低压铸造工艺（精选8篇）
低压铸造工艺 篇1
摘要：根据汽车发动机链箱盖的特点,分析了铸件的结构、相对于重力铸造而言低压铸造的优缺点、原材料的选用、凝固特点、顺序凝固条件和排气等问题,并根据低压铸造的特点,提出了解决问题的具体方案。
关键词：链箱盖,低压铸造,模具设计,工艺参数,不良对策
随着世界能源的日趋紧张,汽车轻量化已成为世界汽车工业可持续发展的重要课题。如何在成本控制与性能改善前提下,通过结构设计与各种材料和制造技术的集成应用,达到汽车产品的减负去重,实现能耗最低,是涉及汽车设计、材料和制造技术的一大系统工程,受到世界汽车制造业的关注。轻量化已被证明是汽车节能减排的关键技术路线,汽车自重减少10%,可降低油耗6%~8%,降低二氧化碳排放量13%。克莱斯勒作为美国三大汽车集团之一,在节能减排方面做出了积极的行动,他们通过结构设计以及原材料改善对许多零部件进行改进,以实现汽车发动机的轻量化,链箱盖就是其中的一个重要零部件(为全铝合金设计,如图1所示)。结构设计的特点是发动机时规链盖及冷却水泵壳集成在一个零件上,减少了零件和密封面,结构更紧凑,提高了发动机的刚性和强度,但同时提高了铸造的难度。由于水泵壳体和水道需要砂芯造型,排除了采用高压铸造的可能性。
链箱盖的铸造方法可以用重力铸造、低压铸造、砂型铸造等,本产品原供应商采用砂型铸造,由于砂型铸造成本高、效率低、环境污染大,并且外观粗糙,失去了竞争能力。根据该产品的结构特点和笔者所在公司独特的低压铸造技术优势,采用低压铸造工艺技术生产该产品。目前该产品年产30万件,出口美国配套克莱斯勒发动机,笔者所在公司也是全球首家独创性采用低压铸造工艺技术生产该类产品的厂家。
1 相对于重力铸造而言低压铸造的优缺点
(1)优点
1)材料利用率非常高(低压:85%~95%;重力:45%~55%);
由于没有冒口和浇道,浇口较小,因此可以大幅度降低材料费和加工工时。
2)容易形成方向性凝固,内部缺陷少。易获得完美的铸件。
3)气体、杂物的卷入少。可以改变加压速率,熔汤靠层流进行充填。
4)可以使用砂制型芯。
5)容易实现自动化,可以多台作业,多工序作业。
6)不受操作者熟练程度影响。
7)材料的使用范围广。
(2)缺点
1)浇口方案的自由度小,因而限制了部分产品(浇口位置、数量的限制,产品内部壁厚变化等)。
2)对管理要求较高(需要全面的严密管理,包括模具方案设计、模具涂料喷涂、模具及铝液温度条件、冷却条件、加压参数等)。
根据如上的优缺点,从Q、C、D及产品的品质(致密性要求高)要求综合考虑,低压铸造是链箱盖铸造较为理想的选择。
2 材料
链箱盖铸件采用ASTM标准A356铝合金,机械性能的设计要求较高(抗拉强度≥250MPa,屈服强度≥152MPa,延伸率≥3%,表面硬度HB80±15)。
A356属于铝硅系合金,是含硅量较低的亚共晶合金,铸造性能不好,收缩大,易形成缩孔。由于添加了合金元素,在提高强度的同时形成热裂的倾向也加大,因而大大提高了铸造的难度。在生产中发现,合金精炼和适当降低合金浇注温度是减少热裂、缩裂的有效措施,众所周知,合金中氧化皮和含气量减少将提高合金的流动性,而浇注温度降低将减少合金充型后总收缩量,因此采用合理的模具设计及工艺条件是产品开发成功的关键核心。
3 模具方案的制定
低压铸造的产品设计基本要求是将壁厚整体均匀化,或是将壁厚的分布考虑容易实现方向性凝固的地方。也就是说对于浇口而言,断面从小到大逐渐变化是产品设计的必要条件,因此如果产品在性能上无法达到进行这种设计的要求,最好避免使用低压铸造法进行生产。从链箱盖的产品结构来看是基本符合以上规律的。
3.1 模具的选材及壁厚
由于低压铸造相对于其他铸造类型来说,模具温度偏高,如果用一般的材料容易产生模具变形,带来尺寸上的不稳定因素,所以模具在选材上选用了进口H13调质材料,其硬度HRC30~36,韧性较好。为提高模具寿命,减少拉伤等现象的出现,在表层进行氮化处理(渗氮层厚度达0.24mm,其中白亮层厚度为10μm,表面硬度为950HV(约67HRC)。在模芯处,模具壁厚要减薄,以减少模具蓄热能力,提高该位置模温,以形成顺序凝固所需温度场。
3.2 浇口及冒口方案
链箱盖的铸造方案还算比较单纯的,但必须充分考虑铸件整体的方向性凝固。浇口的位置应该是铸件整体的最大壁厚位置,并且分布均匀化,在远离浇口的位置(如图2所示),如果壁较厚,充型不足时,则需要添加冒口(如图3所示)。
3.3 拔模斜度方案
低压铸造模具的浇口在下方,下型部分通过升液管与保持炉连接,所以不能使用挤压结构,而采用把铸件放在上型的方法,下型的温度很高,因此拔模斜度需要比其它类型的模具做的大一些(链箱盖的拔模斜度设定在3°~5°,根据不同位置有所不同),为了能更好的带起制品,防止卡在下型,在上型面处的光身孔及螺纹孔位置增加预铸销,以增加上型对制品的抱紧力。
3.4 模具排气
低压铸造的最大特点之一就是在铝水缓慢上升充满型腔的同时,能将型腔中的气体逐步排除,从而获得优质铸件。不过这只是理论上的设想,实际上对复杂的铸件很难达到这种境界。这是因为:(1)铸件有的部位较薄,充型速度缓慢会使壁薄处铝水动能损失较大而出现流动不良等现象;(2)模具温度低或涂料局部脱落会使铝水急速冷却;(3)铝水温度低,流动性达不到充型要求。因此在模具温度较低或铝水温度较低的情况下就需要提高充型速率,而充型速率的提高就不可能使液面平稳上升,从而将气体从型腔中顺利排出,也就不可避免地会将空气包围在模具中而难以排除,这就对铸型的排气提出了更高的要求。在低压铸造模具的常规设计中,除了在铸件的上端利用顶针间隙排气和安装排气塞排气外,在某些一般看来成形不成问题的地方也需要安装排气塞,这些位置上的排气塞往往只需要安置在下型即可,如果不单纯为了排气,同时也为了加速冷却时,则上下型均需安装排气塞,并且最好采用铜排气塞。模具排气分为以下几种:排气塞排气、排气销排气、v型槽排气和平面槽排气(如图4所示),间隙一般在0.15~0.2mm之间,具体使用哪种排气方式需要根据排气的位置而定。
各种排气方式在链箱盖上的运用如图5、图6所示。
3.5 加工余量
加工余量设计不合理,不仅会造成铸件的肥厚(成本的浪费),并且会影响到下一步机加工的刀具使用寿命以及工作效率,更重要的会影响顺序凝固次序,造成各种铸造缺陷,加工余量单面不超过1mm,但考虑到低压铸造模具温度较高,尺寸变差大,为避免加工不过的现象出现,加工余量定在1.5mm比较合适。
4 铸造条件制定
4.1 温度
4.1.1 铝水温度
铝水温度因合金种类、产品形状而稍有不同,但一般在680℃~730℃的范围内(范围是根据A356的标准制定的),铝水温度对内部品质和外观品质等有很大影响,所以实际操作中将范围控制在690℃±5℃。
4.1.2 模具温度
从方向性凝固的观点来看,模温分布是从浇口往上型方向变低,一般而言浇口温度为560℃~590℃,下型温度为470℃~520℃,上型温度为370℃~420℃,但是为了改善内部品质(强化方向性凝固)、缩短铸造周期,可以进行上型的冷却(例如:水冷、气冷),在链箱盖的上型采用了安装铜板并通水的方式进行冷却(本考虑在上型直接运水,但这样做日后清理水垢较为麻烦,影响金型段取的效率,所以采用了铜板通水冷却的方式进行冷却)。
4.2 加压时间
4.2.1 加压结束点的思考
这是指充型开始到浇口部凝固为止的时间。铝合金一般的凝固温度在560℃~600℃,保压结束时要求浇口部达到90%凝固,所以一般要求浇口上部的温度为560℃左右,金网处温度为590℃左右,就可以视为加压时间的结束点,经过验证,将加压时间最终锁定在了156s。
4.2.2 加压时间选择不合理容易出现的问题点
(1)加压时间过短,浇口不饱满,金网留在下型或金网内未充满铝液,严重时导致制品下侧浇口处出现缩孔(保压不够,未能充分补缩)。
(2)加压时间过长,浇口过长,严重的会导致浇口杯内铝液凝固,引起浇口堵塞,脱模时会拉断水口或拉变形制品,或不能拉出。
4.3 冷却时间的选择
4.3.1 冷却时间结束点的思考
这是从加压完毕到产品脱模的时间,是脱模时冷却到铸件不出现变形、拉伤等的时间。一般而言是加压时间的1/3左右,但和加压时间一样也随温度发生变化。从生产性考虑凝固时间短点好,可以加快冷却速度,以减少脱模的阻力。经过多次的调试,链箱盖的冷却时间最终锁定在45s。
4.3.2 冷却时间选择不当可能引发的问题
(1)冷却时间过短,会导致浇口断掉;
(2)冷却时间过长,如果此时浇口过长的话,可能导致拉出时卡下型或变形。
4.4 加压条件
低压铸造是用气体对铝液面加压使铝液上升进行充型的铸造方法,因此加压条件影响到铝液的流动性,是品质管理的重要项目,具体压力设定如下(图7为压力与升液系统的关系图)。
要件说明:
P1:代表升液压力,即铝水到达升液盖板下端时所需要的压力;
P2:代表充型压力;
P3:代表保压压力;
H1:代表液面到升液盖板下端的高度;
H2:代表液面加压1kg/m2,铝液在升液管提升的高度(根据铝液比重得出值为3.7m);
H3:代表盖板厚度;
H4:代表下型板厚度;
H5:代表制品高度(含冒口高度为150);
H6:代表补缩压头高度(一般设定为100~300之间,这里取中值200)。
压力公式:
重点说明:(1)链箱盖使用了很多砂芯,因此将中子产生的气体高效率地排出模具是很有必要的。但由于链箱盖结构较为复杂,模具上无法充分设计排气,在这种情况下将补缩压力头压力取至上限值可以有效地防止气体卷入产品内部,故链箱盖的保压压力取为0.3kg/cm2。(2)为了防止铝液表面吸收氢气,对作为加压气体使用的空气要进行除湿处理。
5 链箱盖铸件的缺陷及其对策
5.1 管口缩孔
5.1.1 出现位置
管口加工位如图8所示。
5.1.2 现状调查
对制品进行了肉厚的检测,从检测数据中可以看出,该部位的厚度最大达到了8.3mm,而其周边的肉厚也只是在5~5.4mm之间。
5.1.3 原因分析
从如上的数据可以判定该缺陷部位凝固时间相对于周边部位要要长很多,换而言之,就是在制品的凝固过程中,该缺陷部位充当了其它周边部位的补缩冒口,最终导致了缩孔的现象,因此加快该缺陷部位的凝固时间成为对策的突破口。
5.1.4 具体对策
根据客户图纸上的要求,内腔容积有要求,不能够改变,故放弃了对砂芯加厚的方案,只能考虑从外围着手改善。从肉厚检测数据以及图纸上标注的尺寸要求可以看出,该缺陷部位的加工余量单边达到了2.5mm,因此决定进行加工余量消减的改善措施,将加工余量从单边2.5mm削减到1.5mm。
5.1.5 对策后效果说明
采取了两种检测方法进行验证,一种是X光检查,另外一种是较为传统的着色检查,两种方法一共取样48件制品,各24件,没有发现管口有缩松的现象,全部合格,此项改善取得了较好的效果,解决了管口缩孔现象。
5.2 漏气
5.2.1 出现位置
漏气出现位置如图9所示。
5.2.2 现状调查
对出现漏气的位置进行了破坏性检查,发现在预铸销的底部有一个较大的缩孔,并且与砂芯面贯穿。
5.2.3 原因分析
从发生缩孔的位置可以看出,正好是预铸销与砂芯的交接处,形成了热节点,所以导致疏松的现象,如果想避免此热节点的形成,必须加速热节点周边的冷却速度。
5.2.4 具体对策
(1)改善预铸销的结构(如图10所示),增加水冷,使预铸销的冷却速度加快;(2)在砂芯面涂布冷却剂,加速砂芯面的冷却速度。通过以上两个改善方法,可以有效地消除热节点的形成,避免漏气的现象。
5.2.5 对策后效果说明
采取了直接加工成成品后进行压检的方法进行验证,共取样72件制品,在抽样的制品中,漏气率为0,此项改善取得了较好的效果,解决了漏气的现象。
6 量产后三个月实绩
第一个月总产出数为11606,废品分布状况及废品率如表1和图11所示。
第二个月总产出数为16914,废品分布状况及废品率如表2和图12所示。
第三个月总产出数为22092,废品分布状况及废品率如表3和图13所示。
7 结论
根据笔者所在公司从事低压铸造多年的实际经验,对汽车发动机链箱盖进行了铸造工艺分析、制定并实施,从量产后3个月的废品跟踪情况来看,废品率在逐月下降,并且在第三个月达到了目标,目前该产品年产30万件,铸造废品率可以控制在3%以内。证明采用公司独创的低压铸造工艺技术生产汽车发动机链箱盖取得了成功。
铸造铝合金熔炼工艺研究 篇2
摘 要：随着国网的发展，金具行业竞争日趋激烈。为了降低成本，增加市场竞争力，各个公司都从减少材料，增加产品强度、质量上着手。本文对铸造铝合金熔炼工艺进行分析研究，预期到达通过变质处理，细化晶粒，使铸件内部组织细化，从而提高铸件强度。
关键词：变质处理；变质剂及用量；铝合金强度
0 引言
随着国网的发展，金具行业竞争日趋激烈。为了降低成本，增加市场竞争力，各个公司都从减少材料，增加产品强度、质量上着手。
对于铸铝产品，从原材料熔炼及变质处理进行分析研究，预期想到达通过变质处理，细化晶粒，使铸件内部组织细化，从而达到提高铸件强度的目的。
1 变质处理的含义
在Al-Si合金中，通过加入适量的变质剂，使铝液金相组织发生改变，形成细小的共晶体。增强合金的机械性能及伸长率。
2 变质处理必要性
Al-Si合金中的共晶Si，特别是粗大的多角形板状初晶Si，严重地割裂了Al基体，在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，使机械性能特别是伸长率显著降低，切削加工性能也不好。因此，当含Si量高于6%～8%，必须进行变质处理。
3 變质剂分类
近年来，国内外都在探求Al-Si合金新的变质剂和变质方法，据报道，下列元素对共晶体（ā+Si）均可起到不同程度的变质作用，如Na（纳）、Sr（锶）、Y（钇）、Bi（铋）、Sb（锑）、S（硫）等。
4 变质剂的选用
4.1 钠盐变质法：钠盐变质法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不很高的产品，其缺点是：钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对人体和环境都有危害，操作也不太安全，特别是易使坩埚腐蚀损坏，它的充分变质有效时间短，一般不超过1h。钠还使Al-Mg系合金的粘性增加，恶化铸造性能，当钠量多时，还会使合金的晶粒催化，所以一般都不用钠盐变质剂来进行变质处理，以免出现所谓“钠脆”现象。
4.2 铝锶中间合金变质法：这是国外使用的较多的一种长效变质方法。加入量为炉料总重量的0.04%-0.05%的Sr。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧损也比钠盐小，有效变质持续时间长，对坩埚的腐蚀性也比钠盐小，因而可使坩埚的使用寿命延长。这种变质法操作也比使用钠盐安全卫生，不产生对人体和环境有害的气体，变质效果也比钠盐好，一般有80%-90%的良好变质合格率。其缺点是：成本比钠盐高，要预先配制成中间合金。
通过对多种变质剂分析，最后确定选用最适合公司生产使用的Sr（锶）作为变质剂。
5 Sr变质的加入量与熔炼方式
通过不断的实验检测分析，在共晶体和共晶成分的Al-Si合金中加入0.02%～0.06%Sr时，合金能有效地变质，且锶的变质有效时间为6～7小时。但重熔时，不易用氯盐进行精炼，且熔炼超过6～7小时后，必须另加Sr进行重新变质。
Sr含量对合金性能的影响：下图为ZL102合金的实际含Sr量和机械性能的关系，由图可见，含Sr量0.02%～0.06%时，抗拉强度和塑性达到最大值，随后性能下降。因为Sr含量超过0.06%后，出现新的脆化相，使合金性能变坏。
锶变质的熔炼过程：在铝料经过熔炼、精炼、除气、扒渣后，锶以Al-Sr合金加入铝液中，进行搅拌熔炼。待5～10分钟后，即可进行炉前检验，判断变质效果。
6 实验结果
下表为未经Sr变质和经过Sr变质的产品拉力实验结果；
[产品
名称
悬垂线夹主体
悬垂线夹主体
悬垂铝套壳][产品
型号
CGF-10044
CGF-10040TG
TK-05][材料
ZL102
ZL102
ZL102][未加Sr的
抗拉强度
102kN
105kN
101kN
100.8kN
80kN
79.1kN][加入Sr的
抗拉强度
160kN
155kN
148kN
140kN
95kN
98kN]
结果分析：通过实验，我们证实经过Sr变质的产品，抗拉强度和伸长率都远远大于未经Sr变质的产品。所以，Sr变质起到细化晶粒，使铸件内部组织细化，提高铸件强度的作用。
参考文献：
[1]铸造有色合金及其熔炼[M].河北工学院科技情报研究室，1985.5.
[2]铸造有色合金手册[M].机械工业出版社，1978.4.
[3]铸造手册[M].机械工业出版社，1993.2.
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低压铸造机压力检测单元改进 篇3
GIMA低压铸造机压铸轮毂时是通过向封闭的低压保温炉充入干燥压缩空气, 压缩空气将铝水从升液管压入轮毂模具中充型而成。充型过程中, 铸造机控制系统需要根据压力检测单元反馈的信号 (检测炉内压缩空气压力) , 实时调整进入保温炉的干燥压缩空气量。压力检测单元由零压开关、超压开关和压力传感器组成。零压开关监测炉内零压力时的压力。自动状态下, 铸造机在打开模具之前, 由于密闭保温炉和封闭模具组成的封闭体压力不可能绝对为零, 因此出厂时通过拨动零压开关的调节旋钮将其压力设定为4.5 k Pa (45 mbar) (此时炉体内铝水不会从升液管进入模具造成跑铝) 。自动状态下, 若超压开关监测到炉内压力超过100 k Pa (1 000 mbar) , 执行单元会及时关闭主进气阀和数字式组合阀, 并在铸造系统显示单元出现超压报警。压力传感器将监测到的炉内压力转换为4~20 m A的电流信号传给接口单元并显示在铸造系统工控机上, 工控机根据信号实时调整数字阀岛的开关数量及阀体接通时间, 以使升液曲线与理论曲线趋于吻合。
压力检测单元工作是否正常直接影响轮毂铸造质量。目前GIMA铸造机使用已近10年, 且零压开关和超压开关均为机械式压力开关, 开关触点频繁动作, 多数已出故障, 从国外购买价格昂贵。经过调研, 最终采用1个具有数显单元和两个输出点的SMC ISE40-01-62L-M型压力开关代替原零压开关和超压开关;压力传感器改用北京鑫诺金CEMPX213型压力传感器。
压力检测单元改进后, 铸造机铸造轮毂时的炉内压力值可通过SMC ISE40-01-62L-M数字显示屏和工控机显示屏观测。正常情况下, 两个压力值应基本相同, 便于铸造机铸造系统故障排除。
低压铸造工艺 篇4
1 铝合金车轮发展
改革开放以来, 我国对于压铸件的需求日益提升, 因此, 大量的铝合金铸造厂逐渐繁荣起来。进入21世纪, 中国的铝合金车轮产业发展迅速, 但与国外相比还存在一定的差距, 其主要问题在于生产设备落后, 工艺有待于进一步提高, 从而导致不合格产品居多。
我国的铝合金铸造技术起步较晚, 解放后才逐渐重视铝合金铸造工业。在20世纪80年代, 中国的铝合金车轮开始逐步发展, 并在20世纪90年代得到了跨越式发展。当铝合金车轮企业在我国如雨后春笋般迅速蔓延后, 对于铝合金车轮技术的研究也提上日程, 尤其是对于铝合金车轮铸造缺陷的分析则不断涌现出新的理论。
2 铝合金车轮低压铸造
在现阶段, 人们更加倾向于能源利用高、污染小的汽车, 这也是汽车制造商在选择材料时需要考虑的因素。在各种考虑因素中, 汽车减重很重要, 为了满足顾客的需求, 当各项性能不断满足的同时, 其带来的必定是车身自重的提升, 这就需要采取轻质材料, 通过减重提高燃油的经济性。铝合金强度高, 轻便, 耐腐蚀性强, 成为轻质材料中的首选。
铝合金车轮低压铸造技术是在金属型铸造基础上积累经验发展起来的。其主要就是将金属在密闭的容器中融化后, 借助液面上的压缩性惰性气体或空气的压力降金属液通过升液管压入型腔, 使其在压力状态下逐渐凝固。然后再减小液面上的压力, 使升液管中未农谷的液相金属液回落到熔炉中。低压铸造技术生产的铸件质量高, 结构紧密, 能够节约大量的制造成本。目前, 该技术在国内外应用得十分广泛, 大约有90%的汽车车轮采用低压铸造的方法。铝合金车轮采取低压铸造技术可大大提升产品的性价比, 质量上乘。
3 铝合金车轮低压铸造缺陷分析和控制
铸造缺陷是制约铝合金低压铸造发展的主要因素。常见的铸造缺陷有裂纹、缩孔、针孔、氧化膜夹杂等。国内学者针对这一现象做了大量的研究工作。有学者针对A356铝合金车轮低压铸造缺陷进行了分析, 并对相关现象出了自己的观点, 还提出了工艺方面的改进措施。还有学者针对裂纹的形成与消除提出了观点, 由于裂纹形成原因复杂, 所以在防范裂纹生成时, 需要调整车轮结构、设置合理圆角、提高模具温度、合理设计升液系统等。
铝合金车轮的铸造技术要求很高, 其要满足各种要求, 如车轮的气密性、表面抛光、几何公差和旋转平衡等。但铸造缺陷的存在将大大限制满足这些要求的可能性。作为铝合金车轮铸造技术中不可避免的问题, 关于铸造缺陷的研究、分析和改善更加重要。
3.1 裂纹
作为低压铸造中的常见缺陷, 裂纹关系到企业的生产成本和生产效率, 更关系到汽车的安全性。裂纹主要是由于应力集中产生的, 分为冷裂纹和热裂纹。冷裂纹主要是因为铸件冷却时内部应力超过铸件自身强度的极限而形成的裂纹, 多生成在铸件表面。热裂纹则主要产生于合金的凝固之中, 这主要取决于固态收缩是否会受到阻碍, 如果没有阻碍就不会产生热裂纹, 而一旦受到阻碍, 就可能会因应力的存在而导致枝晶间的液体金属薄膜未凝固而产生热裂纹, 因为如果开裂速度过快, 这些金属液无法及时填满开裂部位, 裂缝自然就会形成。
为了避免产生裂纹, 首先, 需要合理设计升液系统。升液管不宜过长, 否则会使金属液过早凝固。要尽力缩短金属液面与浇口间的距离。扩大保温层厚度, 可以通过增加保温套的直径来实现。然后还要采取保温功能好的材料。增加升液管的直径, 以防过早凝固。
3.2 缩孔缩松
缩孔缩松是压铸车轮中的常见缺陷。缩孔主要体现在显微组织中未形状不规则、不光滑、大而集中的空洞, 而缩松则表现而小而分散的孔洞。缩孔缩松缺陷主要是由于和在凝固过程中没有得到很好的补充区域所出现的现象。缩孔缩松会降低材料的性能, 减少产品的寿命。根据实践可知, 缩孔缩松主要出现在轮辐、轮芯和轮辋部位。缩孔缩松与合金液的温度、充型速度、保压时间及顺序凝固有关。
关于缩孔缩松的控制, 第一, 要冷却合金液充型的温度;第二, 提高保压的压力和时间。第三, 科学设计车轮结构。第四, 通过合理的冷却方式与系统保证凝固的正确顺序。
3.3 微孔
微孔又称之为气孔, 其尺寸很小, 形成机理较为复杂。受到氢的溶解度影响, 合金液在不断吸入氢后, 会不断溶解氢, 当达到其溶解度后, 一些被溶解的氢气会释放出来, 如果氢的浓度大于凝固区域的压力, 这时候就会形成气孔。气孔的多少和大小不仅与溶解在铝合金液中的氢浓度有关, 还受到凝固条件的影响。金属液在不断凝固的过程中, 尤其到了最后阶段, 局部压力的下降速度很快, 这样就会因分压超出局部压力值而形成气孔。气孔的形成无法避免, 而且气孔的数量与时间有关, 如果铸件在夏天和秋天生产, 那么气孔的数量就会增加。
气孔不仅影响车轮的美观和装饰, 还会影响车轮的疲劳寿命。所以针对气孔的控制措施亦要开展。第一, 使用的炉料可以将氢清除干净, 改进排气装置的排气功能。第二, 铝液充型时能够保持合金液按照顺序充型。第三, 涂料的选择要慎重, 尽量选择发气量少的类型。
结束语
综上所述, 关于低压铸造铝合金车轮主要缺陷分析与控制需要高度重视, 这样才能不断提升铝合金车轮的性能, 提高车辆驾驶的安全系数。低压铸造在铝合金车轮的生产中具有不可或缺的影响力, 其拥有许多铸造方式缺乏的优点, 所以更要高度重铸造缺陷对车轮的质量影响。
摘要：铝合金车轮的低压铸造技术不容忽视, 其不仅可以大大降低制造成本, 也可以提升产品质量。在低压铸造中, 不容忽视的是各种各样的铸造缺陷, 生产企业每年因铸造缺陷报废的车轮数量庞大, 所以研究铝合金车轮低压铸造缺陷, 找到解决对策则显得意义重大。
关键词：低压,铸造,铝合金车轮,缺陷
参考文献
[1]张响.铝合金车轮数字化仿真及工艺优化[D].杭州:浙江大学, 2008.
[2]朱利利.低压铸造铝合金车轮主要缺陷分析与控制[D].秦皇岛:燕山大学, 2015.
[3]苏大为.铝合金汽车轮毂低压铸造过程的数值模拟及工艺优化[D].南京:江苏大学, 2008.
[4]刘宏磊.A356.2铝合金车轮显微组织及力学性能的研究[D].秦皇岛:燕山大学, 2015.
[5]周.汽车用铝合金车轮低压铸造过程的数值模拟及其疲劳性能分析[D].南京:江苏大学, 2009.
低压铸造工艺 篇5
1 模糊控制概述
模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础的自动控制系统。它是一种具有反馈通道的闭环控制系统，可利用计算机控制技术构成。具有智能的模糊控制器是它的核心，也是它区别于其它控制系统的特点所在。
模糊控制系统如图1所示。它由模糊控制器和控制对象组成，图中虚线部分为模糊控制器，它由模糊化接口、语言规则库、模糊推理机构和清晰化接口等部分组成。模糊控制器的核心部分是语言规则库和模糊推理机构[2]。模糊控制器以控制过程实测变量与系统设定值的差值为输入变量，它是确定的清晰量。偏差通过模糊化处理，用模糊化语言来描述。模糊推理机构的功能为实现论域的转换，它根据语言规则库将输入变量模糊集变换为输出变量模糊集，得到输出模糊控制变量，该变量经过清晰化处理得到可操作的确定值，进而控制被控对象动作。模糊控制系统的优点如下：
(1)模糊控制系统无需知道被控对象的数学模型，特别适合于复杂系统采用。
(2)具有智能性和学习性。基于专家知识或熟练操作者的成熟经验的模糊控制中知识表示和模糊规则可通过学习不断更新。
(3)模糊控制系统的核心模糊控制器以计算机为主体，兼有数字控制精确等计算机控制系统的特点。
2 控制系统设计
如图2所示。控制系统包括前馈控制器、模糊控制器和PI控制器。前馈控制器使用纯比例的环节，因此，无需深入分析，只要在现场调试时，找到符合要求的3个比例参数即可。
其中，模糊控制器主要是快速抑制各种干扰，使压力不会偏离给定值太多。模糊控制器由模糊化接口、语言规则库、模糊推理机构和清晰化接口等功能单元组成。模糊控制器以压力的误差和误差变化量作为输入，调节阀的开度变化量作为输出。根据实际要求，误差必须始终为正，即实际压力不允许超过给定的压力值。模糊控制器首先对输入变量进行模糊化处理使其由精确值变为模糊量，而后根据输入量及模糊控制规则，通过模糊推理生成干锅液面加压的模糊控制量，最后将该模糊控制量进行清晰化处理，得到变频器的输入信号，控制干锅液面加压。模糊控制器的功能可通过PLC同上位机完成[3]，其模糊控制算法由软件实现。上位机通过其与PLC的通信接口接收运算数值并完成模糊控制器的功能，而后将运算结果传送回PLC中进行控制。
系统工作时通过传感器实时采集干锅气压，并将其对应的信号输入模糊控制器，通过其模糊推理计算出所需的液面加压控制量并输出，进而调节干锅液面加压，使其随干锅气压的变化而变化。
3 结束语
本文针对低压铸造中干锅气压液面加压控制问题提出了一种区别于传统控制方法的模糊控制方法，解决了控制系统难以建立精确的数学模型的问题。系统以干锅气压为参数，通过模糊控制器的计算，对干锅气压进行实时调节。控制系统构造容易，具有智能性和学习性，不但具有模糊控制不依赖于复杂系统的精确数学模型的特点，而且具有友好的人机界面，具有较好的稳定性和较高的控制精度。
参考文献
[1]姚锡凡, 陈统坚.低压铸造液面加压控制系统的发展与趋势[J].中国铸造装备与技术, 1998, (4) :13-14.
[2]宋胜利.智能控制技术概论[M].北京:国防工业出版社, 2008.
低压铸造工艺 篇6
铝合金低压铸造知识数据库是在对铝合金低压铸造工艺及其实例等各种信息进行详细的分析、归类、总结和研究的基础, 结合工艺设计过, 抽取出了相对于设计人员比较重要的各种几何与非几何信息建立而成的[1]。
1 知识的表示形式
知识表示在KBE系统中非常重要, 有两个原因:第一, KBE系统外壳是为某种类型的知识表示方法设计的, 例如规则或逻辑;第二, 一个KBE系统表达知识的方式影响着系统的开发、效率、速度和维护。
在KBE系统中有:知识+推理=KBE系统[2]。
现行的知识表示形式有许多。包括规则、语义网、框架、脚本以及知识表示语言如KL-1、KPYPTON、概念图和其他一些语言[8]。产生式规则常被作为知识库而用在专家系统中, 因为其优点大大超过了缺点。
定义产生式的一种形式方法是Backus-Naur范式 (BNF) [3]。这种方法是一种定义语法的元语言。语法定义了形式, 而语义指出了含义。
语言的种类很多, 有自然语言、逻辑语言、数学语言和计算机语言。如“一个句子由一个名词和一个动词及标点符号组成”, 这个简单的语言规则的BNF为:<句子>::=<主语><动词><结束标志>。这里的尖括号<>和::=称为元语言符, “::=”意为“被定义为”。尖括号中的项称为非终结符, 一个非终结符是表示其它项的变量。其它的项既可以是非终结符, 也可以是终结符。一个终结符不能被其它任何项所代替, 因此它是常量。
<主语>::=I|You|We
<动词>::=left|came
<结束标志>::=.|?|!
语言中所有的可能的句子, 都可以这样来生成, 依次用右边的非终结符或终结符来代替左边的每个非终结符, 直至所有的非终结符被消除为止。下面就是这样一些产生式:I left.Ileft?I left!You left.You left?You left!。
一组非终结符称为语言的串。如果这个串是从开始符号通过使用产生式规则不断替换非终结符而获得的, 那么它就是一个合法的句子。例如“We”, “We We”都是合法的串, 但不是合法的句子[4]。
铝合金低压铸造浇注工艺的产生式设计如下:
<浇注工艺>::=<浇注系统><加压规范>
<浇注系统>::=<升液管><横浇道><内浇道><结构>
<升液管>::=<升液管类型><升液管长><升液管出口面积>
<横浇道>::=<横浇道面积><长度>
<内浇道>::=<内浇道面积><长度>
<结构>::=<布置方式><位置><数量>
<升液管类型>::=<直筒形><正锥口形><倒锥口形>
<加压规范>::=<升液速度><充型速度><充型压力><增压压力><保压时间><释压延时冷却时间>
语法树或派生树是一种把句子分解成所有非终结符和终结符, 以便得出知识的图形表示。图1为浇注工艺知识的语法分析树。
2 数据库的基本架构
知识数据库的设计采用模块化的思想, 根据系统的功能, 知识数据库中划分三个子模块, 它们分别是:显性知识子模块、三维实体子模块、规则知识子模块。
铝合金低压铸造KBE系统的最终目的是要得到一个较为详细的工艺流程卡, 所以数据库必然需要存储有工艺设计过程所涉及到的显性知识, 因此建立显性知识子模块, 为了方便管理和调用, 并结合知识的获取机制, 这些显性知识被划分为不同的属性分别存储。
工艺的设计通常是一个与几何 (如铸件结构、浇注系统尺寸等) 相关的过程, 基于KBE的设计如果能将设计方案反映到三维实体建模上, 无疑将使设计结果更为直观。基于这种思想, 建立三维实体子模块, 在该模块中存储铝合金低压铸造系统所需部件的STL文件, 为了方便调用STL文件, 每个STL文件在数据库中都将会有一个定性和定量的描述。例如升液管的描述将包括:名称 (升液管) , 直径 (mm) , 管长 (mm) , 类型 (直通型、正锥口型、倒锥口型) 。
工艺的设计常常需要一般原理性知识 (即隐性知识) 作为指导, 因此它是一个基于许多规则的过程, 如加压压力的确定就基于一些基本的公式, 推理模块在进行推理时, 需实时动态调用数据库中的有关规则的知识, 所以知识库中设有规则知识子模块。一个完整规则的BNF产生式为:规则=IF逻辑式THEN逻辑式[6]。
知识数据库模块的基本结构如图2所示。
3 总结
在本文中, 作者设计了铝合金低压铸造KBE系统知识数据库系统的整体架构, 阐述了基于产生式规则的知识表示方法, 并由此设计了知识数据库知识的表现方法。
参考文献
[1]娄臻亮, 赵震, 彭颖红等.工程设计KBE系统概述[J].机械科学与技术, 2001, 20 (3) :469-472
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[3]N.Sirilertworakul, P.D.Webster, T.A.Dean.A knowledge base for alloy and process selection for casting[J].Int.J.Mach Tools Manufacture.1993, 33 (3) :401-416
[4]李日, 李梅娥等, 铸造方法选择的专家系统研究与开发[N].西北工业大学学报, 1988 (8)
[5]谷建光, 张为华, 解红雨.实例与经验相结合的产品设计知识获取技术[J].计算机集成制造系统, 2008, 14 (3) :417-424
低压铸造工艺 篇7
关键词：低压铸造,铝轮,解决方案
据统计, 2007年我国铝合金车轮的年生产量已近8000万件, 这意味着我国已成为全球最大的铝轮生产基地。然而, 与汽车工业一样, 大国并不等于强国, 我们的铝车轮品位与欧洲、日本产品相比还存在差距, 用户的信任度仍不高, 生产厂合格率还不尽如人意, 产品退货时有发生……原因何在?抛开观念、管理上的原因不说, 即便从技术角度, 我们还只停留在传统的生产技术上, 对传统技术中存在的某些问题点还没有引起足够重视, 更不用说改进和创新。采用传统低压铸造铝合金车轮, 存在着轮盘处过热、深轮辋铝液充型倒流和保温炉铝液品质欠稳定等问题, 针对这些问题本文提出了相应的解决方案。
问题点
1. 铸件与浇口衔接部位的过热问题
众所周知, 现在国内铝轮生产企业多数采用低压铸造法来生产铝车轮铸坯, 且一般都认为低压铸造的车轮铸坯品质要优于重力铸造的车轮铸坯, 但多年的事实证明, 这种观点是一种认识片面的误区。以图1这种典型的铝车轮产品来说, 这种产品都以图中位置来设计模具, 中心底部设置低压铸造的浇口, 我们可从中看出:铝液在充填型腔时, 整个车轮的全部铝液, 都要通过与浇口衔接的轮盘部位才能使整个车轮成形, 由于高温铝液流动过程的热量连续加热模具中心部位, 使这里的模具吸收大量热量而处于高温状态。当铸件在结晶凝固过程中, 由于这里的过热使铝液凝固速度缓慢, 虽然这里的慢冷有利于顺序凝固中浇口处最后凝固、确保铸件充分补缩的特点, 但也会由于凝固速度过慢而造成整个轮盘部分结晶晶粒十分粗大。实践证明, 采用传统低压铸造法得到的铝车轮产品, 其轮盘部位的力学性能是整个铸件最糟糕的部位, 尤其是这里的韧性十分差, 延长率很低。作为汽车A级安全产品的车轮, 这里的低延长率意味着存在危险的隐患。
相比之下, 采用边浇口的重力铸造就不存在中心部位的过热问题, 所以用这种方法得到的车轮, 其轮盘部位的结晶要比低压铸造细, 该部位的力学性能也优于同产品的低压铸件。也正因如此, 不少车轮制造商, 特别是日本、台湾的不少企业, 不惜忍着材料利用率低的弊端, 仍坚持采用重力铸造法生产车轮铸坯。
2. 负偏距车轮轮辋处充型的倒流问题
由于铝车轮的结构并非都像脸盆那样, 能满足低压铸铝液充填时自下而上的充填过程, 型腔中的热气体能在铝液推力下朝上面排气通道顺畅排出。大多铝车轮的结构是轮盘处于轮辋中间部位, 在低压铸造中, 铝车轮中间的轮盘和轮辐承担着整修各铸件内浇道的作用, 所以轮盘安装面的位置也就决定了这个内浇道的位置。而铝车轮结构有着如图2那样三种类型, 第一种内偏距型就是像脸盆似的, 对上述的自下而上充型条件很有利。但图中的零偏距和外偏距结构车轮, 铝液在充填经轮中间辐后, 有相当多的铝液要自上而下地“倒流”, 这在低压铸造这种封闭型的模腔中是十分忌讳的情况, 尤其是对那些轮唇很深的车轮, 这种矛盾会更加突出:由于型腔中热空气在充填铝液的“压迫”下自上而下运行, 而热空气本身的运行方向是向上, 这样, 很易在轮辋的型腔中产生背压, 阻止铝液的正常充填, 在这种背压的作用下客易造成铝液充填的不稳定, 如果模具排气条件欠周到, 很有可能在该部位引起紊流或卷气等缺陷。也正因如此, 在只有低压铸造工厂里, 对这类产品的铸造十分头痛, 像这种具有严重倒流结构铸件采用传统中心浇口来生产, 不能说是一种好选择。
3. 保温炉内铝液品质的稳定性问题
众所周知, 材料性能的优劣取决于组织的三化 (净化、细化和均匀化) , 但现在铝轮铸造过程中所用的铝液普遍存在两个不能忽视的问题:
(1) 铝液的净化、变质和细化处理都是孤立地进行的, 或者说有点儿主次不分。研究表明, 铝液的净化是变质和细化的基础, 是得到优质铝液的关键, 前者做不好, 后者效果也受到抑制。
(2) 从熔化开始到进低铸保温炉, 一直到完成铸造的整个全过程, 铝液不断受着氧化和吸气的威胁, 如果只重视熔炼炉出来的铝液作认真精炼处理而忽略全部铸造过程中铝液的品质变化, 不仅不能保证大批量生产中铸件的品质, 而且给铝车轮产品的安全性带来极大隐患。
目前国内铝轮生产厂的低压铸造保温炉, 容量一般在500800kg, 按现有的生产节奏, 一般需要2~2.5h才能用完这些铝液。实践证明, 在这2.5h的过程中, 铝液品质随着时间的推移, 在起着不同程度的变化。由于传统的低压铸造保温炉是处于封闭状态下工作的, 一般情况下, 对其铝液品质的变化较难发现, 这就很难确保大量生产中, 全部铸件品质的重复一致性。这对大量生产, 特别是O E M (贴牌生产) 的产品质量稳定是一个极大的隐患。
实践证明, 如果不采取措施, 初始加入低压铸造保温炉的铝液, 在经过2.5h铸造后, 铝液中的含气量和氧化夹杂量就会有明显的增加。不言而喻, 这些影响铝液品质的因素自然也将体现在铸件品质上。
解决方案
从目前国内低压铸造工艺和设备的现状来看, 多数厂家都是移植和引进, 所以操作和工艺也受到了装备的限制。本文针对上述所提及的几个问题, 做出几种方案进行探讨。
1.方案一:采用多道浇口
该方案是针对问题点一和二, 见图3。由于轮辋上添加了两个辅助浇道, 铝液充填到型腔中的通道比单一浇口有了明显的分流, 使得原来中间浇道的液流大幅度减少, 分流该部位的过热, 从而轮盘处的热量集中度显然减少。情况大大得到改善, 铸件凝固结晶, 轮盘处的力学性能也相应得到改善。该对策另一个好处是对深轮唇的铝车轮, 边浇口的存在防止了下轮辋部位在充型过程中的“倒流” (自上而下) 弊端, 也防止了由此而产生的铸造缺陷。当然, 采用该方案涉及铸造机和模具结构均需有较大改变, 但对提高车轮轮盘处力学性能而言, 应该说是一个有效方案。国外有些国家已将该法作为对付特定车轮产品的重要对策并制造了对应的低压铸造设备。
2.方案二:强化铝液净化和铝液转运手段
(1) 提高铝液的纯净度前述传统的铝液精炼处理将除气精炼、变质和扒渣等操作工艺孤立地进行, 也不重视熔体处理中的净化、变质、晶粒细化三者作用的联系。事实上, 净化是铝熔体处理的关键, 是变质和细化的基础。这里指的净化并非只指去除那些铝液中的机械夹杂, 而是指熔炼过程中可能产生的非金属氧化夹杂, 尤其是Al2O3, 因为铝只要与空气接触就会产生铝氧化物, 而它在铝液中是所有不良物的载体 (包括氢) , 一旦不良物进入载体, 即使用先进的精炼除气方法也很难从中去除。研究表明, 常规的除气方法只能除去铝液中90%的氢, 另外10%躲在载体 (Al2O3) 中的不良物, 需要从根本上去消除载体 (Al2O3) 着手, 而这种载体又分分秒秒可能在与空气接触中产生, 使不良物不断进入铝液中, 从而不断使铝液品质下降。
目前全世界都在为净化铝而做大量的开发和努力, 据现在笔者所了解的对策有:
(1) 陶瓷过滤净化处理法:日本三井金属矿业株式会社已经在我国很多展览会上推出了这项技术, 见图4。其原理是将经过精炼除气的铝液, 通过集装的陶瓷过滤管, 过滤通径十分细小, 由于过滤面积很大, 完全能满足大生产的需要且效果十分良好。
(2) 电磁净化法:这是上海交大推出的新技术, 见图5, 它是利用夹杂和金属液之间的导电性差异, 通过施加电磁场使夹杂物产生定向迁移而实现与金属液分离的方法, 具有除杂效率高、效果稳定和洁净无污染等优点。据介绍该技术已在包头铝厂得到生产应用, 可以做到去除不小于10μm夹杂物且效果更优于美国和日本的同类技术。
1.静止炉2.流槽3.除气精炼4.滤包5.陶瓷管分离器6.磁场发生器7.出液
(3) 活性熔剂吸附法:这是一种将净化、变质和细化综合联系起来的方法, 由福州大学推出, 已经在我国铝带箔、罐用材得到应用, 并正在向铝车轮行业推广应用。其原理是利用活性熔剂界面与高温铝液充分接触, 使铝液中氧化夹杂被胶体活性熔剂吸附, 由于胶体熔剂中通道与夹杂是同性电荷, 所以不会堵塞吸附通道, 可以连续吸附铝液中的夹杂, 从而达到净化铝液的效果。也由于有了铝液净化的基础, 对熔剂作多元化配合, 使净化、变质和细化综合联系了起来, 实际应用已证明该法对铝材质起了突出的提高。
(2) 减少铝液转运过程中与空气接触机会即便经过精炼处理的铝液在与空气接触过程中, 仍存在二次污染的危险, 这是铝车轮铸造过程中普遍存在的问题 (铝液清洁度越差, 这种危险性也越大) 。所以铝液从完成熔炼转运到保温炉作低压铸造的全过程中如何尽量减少接触空气的机会, 是广大铸造工作者面临的课题。这个问题的对策需要从低压铸造装备上多考虑:
(1) 转运包兼作保温炉法:这种方法国内已有不少单位在应用, 即熔炼炉出来的铝液直接进入保温炉。铝液的全部精炼处理全在保温炉中进行。样做的最大好处是精炼后的铝液不需再通过倾注转运的过程, 从而有效减少与空气接触的机会, 减少铝液产生二次污染的机会。实践证明:用移动保温炉铸出的车轮品质明显优于熔池式保温炉的车轮品质。工厂里在安排产品生产时, 对品位高的产品都是放在移动保温炉上做的。
(2) 精炼-保温双槽一体化低压铸造炉:日本TOUNETSU (东热) 株式会社推出的这种炉见图6所示, 利用浸渍式加热的优势, 实现了铝液免去转运的可能。据悉, 该法已在日本、韩国等汽车配件企业得到应用, 对确保铝液品质自然是不言而喻的。
结语
用传统低压铸造法生产铝车轮, 有着金属利用率高、铸件气密性好等特点, 但并非所有结构车轮都适合。对深轮唇结构的产品, 可以模仿重力铸造法那样, 采用辅助浇口的办法来应对。
传统低压铸造生产的铝车轮, 其中间轮盘部位由于热量集中, 易形成粗大的树枝状结晶, 从而严重影响力学性能。
铸造钢锭工艺的研究 篇8
关键词：熔炼工艺,钢液合金化,生产链
1 原材料准备
废钢是电弧炉炼钢的主要材料, 废钢质量的好坏直接影响钢液的质量、成本和生产率, 因此, 对废钢质量有如下几点要求。
(1) 废钢表面应清洁少锈, 因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性能, 延长熔化时间, 还会影响氧化期去磷效果及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾有油污时还会降低钢和合金元素的收得率, 并增加钢中的含氢量。
(2) 废钢中不得混有铅、锡、砷、锌和铜等有色金属。铅的密度大, 熔点低, 不溶于钢液, 易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故;锡、砷和铜易引起钢的热脆。
(3) 废钢中不得混有密封容器, 以及易燃、易爆物和有毒物, 以保证安全生产。
(4) 废钢化学成分应明确, 且需按成分分类存放, 硫、磷含量不宜过高。
(5) 废钢外形尺寸不能过大 (截面积不宜超过300m m×300m m, 最大长度不宜超过350m m) 。
2 冶炼工艺要点及说明
其操作过程分为:补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。因主要由熔化期、氧化期、还原期组成, 俗称老三期。
2.1 补炉:影响炉衬寿命的“三要素”
(1) 影响炉衬寿命的"三要素":炉衬的种类、性质和质量;高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀;吹氧操作与钢渣等机械冲刷以及装料的冲击。
(2) 补炉部位:炉衬各部位的工作条件不同, 损坏情况也不一样。炉衬损坏的主要部位如下: (1) 炉壁渣线受到高温电弧的辐射, 钢渣的化学侵蚀与机械冲刷, 以及吹氧操作等损坏严重; (2) 出钢口附近因受钢渣的冲刷也极易减薄; (3) 炉门两侧常受急冷急热的作用, 流渣的冲刷以及操作与工具的碰撞等, 损坏也比较严重。
(3) 补炉方法分为人工投补和机械喷补, 根据选用材料的混合方式不同, 又分为干补和湿补两种。补炉的原则是:高温, 快补, 薄补。
(4) 补炉材料主要用镁砂, 白云石或两者的混合物, 并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。
2.2 装料
目前, 广泛采用炉顶料罐和电磁吸盘装料, 每炉钢的炉料分1～3次加入。装料的好坏影响炉衬寿命, 冶炼时间, 电耗以及合金元素的烧损等。因此, 要求合理装料, 这主要取决于炉料在料罐中的布料合理与否。现场布料 (装料) 经验:下致密, 上疏松, 中间高, 四周低, 炉门口无大料, 穿井快, 熔化快, 效率高。
2.3 熔化期
传统冶炼工艺的熔化期占整个冶炼时间的50%～70%, 电耗占70%～80%。因此熔化期的长短影响生产率和电耗, 熔化期的操作影响氧化期、还原期的顺利与否。
(1) 熔化期的主要任务:将块状的固体炉料快速熔化, 并加热到氧化温度;提前造渣, 早期去磷, 减少钢液吸气与挥发。
(2) 熔化期的操作:合理供电、及时吹氧、提前造渣。1) 炉料熔化过程及供电:装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程基本可分为四个阶段, 即点弧, 穿井, 主熔化及熔末升温。点 (起) 弧期从送电起弧至电极端部下降到一定深度时为点弧期。此期电流不稳定, 电弧在炉顶附近燃烧辐射, 二次电压越高, 电弧越长, 对炉顶辐射越厉害, 并且热量损失也越多。为保护炉顶, 在炉上部布一些轻薄料, 以便让电极快速进入料中, 减少电弧对炉顶的辐射。点弧结束至电极端部下降到炉底为穿井期。此期虽然电弧被炉料所遮蔽, 但因不断出现塌料现象, 电弧燃烧不稳定, 应注意保护炉底, 办法是加料前采取外加石灰垫底, 重废钢以及合理的炉料。供电上采取较大的二次电压、较大电流, 以增加穿井的直径与穿井的速度。主熔化期由于电弧埋入炉料中, 电弧稳定, 热效率高, 传热条件好, 故应以最大功率供电, 即采用最高电压最大电流供电。主熔化期时间占整个熔化期的70%以上。
(3) 缩短熔化期的措施:1) 减少热停工时间, 如提高机械化、自动化程度, 减少装料次数与时间等;2) 强化用氧。如吹氧助熔, 氧-燃助熔, 实现废钢同步熔化, 提高废钢熔化速度;3) 提高变压器输入功率, 加快废钢熔化速度;4) 废钢预热, 利用电炉冶炼过程产生的高温废气进行废钢预热等。
2.4 氧化期
氧化期是氧化法冶炼的主要过程, 能够去除钢中的磷、气体和夹杂物。当废钢料完全熔化并达到氧化温度, 磷脱除70%～80%以上进入氧化期。为保证冶金反应的进行, 氧化开始温度高于钢液熔点50～80℃。
(1) 氧化期的主要任务:脱磷———继续脱磷到要求;脱碳———脱碳至规格下限;二去———去除气体、杂质;温度———升温, 提高钢液温度。
(2) 氧化期操作
造渣与脱磷:传统冶炼方法中氧化期还要继续脱磷, 2[P]+5 (FeO) +4 (CaO) = (4CaO P2O 5) +5[Fe]△H<0由脱磷反应式可以看出:在氧化前期 (低温) , 造好高氧化性, 高碱度和流动性良好的炉渣, 并及时流渣, 换新渣, 实现快速脱磷是可行的。
氧化与脱碳:近些年, 强化用氧实践表明:除非钢中磷含量特别高需要采用碎矿 (或氧化铁皮) 造高氧化性炉渣外, 均采用吹氧氧化, 尤其当脱磷任务不重时, 通过强化吹氧氧化钢液降低钢中碳含量, 降 (脱) 碳是电炉炼钢重要任务之一, 然而脱碳反应的作用不仅仅是为了降碳, 脱碳反应的作用如下:降低钢中的碳, 利用碳-氧反应 (→CO) 这个手段来达到以下目的:搅动熔池, 加速反应, 均匀成分;去除钢中气体与夹杂。实际上, 电炉就是通过高配碳, 利用吹氧脱碳这一手段来达到加速反应, 均匀成分、温度, 去除气体和夹杂的目的。脱碳反应与脱碳条件:[C]+[O]=CO↑, △H=-0.24kcal=-22kJ<0分析:该反应是在钢中进行的放热反应。高氧化性, 加强供氧, 使[%O]实际>[%O]平衡。高温加速C-O间的扩散[由于脱碳反应是"弱"放热反应, 温度影响不大 (热力学温度) , 但从动力学角度, 温度升高改善动力学条件, 加速C-O间的扩散, 故高温有利脱碳的进行]。降低压强, 如充惰性气体 (A O D) , 抽气与真空处理 (V D, V O D) 等降低PCO均有利于脱碳反应。
2.5 还原期
传统电炉冶炼工艺中, 还原期的存在显示了电炉炼钢的特点, 而现代电炉冶炼工艺的主要差别是将还原期移至炉外进行。
(1) 还原期的主要任务脱氧、脱硫、调整成分、调整温度。其中, 脱氧是核心, 温度是条件, 造渣是保证。1) 脱氧方法:沉淀脱氧, 扩散脱氧及综合脱氧法。电炉炼钢采用沉淀脱氧法与扩散脱氧法交替进行的综合脱氧法, 氧化末还原前用沉淀脱氧进行预脱氧, 还原期用扩散脱氧, 出钢前用沉淀脱氧进行终脱氧。其中沉淀脱氧反应式:x[M]块+y[O]= (M x O y) ↑沉淀脱氧是将块状脱氧剂加入钢液中, 直接进行钢液脱氧。常用的脱氧剂有Fe-M n, Fe-Si, A l和复合脱氧剂M n-Si, Ca-Si等, 脱氧能力依次增加。该法的特点:操作简单, 脱氧迅速;当上浮时间短时脱氧产物易留在钢中。扩散脱氧反应式:x (M) 粉+y (FeO) = (M x O y) +y[Fe]扩散脱氧是将粉状脱氧剂加在渣中, 使炉渣脱氧, 钢中氧再向渣中扩散, 间接脱出钢中氧。粉状脱氧剂有Fe-Si, Ca-Si, CaC, A l粉等, 与沉淀脱氧法比较, 扩散脱氧法的特点:反应在渣中进行, 产物不进入钢中, 钢质好, 脱氧速度慢, 时间长。此法常用在电炉还原期稀薄渣形成后。2) 脱硫反应及脱硫条件[FeS]+ (CaO) = (CaS) + (FeO) , △H>0分析:该反应是在渣-钢界面上进行的, 为一吸热反应。高碱度, 造高碱度渣, 增加渣中氧化钙;强还原气分 (或低氧化性) , 造还原性渣, 减少化铁含量;高温, 同时高温改善渣的流动性;大渣量 (适当大) , 充分搅拌增加渣-钢接触。由于电炉还原期或精炼炉精炼期的还原气分强烈, (FeO) <0.5%～1.0%, 对脱硫特别有利。
(2) 还原操作———脱氧操作电炉常用综合脱氧法, 其还原操作以脱氧为核心。1) 当钢液的T (温度) , P, C符合要求2) 加Fe-M n, Fe-Si块等预脱氧 (沉淀脱氧) 3) 加石灰, 萤石, 造稀薄渣4) 还原, 加C粉, Fe-Si粉等脱氧 (扩散脱氧) 5) 搅拌, 取样, 测温6) 调整成分—合金化7) 加A l或Ca-Si块等终脱氧 (沉淀脱氧) 8) 出钢
(3) 温度的控制考虑到出钢到浇注过程中的温度损失, 出钢温度应比钢的熔点高出100～140℃。由于氧化期末期控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上, 所以扒渣后还原期的温度控制总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温, 则易造成钢液吸气严重, 高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此, 应避免还原期后期升温操作。
2.6 出钢
传统电炉冶炼工艺, 钢液经氧化, 还原, 当化学成分合格, 温度符合要求, 钢液脱氧良好, 炉渣碱度与流动性合适时即可出钢。传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金化于一炉, 包括熔化期, 氧化期和还原期, 在炉内既要完成废钢的熔化, 钢液的升温, 钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物, 又要进行钢液的脱氧、脱硫以及温度的调整, 因而冶炼周期很长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求, 又限制了电炉生产率的提高。
2.7 钢液的合金化
(1) 炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化。它包括电炉过程钢液的合金化及精炼过程后期钢液的合金成分微调。传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末还原初进行预合金化, 在还原末出钢前或出钢过程进行合金成分微调。
合金化操作主要指合金加入的时间, 加入的数量及加入的方式。1) 合金加入时间:原则是熔点高、不易氧化的元素可早加;熔点低、易氧化的元素晚加。合金化操作具体原则:A) 易氧化的元素后加原则;不易氧化的元素, 可在装料时, 氧化期或还原期加入, 如N i, Co, M o, W等;较易氧化的元素, 一般在还原初期加入, 如Cr, M n等;容易氧化的元素一般在还原末期加入, 即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入, 如V, N b, Si, Ti, A l, B, 稀土元素 (La, Ce等) 。为提高易氧化元素的收得率, 许多工厂在出钢过程中加入稀土元素, 如钛铁等, 有时稀土元素还在浇注的过程中加入。B) 比重大的加强搅拌原则:熔点高的、比重大的铁合金, 加入后应加强搅拌。C) 便宜的先加原则:在许可的条件下, 优先使用便宜的高碳铁合金, 然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。D) 贵重的控制下限原则:贵重的铁合金应尽量控制在中下限, 以降低钢的成本。如冶炼W 18Cr4V时 (W 17%～19%) , 每少加1%的W, 可节约15kg/t钨铁。
(2) 还原操作———脱氧操作电炉常用综合脱氧法, 其还原操作以脱氧为核芯。1) 当钢液的T (温度) , P, C符合要求2) 加Fe-M n, Fe-Si块等预脱氧 (沉淀脱氧) 3) 加石灰, 萤石, 火砖块, 造稀薄渣4) 还原, 加C粉, Fe-Si粉等脱氧 (扩散脱氧) , 5) 搅拌, 取样, 测温;6) 调整成分合金化7) 加A l或Ca-Si块等终脱氧 (沉淀脱氧) 8) 出钢
(3) 温度的控制考虑到出钢到浇注过程中的温度损失, 出钢温度应比钢的熔点高出100～140℃。由于氧化末期控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上, 所以扒渣后还原期的温度控制, 总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温, 则造成钢液吸气严重, 高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此, 应避免还原期后升温操作。
3 钢锭生产过程中进行的创新工作
(1) 自行设计圆形底盘、方形钢锭模。
(2) 各类钢种的浇注温度进行自行测算。根据合金的熔点及计算公式可计算得出一个温度值, 通过Fe-C相图查找到此类合金的过热温度, 将两个温度值相加可得到各类钢种的浇注温度。
(3) 生产的钢锭在使用过程中反映良好, 未出现白点、热裂纹和冷裂纹等缺陷。冶炼钢锭用炉为电弧炉, 没有精炼炉、真空炉的效果, 但通过以下冶炼工艺的实施, 极大提高了钢锭的质量:使用保温冒口;产生白点的原因主要是由于加入潮湿的原材料, 进而使冶炼过程中产生水分, 水进入钢水中分解生产氢离子, 致使钢锭产生白点, 对此, 冶炼所使用各类材料如白灰、合金等需要进行提前烘烤, 所以杜绝了白点缺陷。
现在所生产的钢锭已经能很好的满足锻造专业公司的生产, 形成了一个自给自足的生产链。
4 结论
本文描述了电弧炉炼钢过程中各个阶段的操作方法及注意事项, 以及通过技术创新冶炼了各类钢锭, 使电弧炉冶炼钢锭成为本公司的一大特点, 在满足锻造专业公司生产的基础上也较好的开拓了外部市场, 到6月份共生产各种材质的钢锭965.5吨, 为公司创造了经济效益。
参考文献
[1]孙伟, 曹同友, 刘凯等, 钝化镁-石灰复合喷吹脱硫工艺优化实验[J], 《炼钢》, 2010.06:35-36.
[2]韩国大, 电弧炉操作实践[J], 《中国铸造装备与技术》, 2010.06:24-25.