易产生表面气孔，影响焊缝的性能。

发明内容

针对上述现有的钢轨铝热焊接产品在铝热反应时存在安全隐患和钢水流动过程中缺乏明确的除渣结构，及其带来焊接接头的质量问题，本发明提供一种钢轨铝热焊接浇注系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种钢轨铝热焊接浇注系统，该系统包括砂模、设置在砂模上方的坩埚本体、与坩埚本体匹配的坩埚盖、设置在砂模内部的分流塞及设置在砂模底部的底板；

所述砂模为多面体结构；包括顶面、底面及连接在顶面与底面之间的焊接面；所述的焊接面包含两个立面；所述的砂模上设有大冒口和小冒口；大冒口位于小冒口的外侧，两个冒口尺寸均为上大底小，所述的小冒口通过横浇道与所述的焊接面相连通；小冒口与大冒口在砂模底部连通，小冒口和大冒口的连接面与水平面成10°~60°夹角；

所述坩埚本体上部壁厚逐渐增加；所述坩埚本体内部底面上具有多个弧形凹陷，底面中心开设有锥形自熔塞支撑台阶，所述的多个弧形凹陷结构沿自熔塞孔中心圆周分布，且弧形凹陷底部向自熔塞孔中心方向倾斜。

所述坩埚盖为由上向下渐扩径的锥台结构，且坩埚盖的顶部为弧形拱起结构，坩埚盖的内壁上沿圆周方向设有多个支撑臂，且所述支撑臂的顶端与坩埚盖的顶部连接；所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向设有多个导流槽Ⅰ；坩埚盖顶部的中心设有通孔；坩埚盖的顶部内表面设有沿通孔圆周分布的多个导流槽Ⅱ。

所述的分流塞为中部凸起两侧凹陷弧形结构，曲面光滑连接，凹陷最低位高于分流塞两侧棱的高度，分流塞位于砂模上部形成的空腔内，通过砂模上部的斜面结构固定分流塞，通过斜面与分流塞间的空隙引导钢液进入砂模下部型腔。

所述大冒口横截面为圆形，小冒口为椭圆形。

所述坩埚本体的浇注孔位于分流塞中心的上部，在浇注时通过分流塞使浇注液体均匀向两侧分散。

所述的多个导流槽Ⅰ与多个支撑臂间隔设置。

所述多个导流槽Ⅱ与多个支撑臂间隔设置。

所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向均匀设有4个支撑臂，12个导流槽Ⅰ，且支撑臂与两侧相邻导流槽Ⅰ之间的夹角为15°。

所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向均匀设有4个支撑臂，所述坩埚盖的顶部内表面具有沿通孔圆周均匀分布的4个导流槽Ⅱ，且每个导流槽Ⅱ与支撑臂之间的夹角为45°。

本发明的有益效果：

本发明提供的钢轨铝热焊接浇注系统，该系统反应坩埚及浇道系统均设计液体除渣结构，充分考虑净化型腔钢水纯度；该系统坩埚顶盖采用气动布局，疏导反应的高温气体和阻挡高温液固飞溅物；该系统砂模底部两个冒口连通，增强铸件补缩能力；

在砂模上设置大冒口和小冒口，小冒口通过横浇道与焊接面相连通；小冒口与大冒口在砂模底面联通，钢水经过分流塞分流至两侧浇道口向型腔内流动，混合着砂砾等杂质的钢水流至砂模底均向两侧的小冒口与大冒口向上流动，其中小冒口与大冒口底部连通且截面与水平面成10°~60°斜向，该结构可增大钢水中杂质上浮的有效面积，减少轨底角表面的气孔，确保钢水中的杂质大部分越过内侧小冒口经外侧大冒口向上流动同时提供轨底补缩功能和减少轨底应力集中，小冒口的中部与砂模型腔连通形成横浇道，横浇道既包含浇道作用又包含冒口作用，可为轨头侧面提供补缩功能；

在坩埚底部设置弧形凹陷结构，且底部中心开设锥形自熔塞支撑台阶结构，弧形凹陷结构的最低位置距自熔塞孔距离最近，则确保液体几乎全部流入型腔，避免金属浪费；弧形凹陷结构与水平方向为倾斜型结构，疏导铝热反应对底部的冲击力，钢水经弧形凹陷结构向自熔塞孔流动时，形成局部对流场，液体内部各组分混合均匀，组织凝固后无成分聚集、偏析组织，同时对流过程中废渣上浮利于除渣，且由于局部对流场，利于减小熔融金属液体流出时的单位体积动能，利于减轻对砂模和分流塞的冲击强度；锥形自熔塞结构，准确控制钢液流出时间和速度，提高反应过程的安全等级和焊接质量；

将坩埚盖设置为圆形锥台结构，且在盖锅盖上设置支撑臂、导流槽，发生铝热反应时，高温气体和液固杂质对坩埚盖产生高速高压的冲击力，这种设计方式可以保证坩埚盖在铝热反应激烈时的强度，提高焊接安全性能，同时由于冲击力的反作用力，促进坩埚内部钢水流动性，利于钢水中渣液上浮，净化液体纯净度；

将分流塞设置为中部凸起两侧凹陷弧形结构，曲面光滑连接，凹陷最低位高于分流塞两侧棱的高度，分流塞在浇注系统中位于砂模上部形成的空腔内，通过砂模上部的斜面结构固定分流塞，通过斜面与分流塞间的空隙引导钢液进入砂模下部型腔，坩埚中钢水流经分流塞时，该结构能够有效降低铝热钢水的动能，使得液体均匀通过内浇道充满型腔，同时缓解液体对分流塞的冲击力，减弱对分流塞砂砾的冲刷，减小铝热钢水中的含砂量，对提高焊接铸件质量起到重要的影响；

本发明的突出优点是提高金属液体均匀性、晶粒细化、凝固组织致密性、除渣性能和焊接安全性，此外还有携带方便、不易损坏、使用后无需回收和无环境污染等优点。

附图说明

图1 本发明结构示意图；

图2 本发明结构剖视图；

图3 本发明分流塞示意图；

图4 本发明坩埚盖示意图；

图5 本发明坩埚本体示意图；

图6 本发明砂模俯视图；

图7 本发明砂模剖视图；

图8 本发明砂模竖截面示意图；

图9 本发明浇注系统浇注示意图一；

图10 本发明浇注系统浇注示意图二；

附图标记：1、坩埚盖，2、坩埚本体，3、分流塞，4、砂模，5、底板，6、弧型顶盖，7、导流槽Ⅰ，8、支撑臂，9、导流槽Ⅱ，10、顶部，11、底部， 12、弧形凹陷，13、支撑台阶，14、冒口底部，15、两侧浇道口，16、小冒口，17、横浇道，18、大冒口，19、凹陷弧形。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

如图1、图2所示，为本发明整体结构示意图，该系统包括砂模4、设置在砂模4上方的坩埚本体2、与坩埚本体2匹配的坩埚盖1、设置在砂模4内部的分流塞3及设置在砂模4底部的底板5。

如图3所示，为本发明钢轨铝热焊接浇注系统的分流塞3，分流塞3为中部凸起两侧凹陷弧形结构，曲面光滑连接，凹陷弧形19最低位高于分流塞两侧，分流塞3在浇注系统中位于砂模上部形成的空腔内，通过砂模上部的斜面结构固定分流塞3，通过斜面与分流塞3间的空隙引导钢液进入砂模下部型腔，坩埚中钢水流经分流塞时，该结构能够有效降低铝热钢水的动能，使得液体均匀通过内浇道充满型腔，同时缓解液体对分流塞的冲击力，减弱对分流塞砂砾的冲刷，减小铝热钢水中的含砂量，对提高焊接铸件质量起到重要的影响。

如图4所示，本发明钢轨铝热焊接浇注系统的坩埚盖1为圆形锥台结构，截面为圆形，坩埚盖上方内置向上弧型顶盖6。坩埚盖内壁均匀分布12个导流槽Ⅰ7，支撑臂8与相邻导流槽Ⅰ7夹角15度；顶盖内壁均匀分布4个导流槽Ⅱ9，每个导流槽Ⅱ9与支撑臂8夹角45度；发生铝热反应时，高温气体和液固杂质对坩埚盖产生高速高压的冲击力，这种设计方式可以保证坩埚盖在铝热反应激烈时的强度，提高焊接安全性能，同时由于冲击力的反作用力，促进坩埚本体内部钢水流动性，利于钢水中渣液上浮，净化液体纯净度。

如图5所示，本发明钢轨铝热焊接浇注系统的坩埚本体2，顶部10尺寸加厚，方便焊接操作的安装摆放，底部11厚度由外及内逐渐减小，且底部均匀分布4个弧形凹陷12，且底部中心开设锥形自熔塞支撑台阶13，弧形凹陷12的最低位置距自熔塞孔距离最近，则确保液体几乎全部流入型腔，避免金属浪费；弧形凹陷12与水平方向为倾斜型结构，疏导铝热反应对底部的冲击力，钢水经弧形凹陷结构向自熔塞孔流动时，形成局部对流场，液体内部各组分混合均匀，组织凝固后无成分聚集、偏析组织，同时对流过程中废渣上浮利于除渣，且由于局部对流场，利于减小熔融金属液体流出时的单位体积动能，利于减轻对砂模和分流塞的冲击强度；锥形自熔塞结构，准确控制钢液流出时间和速度，提高反应过程的安全等级和焊接质量。

如图6、图7、图8所示，为本发明钢轨铝热焊接浇注系统的砂模4，所述砂模4的本体为多面体结构；包括有顶面、底面和连接在顶面、底面之间的焊接面；所述的焊接面包含两个立面；所述的砂模4上还具有大冒口18和小冒口16；大冒口18横截面为圆形，小冒口16为椭圆形，且所述的大冒口18位于小冒口16的外侧，大冒口18和小冒口16尺寸均为上大底小，所述的小冒口16通过横浇道与所述的焊接面相连通；小冒口16与大冒口18在砂模底面连通。钢水经过分流塞3分流至两侧浇道口15向型腔内流动，混合着砂砾等杂质的钢水流至砂模底均向两侧的小冒口16与大冒口18向上流动，其中两侧冒口底部14连通且截面与水平面成10°~60°斜向，该结构可增大钢水中杂质上浮的有效面积，减少轨底角表面的气孔，确保钢水中的杂质大部分越过小冒口16经大冒口18向上流动同时提供轨底补缩功能和减少轨底应力集中。小冒口16的中部与砂模型腔连通形成横浇道17，横浇道17既包含浇道作用又包含冒口作用，可为轨头侧面提供补缩功能。

如图9、图10所示，为本发明浇注系统浇注示意图，本浇注系统的突出优点是提高金属液体均匀性、晶粒细化、凝固组织致密性、除渣性能和焊接安全性，此外还有携带方便、不易损坏、使用后无需回收和无环境污染等优点。

Claims (9)

1.一种钢轨铝热焊接浇注系统，该系统包括砂模、设置在砂模上方的坩埚本体、与坩埚本体匹配的坩埚盖、设置在砂模内部的分流塞及设置在砂模底部的底板，其特征在于：

所述砂模为多面体结构；包括顶面、底面及连接在顶面与底面之间的焊接面；所述的焊接面包含两个立面；所述的砂模上设有大冒口和小冒口；大冒口位于小冒口的外侧，两个冒口尺寸均为上大底小，所述的小冒口通过横浇道与所述的焊接面相连通；小冒口与大冒口在砂模底部连通，小冒口与大冒口的连接面与水平面成10°~60°夹角；

所述坩埚本体上部壁厚逐渐增加；所述坩埚本体内部底面上具有多个弧形凹陷，底面中心开设有锥形自熔塞支撑台阶，所述的多个弧形凹陷结构沿自熔塞孔中心圆周分布，且弧形凹陷底部向自熔塞孔中心方向倾斜。

2.如权利要求1所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述坩埚盖为由上向下渐扩径的锥台结构，且坩埚盖的顶部为弧形拱起结构，坩埚盖的内壁上沿圆周方向设有多个支撑臂，且所述支撑臂的顶端与坩埚盖的顶部连接；所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向设有多个导流槽Ⅰ；坩埚盖顶部的中心设有通孔；坩埚盖的顶部内表面设有沿通孔圆周分布的多个导流槽Ⅱ。

3.如权利要求1所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述的分流塞为中部凸起两侧凹陷弧形结构，曲面光滑连接，凹陷最低位高于分流塞两侧棱的高度，分流塞位于砂模上部形成的空腔内，通过砂模上部的斜面结构固定分流塞，通过斜面与分流塞间的空隙引导钢液进入砂模下部型腔。

4.如权利要求1所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述大冒口横截面为圆形，小冒口为椭圆形。

5.如权利要求1所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述坩埚本体的浇注孔位于分流塞中心的上部，在浇注时通过分流塞使浇注液体均匀向两侧分散。

6.如权利要求2所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述的多个导流槽Ⅰ与多个支撑臂间隔设置。

7.如权利要求2所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述多个导流槽Ⅱ与多个支撑臂间隔设置。

8.如权利要求6所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向均匀设有4个支撑臂，12个导流槽Ⅰ，且支撑臂与相邻导流槽Ⅰ之间的夹角为15°。

9.如权利要求7所述的钢轨铝热焊接浇注系统，其特征在于：所述坩埚盖的内壁上沿圆周方向均匀设有4个支撑臂，所述坩埚盖的顶部内表面具有沿通孔圆周均匀分布的4个导流槽Ⅱ，且每个导流槽Ⅱ与支撑臂之间的夹角为45°。