3.3 浇注系统
3.3.1 简介
浇注系统要保证浇注的金属液产生最小的紊流，对型腔产生最小的冲刷，铸件各部分温度正确地分布，型腔内气体及产生的气体有效排出。
浇注系统包括各单元结构：浇口盆、直浇道、横浇道、内浇道、出气孔、过滤网。冒口也可以用于出气，因其另有基本用途，需要单独叙述（见3.4冒口和冷铁）。常规的浇注系统如图3-1和图3-2所示。
图3-1 带浇注系统的铸件，不含浇口盆
图3-2 浇注系统全貌
3.3.2 浇注系统描述
浇口盆，确保盛放足够的金属并能正确和连续地填充直浇道。这意味着直浇道要完全充满且金属液没有夹杂。有时浇口盆也用来进行二次或三次孕育。
浇口盆可以作为铸型的一部分（见图3-3）或独立在铸型顶部（见图3-4）。只有很小的铸件才能用第一种组合式浇口盆，独立式浇口盆可以非常大，容有超过10t的金属液（取决于铸件的重量）。
图3-3 组合式浇口盆
图3-4 独立式浇口盆
直浇道是将金属液从浇口盆引入到横浇道的单元，可将金属液垂直运送到底部。重要的是要将直浇道完全充满，避免气体聚集或冲刷直浇道材料。
直浇道越高，金属液到达直浇道底部的速度增加而产生更多的问题，例如会产生飞溅（见图3-5）。
图3-5 直浇道底部的金属液飞溅
直浇道底部金属液的速度v按下式计算（没有考虑金属液与型砂/耐火材料之间的摩擦）：
金属液对底部的冲击能量E按下式计算：
式中 g——重力加速度，取9.81m/s2；
h——直浇道高度（m）；
m——金属液的质量（kg）。
浇注开始时在直浇道底部产生飞溅和紊流是很难避免的。最好的解决方法就是增加直浇道陷坑（见图3-6）从而能确保在已经有一部分金属液之后不再产生问题。
图3-6 开始浇注时陷坑降低飞溅
横浇道是浇注系统中水平运送金属液的部分，可将金属液从直浇道运送到横浇道或混合浇注系统的另外直浇道内。横浇道主要的作用是降低金属液的流速，使得渣、砂子和其他夹杂物可以浮起来并被横浇道顶部捕获。
第一股金属液清理浇注系统（灰尘、散落的涂料或砂子），冷的型腔也会造成第一股金属液的热量损失（温度降低）。因此，第一股金属液不能进入到型腔里，这时横浇道还没有充满，渣子不能被横浇道捕获。第一股金属液可以用横浇道端头的集渣坑收集，如图3-7所示。
图3-7 金属液连续注入带有陷坑和集渣坑的横浇道
内浇道是浇注系统中将金属液从横浇道运送到型腔最后的单元。内浇道要保证干净的金属液以正确的速度（越低越好）进入型腔。如果流速太快，则紊流严重并在型内产生新的氧化物。这些氧化物（Mg渣）除非通过冒口或出气孔去除，否则会作为渣子留在铸件内，如图3-8所示。
图3-8 金属液低速进入型腔（＜v关键）和高速进入型腔（＞v关键）
铸铁和铸钢的关键速度v关键大约为0.5m/s。
金属液跌落总是会产生氧化物和熔渣的问题。最好的解决方法就是底注和较低的进流速度。
出气孔是浇注系统中让型腔中的空气和气体顺利溢出的一部分，要保证空气和气体不影响金属液充型。
要记住气体/空气加热后（浇注过程中）体积会增加，若体积不增加，则同水一样压力会增大。
恒压25℃下的1cm3空气，在1550℃会达到66cm3。
恒体积25℃下的10N/cm2空气，在1550℃会达到628N/cm2。
恒压25℃下的1cm3水，在1550℃会成为1050cm3水蒸气。
因此，用化学黏结砂铸型生产铸件，必须要有出气孔或冒口（明冒口或带出气孔的暗冒口）。有很高的透气性的湿型砂铸型有时可不用出气孔，通常不推荐这么做。
过滤器是一种特殊设施，放置在直浇道、横浇道或内浇道，用来避免灰尘或其他物体进入到型腔。尽管过滤器可以放置在浇注系统的任何位置，但大多数情况下放置在横浇道上。
如果使用过滤器，则浇注系统必须是开放式浇注系统。图3-9展示的是一个过滤网供应商推荐的典型过滤器的浇注系统设计。
图3-9 使用过滤器的浇注系统设计示例
过滤器可以是“布网”型、陶瓷“蜂窝”型或“泡沫”型的，泡沫过滤器是最有效的一种。如图3-10和图3-11所示。
图3-10 陶瓷蜂窝型（挤压）过滤器
图3-11 陶瓷泡沫型过滤器
过滤器以每英寸面积的孔数量（ppi）或金属液流通过率为特性指标来区分，常用的是10ppi、20ppi和30ppi。
3.3.3 浇注系统设计
浇注系统有两种基本类型：压力型（封闭式）和非压力型（开放式）。除此之外还有其他浇注系统，大多是压力型与非压力型组合使用或浇注系统不用直浇道、横浇道等。这两种浇注系统都有其典型的设计特点，不能混淆。
理论设计计算是基于水力学公式，阻流截面S阻（浇注系统中最小截面）的计算公式为
式中 G——浇注重量（kg）；
t——浇注时间（s）；
g——重力加速度，取981cm/s2；
ρ——金属液密度，一般为（6.8～7.1）×10-3kg/cm3，大小取决于化学成分；
h——静压头高度，内浇道与浇口盆内液面之间的距离（cm）；
fv——速度系数，取决于浇注系统：0.75～0.85为顶注；0.60～0.70为无阶梯的侧注；0.50～0.60为有阶梯的侧注；0.40～0.50为底注。
将上述单位及数据代入式（3-3），得出简化公式：
式（3-3）和式（3-4）在出气截面大于等于阻流截面时有效。
计算金属液在内浇道内的流速非常重要，尤其是易氧化的金属液，如铝合金、高铬铁、球墨铸铁（Mg会形成渣）。
内浇道内金属液的流速是
如今，也可以用仿真模拟软件进行浇注系统设计。工程师利用计算机软件可以计算和实现充型模拟，显示充型速度、液流形态（是否有紊流）和气体夹渣问题等。
3.3.4 总结
浇注系统最主要的特征有：
1）充型过程中紊流最小化，紊流会导致吸气，金属液氧化和冲蚀铸型表面（造成夹砂缺陷）。
2）保证充型完整。
3）为正确的凝固顺序（避免缩松缺陷）提供合适的温度梯度。
浇注系统设计是铸造工艺设计的最大挑战，且变得越来越复杂。在铸造厂铸件上的很多收缩和夹渣问题（造成大部分废品的原因）是由于浇注系统设计不正确。