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翻砂鑄造的特點及其工藝運用
日期:2007-8-11 9:25:43 人氣:1249     [ ]
用粘土粘結砂作造型材料生產鑄件,是歷史悠久的工藝方法,也是應用范圍最廣的工藝方法。說起歷史悠久,可追溯到幾千年以前;論其應用范圍,則可說世界各地無一處不用。

值得注意的是,在各種化學粘結砂蓬勃發展的今天,粘土濕型砂仍是最重要的造型材料,其適用范圍之廣,耗用量之大,是任何其他造型材料都不能與之比擬的。據報道,美國鋼鐵鑄件中,用粘土濕型砂制造的占80%以上;日本鋼鐵鑄件中,用粘土濕型砂制造的占73%以上。

適應造型條件的能力極強,也是粘土濕型砂的一大特點。1890年震壓式造型機問世,長期用于手工造型條件的粘土濕型砂,用于機器造型極為成功,并為此后造型作業的機械化、自動化奠定了基礎。近代的高壓造型、射壓造型、氣沖造型、靜壓造型及無震擊真空加壓造型等新工藝,也都是以使用粘土濕型砂為前提的。

各種新工藝的實施,使粘土濕型砂在鑄造生產中的地位更加重要,也使粘土濕型砂面臨許多新的問題,促使我們對粘土濕型砂的研究不斷加強、認識不斷深化。

現今,隨著科學技術的速發展,各產業部門對鑄件的需求不斷增長,同時,對鑄件品質的要求也越來越高。現代的鑄造廠,造型設備的生產率已提高到前所未有的水平,如果不能使型砂的性能充分適應具體生產條件,或不能有效的控制其穩定、一致,則不用多久就可能將鑄造廠埋葬于廢品之中。

隨著科學技術的發展,目前采用粘土濕型砂的鑄造廠,一般都適合其具體條件的砂處理系統,其中包括:舊砂的處理、新砂及輔助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的監控。

粘土濕砂系統中,有許多不斷改變的因素。如某一種或幾種關鍵性能不能保持在控制范圍之內,生產中就可能出現問題。一個有效的砂處理系統,應能監控型砂的性能,如有問題,應能及時加以改正。

由于各鑄造廠砂處理系統安排不同,選用的設備也不一樣,要想擬定一套通用的控制辦法是做不到的。這里,打算提出一些目前已被廣泛認同的控制要點。各鑄造廠認真地理解了這些要點之后,可根據自己的具體條件確定可行的控制辦法。而且,還要隨著技術的進步和工廠的實際能力(包括人員和資金)不斷改進對型砂系統的控制。
一.舊砂的處理

用粘土濕型砂造型,澆注以后,除貼近鑄件的部分型砂中活性膨潤土受熱失效成為死粘土外,大部分型砂可以回收使用。這是粘土濕型砂的主要優點之一。

配制粘土濕型砂時,舊砂用量一般都在90%以上,如果對舊砂的處理不當,無論怎樣加強混砂,無論添加什麼輔助材料,都不可得到好的型砂。所以,對舊砂進行有效的處理,是保證型砂質量的前提。

1.舊砂溫度的控制

熱砂問題,已被公認為粘土濕型砂鑄造必須面對的最大問題。型砂溫度太高,鑄件容易產生夾砂、表面粗糙、沖砂、氣孔等缺陷。熱砂對鑄件質量的負面影響,主要由于以下幾個方面:

·由于熱砂使水分蒸發,混砂時無論怎樣注意,也難以控制型砂的性能;
·將熱型砂送往造型機的過程中,由于水份損失,型砂性能改變,造型時實際上用的型砂,其性能與混砂時控制的性能差別很大;
·造型時,熱型砂的水分容易在模樣表面上凝結,型砂粘模;
·合型后,熱砂的水分蒸發,凝結在冷的芯子上,會使芯子的強度降低,鑄件也易于產生氣孔;
·如果舊砂要貯存在砂斗中備用,則熱砂容易粘附在砂斗壁上。嚴重時,砂斗四周堵滿了型砂,只剩中間一個孔洞,使系統中的型砂只有一部分周期使用,這部分型砂周轉快、溫度又會進一步提高,使熱砂問題更加嚴重。

多高溫度的砂算是熱砂?判斷熱砂的溫度界限,是看其是否使混砂、造型及鑄件質量方面出現問題。對此,許多研究者從個方面進行了研究;有人研究了型砂溫度對其性能穩定性的影響;有人研究了溫度對膨潤土-水系統流變性的影響;有人研究了型砂溫度與鑄件質量的關系。各方面的研究,得到了一致的結論,即:為保證型砂的性能穩定,溫度應保持在50℃以下。

使型砂冷卻,最有效的辦法是加水,但是,簡單的加水,效果是很差的。一定要吹入大量空氣使水分蒸發,才能有效地冷卻。

以下,給出一個簡略的計算比較:

型砂的比熱大致是:9.22×102J/kg·℃,
水的比熱是:4.19×103J/kg·℃,
水的蒸發熱是:2.26×106J/kg,
1噸砂中加20℃的水10kg(加水1%),使其溫度升到50℃,所能帶走的熱量為4.19×103
×10×30,即12.57×105J。
1噸砂溫度降低1℃,需散熱9.22×102×1000 J,即9.22×105 J。

所以,在舊砂中加水1%,只能使溫度降低24.5℃

使1噸砂中的水分蒸發1%(10kg),能帶走的熱量為2.26×107J,卻可使砂溫降低24.5℃

以上的分析表明:簡單地向皮帶機上加水或向砂堆灑水,冷卻效果是很差的。即使加水后向砂表面吹風,也不能有多大的改善。加水后,要使水在型砂中分散均勻,然后向松散的砂吹風,使水分迅速蒸發,同時將蒸汽排除。

目前,型砂冷卻裝置的品種、規格很多,主要有冷卻滾筒、雙盤冷卻器和冷卻沸騰床等,都是利用水分蒸發冷卻型沙。其中,冷卻沸騰床效果較好。

2.舊砂的水分控制

幾乎所有的鑄造廠都檢查和控制混成砂的水分,但是,對于嚴格控制舊砂水分的重要性,很多鑄造廠的領導和技術人員還缺乏足夠的認識。

進入混砂的舊砂水分太低,對混砂質量的影響可能并不亞于砂溫過高。

試驗研究和經驗都已證明,加水潤濕干膨潤土比潤滑濕膨潤土難得多。型砂中的膨潤土和水,并非簡單的混在一起就行,要對其加搓揉,使之成為可塑狀態。這就像用陶土和水制陶器一樣,將水和土和一和,是松散的,沒有粘接能力;經過搓揉和摔打,使每粒土都充分吸收了水分,就成為塑性狀態,才可以成形,制成陶器毛坯。

鑄型澆注以后,由于熱金屬的影響,很多砂粒表面上的土-水粘結膜都脫水干燥了,加水使其吸水恢復塑性是很不容易的。舊砂的水分較低,在混砂機中加水混碾使之達到要求性能所需要的時間就越長。由于生產中混砂的時間是有限的,舊砂的水分越低,混成砂的綜合質量就越差。目前,各國鑄造工作者已有了這樣一種共識:進入混砂機的舊砂,水分只能比混成砂略低一點。

較好的做法是:在舊砂冷卻過程中充分加水冷卻后所含的水分略低于混成砂。這樣,從砂冷卻到進入混砂機還有一段相當長的時間,水可以充分潤濕舊砂砂粒表面上的膨潤土。

更好的做法是:在系統中設混砂機對舊砂進行預混,冷卻后的舊砂在預混混砂機中加水進行預混,以改善舊砂中膨潤土和水的混合狀態。國外,有的鑄造廠預混時,將需補加的新砂、膨潤土、煤粉等附加料全部加入。天津的新偉祥鑄造公司,用德國制造的EiRich混砂機預混。經過預混的舊砂,進入混砂機后加水量很少,只是略微調整。型砂中的膨潤土和水在混砂機進一步得到調制,型砂的性能就更為穩定一致。

3.舊砂的粒度

對于用粘土濕型砂制造的鑄鐵件,型砂的粒度以細一些為好。由于混砂時舊砂用量一般都在90%以上,決定型砂粒度的因素主要是舊砂。新砂加入量很少,不可能靠加入新砂來改變型砂的粒度。所以,應該經常檢測舊砂的粒度。

檢測粒度時,取樣后先清洗除去泥分(可用測定含泥量時剩下的砂樣),烘干后篩分。

對粒度有以下兩點要求。

(1)140目篩上的砂粒應在10-15%之間。保持較多的細砂,可以減輕鑄件表面粘砂。而且,會增加砂粒之間粘結橋的數量,從而降低型砂的脆性,避免沖砂缺陷。此外,這對提高型砂的溫強度、干強度和水分遷移后增濕層強度都有好處。
(2)200目篩、270目篩和底盤上細砂的總和應盡量地少。這樣的細砂對改善鑄件表面質量的作用不大,卻會使混成砂的水分較高,而且會使型砂的透氣性降低。細砂的總和一般應少于4%。

4.吸水細粉的含量

吸水細粉中主要是死粘土,還包括焦化了的煤粉細粒和其他細粉。

吸水細粉的含量并非越低越好,最好將其控制在2-5%之間。

吸水細粉,混砂時會和膨潤土爭奪水分,使混成砂達到可緊實性目標值所需的水分增高。但是,據目前大家的認識,吸水細粉的吸水能力比膨潤土強,而保持水分的能力卻低于膨潤土。因此,在型砂中加水量略有不當時,吸水細粉對型砂性能有一定的"微調和穩定"作用。水分高時,細粉首先吸水,膨潤土所吸收水可較穩定一致;混成砂在輸送過程中水分蒸發時,吸水細粉所吸的水先蒸發,粘結砂粒的粘土膏中的水分較為穩定,型砂的性能也就較小波動。
吸水細粉含量太高也不好,會使型砂的水分較高,易于導致鑄件上產生針孔、表面粗糙和砂孔的缺陷。
吸水細粉含量太低,則型砂的性能(尤其是可緊實性)不易穩定。

二.補加新砂及輔助材料

粘土濕型砂在系統中反復使用,由于鑄件粘附的砂粒被帶走,部分膨潤土受熱成為死粘土,煤粉受熱失效以及抽塵系統吸走粉狀材料等因素,補加新材料以保持系統砂的總量穩定、性能一致是絕對必要的。

這里,只簡單談談各種材料補加量的確定,不想羅列各種材料的規格。

1、新砂

用新砂配成的型砂,是簡單的混合物。在生產條件下,混砂時間不可能很長,膨潤土和水形成的粘土膏不可能均勻涂布在砂粒表面上,砂粒的結構見圖1(a)。反復使用的舊砂,砂粒結構見圖1(b),砂粒表面上積了多層變質燒結層,粘土膏的涂布則相當均勻。


圖1 粘土濕型砂的砂粒結構

因此,混砂時補加的新砂不宜太多,以保持系統砂總量穩定為原則。新砂加入量太多,會對型砂質量有負面的影響。

國外一些運轉良好的型砂系統,新砂補加量一般是每澆注1噸鐵水120~150kg。如考慮砂-鐵比平均為5,則混砂時新砂補加量為2.6~3%。當然,新砂補加量還要考慮很多因素,如設備條件,芯砂進入量。很多鑄造廠要根據自己的條件確定,外廠的經驗只能參考。

我國鑄造廠一般散落砂都較多,很多廠新砂補加量為5-8%,這也是合適的。

也有少數鑄造廠以為多家新砂可以提高型砂質量,這種想法可能來自舊砂完全沒有處理、生產量又小的條件。

2、膨潤土

和其他黏結劑相比,膨潤土有一個重要的特點,就是它具有一定的耐熱能力。只要加熱溫度不太高,脫除了自由水的膨潤土只要加水,仍能恢復粘能力。

不同的膨潤土,喪失粘結能力的溫度不同。通過一系列加熱試驗和差熱分析實驗,得知天然鈉膨潤土的失效溫度為638℃,鈣膨潤土為316℃。人工活化的鈉膨潤土,由于活化條件各異,準確的失效溫度不詳。據日本報道的實驗結果,人工活化的鈉膨潤土,在最初使用時,失效溫度略低于天然鈉膨潤土;幾次反復加熱后,就與鈣膨潤土相近,其"耐用性"不佳。

(1)膨潤土中水的形態

活性膨潤土的粘結能力,只有在加水以后才能表現出來。膨潤土失去粘結能力,也與它的脫水有關。

到目前為止,認為膨潤土中的水分有三種形態。

一種是自由水,即膨潤土顆粒吸附的水。加熱到100℃以上,就可脫除自由水。脫除了自由水的膨潤土,粘結能力不受影響。

第二種是牢固結合水。將膨潤土置110℃下長時間加熱,可完全脫除自由水,但但不會脫除牢固結合水。已完全脫除自由水的膨潤土,再在較高的溫度(如200℃300℃)下加熱仍會繼續減重,說明仍有水分損失。膨潤土經這樣加熱脫水后,只要加水,能完全恢復粘結能力。

第三種是晶格水,也有人稱之為結構水。晶格水只有在相當高的溫度下才能部分或全部脫除。膨潤水的晶格水脫除以后,即喪失粘結能力,成為死粘土。

(2)膨潤土的耐用性

F.Hofmann曾就天然鈉膨潤土和鈣膨潤的耐用性作了測定。試驗所用的膨潤土,是美國威歐明的鈉膨潤土和美國南部的鈣膨潤土。

試驗方法是:取硅砂和膨潤土配成含膨潤土5%的型砂,將型砂加熱到不同溫度,待其冷卻后,將團塊碾碎,再加水混制。將混成砂制成試樣,測定濕抗壓強度。試驗結果見圖2。

圖2與我們前面提高的兩種膨潤土的失效溫度是一致的,由圖可以看出:

鈉膨潤土在600℃以下加熱,它的粘結能力基本上不受影響。加熱溫度超過600℃,就急劇地喪失粘接能力。加熱到700℃以上,差不多完全喪失了粘結能力。

鈣膨潤土在100℃以上,就開始緩慢地失去粘結能力。加熱溫度再提高,粘結能力的喪失就越來越明顯。

當熔融金屬注入鑄型以后,貼近鑄件表面的型砂就被加熱到800℃以上(有一些非鐵合金達不到此溫度)。不管你用什么樣的膨潤土,這部分型砂中的膨潤土都會變成死粘土。這些死粘土,大部分隨同型砂一道附在鑄件表面上,被鑄件帶走,一小部分留在回收的舊砂中。

除了制造大型鑄件以外,在鑄造過程中,大部分型砂達不到這樣的溫度。這些型砂中膨潤土的情況又怎樣呢?

不同的膨潤土,脫除晶格水的溫度是不同的,脫除晶格水的速率也不一樣。如采用容易脫除晶格水的膨潤土,即使在并不直接接近鑄件的型砂中,也會有較多的膨潤土失效而變成死粘土。如采用不易脫除晶格水的粘土,產生的死粘土就會少一些。

因此,有人用"耐用性"來描述膨潤土是否容易失效。所謂"耐用性",是一個相對的概念,沒有絕對的判據。在相同的情況下,每經一次澆注,用甲膨潤土時型砂中產生的死粘土比用乙膨潤土時少,也就是甲粘土的"耐用性"比乙粘土好。

既然不同品種的膨潤土的耐用性不同,在相同的生產條件下,澆注金屬液以后,用不同膨潤土的型砂,因受熱而失效的膨潤土量也就不同。此外,型砂活性膨潤土(吸藍膨潤土)的含量越高,受熱而失效的膨潤土也就越多。

根據鑄件的壁厚和形狀以及澆注以后金屬傳遞給砂型的熱量,可以得到砂型內的溫度場。再根據型砂中的活性膨潤土含量和所用膨潤土的品種,就可計算出失效的膨潤土量。
許多研究試驗工作表明:對于壁厚75mm以下的鑄鐵件,每澆注1噸鐵水大約能使147kg型砂溫度升到638℃(鈉膨潤土失效溫度)以上,溫度升至316℃(鈣膨潤土失效溫度)以上的型砂則為250kg左右,可以忽略鑄件形狀和鑄型中砂鐵比的影響。

由上述結果,我們就可以歸納為一個簡明而實用的線圖(圖3)。由系統砂中活性膨潤土的含量和所用膨潤土的品種,就可知道每澆筑1噸鐵水造成的失效膨潤土量。

再根據每噸鐵水用砂量,就很容易算出混砂時需要補加膨潤的百分數。
例如,某廠型砂中使用鈣膨潤土,系統砂中保持活性膨潤土量8%,每澆注1噸鐵水約用砂5噸。由圖3查到,每澆注1噸鐵水失效的膨潤土量為20kg,每噸砂中失效膨潤土為4kg。所以,混砂時需補加的膨潤土為0.4%。

此外,如補加的新砂量較多時,還要加新砂所需的膨潤土。

由于用粘土濕型砂制造的鑄鐵件壁厚超過75mm者很少,圖3實際上可用于大多數有較完備砂處理系統的型砂。

3、煤粉

鑄鐵用粘土濕型砂中的煤粉含量,要根據鑄件的特點,煤粉的質量具體確定。煤粉含量大致上宜控制在3.5-5.5%之間。

混砂時補加的數量,須根據舊砂中有效煤粉的測定值來確定。舊砂中有效煤粉量的測定方法,這里就不說了。

三、混砂

混砂的主要作用是:將型砂中各組分混合均勻,使水分充分潤濕粘土,并使粘土膏涂布在砂粒表面上。目標是使型砂具有適應造型設備的性能,由于粘土膏是半固態粘性物料,達到上述目標所需的能量很大。

如果混砂設備的功率不高,或混砂時間不夠,粘土就不能充分發揮其粘結作用,型砂的強度不高,其它性能也不好。

如果增加型砂中的水分,使粘土膏的水分增高、粘度下降,就可以減少涂布粘土膏所需的能量,即混砂時間可以縮短。但是,由于粘土膏的粘度下降,型砂的濕強度也急劇下降,這種辦法實際上是不可取的。

1、混砂時的加料順序

為了減少混砂所需的能量,采用合理的加料順序是很重要的。

很多工廠,混砂時習慣于先加干料(砂和粘土),干混一段時間,然后加水混勻。這種操作方法有三個缺點:

(1)混干料時粉塵飛揚,污染環境且有害于工人的健康;
(2)混砂機內抽塵會損失大量有效粉料;
(3)需要較長的混砂時間。在混勻了的干料中加水,即使水加得很分散,也是一滴一滴地落在干料中。因為粘土是親水的,加上水滴表面張力的作用,水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上,形成較大的粘土球。將這些粘土球壓碎并使它涂布在砂粒表面上是比較困難的,需要的能量也比較大。

如果先加砂和水混勻,后加粉狀粘土,因為水已分散,沒有較大的水滴,加入粘土后只能形成大量較小的粘土球。壓開這些小粘土球是比較容易的,需要的能量也較小。
也就是說,用同樣的混砂設備,得到品質相同的型砂,所需的混碾時間較短。


圖4 加料順序對混砂效果的影響
1-先加干料 2-先將水和砂子混勻

圖4.是就兩種加料方法進行試驗所得到的結果。曲線1和2的差別是明顯的。型砂配方是:木里圖砂100%;外加黑山膨潤土5%;水3%。
混砂設備是實驗室用混砂機。

由圖4可以看到,為使型砂有合理的強度,用先加干料后加水的工藝,需混17min;用先加砂和水后加干料的工藝,只需混13min。

使用大量返回的舊砂時,也應先加舊砂和水,最后加粘土粉。

國外有的鑄造廠,在采用間歇式混砂機的條件下,混砂前先向混砂機中加水,運轉幾秒鐘(當然設備方面保證水不泄漏)。這樣,不僅有上述先加水的好處,而且可以在每次混砂前將碾輪和刮板洗凈,增進混砂效率。

2.型砂中有效膨潤土量和混砂效率

粘土濕型砂混砂時,必須加入一定量的膨潤土,使型砂中保有必要的膨潤土量。膨潤土含量通常用亞甲基藍法予以測定。用亞甲基藍法測得的膨潤土量,以前統稱之為有效膨潤,現在看來,稱之為活性膨潤土更為適當。活性膨潤土是能與水結合而起作用的,但是,在實際應用的型砂中,并非所有的活性膨潤土都起作用,也就是說,并非都是有效的。
有效膨潤土是型砂中實際起作用的膨潤土,只是活性膨潤土的一部分。

C.E.Wenniger提出,用混砂效率來衡量粘土濕砂的調制程度。

混砂效率=有效膨潤土含量/活性膨潤土含量x100%

良好的粘土濕型砂,混砂效率應在60%以上。

在生產條件下,根據型砂的濕抗壓強度,水分和可緊實性,可由圖5求得型砂中的活性膨潤土含量和有效膨潤土含量,從而可以算出混砂效率。

例如,某鑄造廠粘土濕型砂的抗壓強度為178kPa,可緊實性為42%,水分為3.5%。從縱坐標上濕抗壓強度為178kPa一點畫水平直線,按此直線上水分為3.5%的點,得知砂型的活性膨潤土含量為7.5%。

在上述直線上,找出可緊實性為42%的一點,從而得知型砂中有效膨潤土量為4.5%。

混砂效率= 4.5/7.5 =60%

四、型砂性能的控制

粘土濕型砂對各種造型方式的適應性很好,可用于手工造型、震壓造型機造型、高壓造型、射壓造型、氣沖造型和靜壓造型等工藝條件。但是,在不同的工藝條件下,對砂型性能的要求有所不同。確保型砂各項性能符合鑄造廠具體條件的要求,是保證鑄件質量并使工藝設備在良好狀態下運行所必需的。

不同條件下對型砂性能的要求見表1。

1各種工藝條件對粘土濕型砂性能的要求

型砂性能

手工造型

震壓機造型

高壓造型

射壓造型

氣沖造型鑄鐵用

鑄鐵用

鑄鋼用

鑄鐵用

鑄鋼用

鑄鐵用

鑄鋼用

有砂箱

無箱

濕抗壓強度(kPa

60-75

65-80

45-55

50-70

90-120

90-120

120-150

170-220

170-210

濕抗拉強度(kPa

-

-

--

-

≥11.0

≥15.0

≥20.0

≥19.0

濕抗劈強度(kPa

--

-

-

-

≥17.0

≥23.0

≥31.0

≥29.0

可緊實性(%

45-60

40-55

35-45

水分(%

4.5-5.5

4.0-5.0

4.5-5.5

4.0-5.0

不具體限定,以保證可緊實性為原則

含泥量(%

8-10

9-11

8-10

9-11

10-14

10-13

11-14

10-13

活性膨潤土(%

≥5

≥6

≥6

≥8

透氣性

≥50

≥70

≥50

≥70

≥70

≥50

925℃灼減量(%

-

-

-

-

3.5-7.5

3.5-6.5

3.5-7.5

注:未列指標者為不規定檢測的項目。

這里,要特別說一說對濕抗壓強度的控制。濕抗壓強度的控制目標,一定要按照造型方法選定,絕不是強度高就好。強度愈高的型砂,造型時舂實所需的能量愈大。現在,不少鑄造廠型砂的強度都太高。一些手工造型或震機造型用的型砂,濕抗壓強度高到130-170kPa。用這樣的型砂,震壓機造型或手工造型,難以將鑄型舂得很緊實,結果,鑄件的表面質量不好,也容易產生縮松缺陷。特別是制造球墨鑄鐵件時,因縮孔、縮松而報廢的鑄件會明顯增多。在各種性能檢測的頻次方面,建議如下:

每小時檢測一次的項目:

·可緊實性
·濕抗壓強度
·水分

每一工作日檢測一次的項目:

·活性膨潤土含量;
·濕抗拉或抗劈強度;
·透氣性(結果供參考)

每一周檢測一次的項目:

·含泥量;
·系統砂的粒度分布;
·灼燒減量;
·有效煤粉含量。

近代化學固化砂鑄造工藝

1.樹脂固化砂工藝

樹脂砂的特點較多,如型芯砂高強度、高固化效率、高潰散性,鑄件高精度、高表面質量,為大批量流水線生產各種復雜的中、小型鑄件的型芯提供了一種理想的方法,從而很快在汽車、拖拉機和內燃機等行業得到了廣泛應用。又由于其高強度、高精度、高潰散性,低的造型制芯勞動強度,對于滿足多品種、小批量生產各種結構日趨復雜的中、大型鑄件的型芯,也起了十分重要的作用。目前,樹脂砂工藝繁多,可按其不同的硬化方式,分為如下三大類:加熱硬化法、吹氣硬化法和自硬法。

1. 加熱硬化法

此法系指型芯本體經過外部加熱源進行加熱,使型芯砂在一定溫度和時間下固化成型的一種工藝。目前在鑄造生產中廣泛應用的有:殼型法和熱芯盒法兩種。殼型法是一種開發最早、發展最快、應用甚廣的高效造型、制芯工藝。由于覆膜砂的流動性、充型性和存放性均好,強度大、潰散性好,被汽車行業廣泛應用于大批量生產各種結構復雜、質量要求高的型芯。熱芯盒比殼型開發晚15年,由于它的型、芯砂制備簡單,成型溫度低,硬化速度快,在生產中也得到了應用,鑒于其型砂流動性差、存放性不好,吸濕性很大,含氮量較高,限制了它的應用,目前國外已開發了新型熱芯盒樹脂,效果較好,國內也在試用。由于這兩種工藝操作方法基本相似,下面僅介紹殼型法。

(1)殼型用原材料及其特性 殼型用原材料主要是覆膜砂,它是由硅砂、熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品硬化劑、硬脂酸鈣潤滑劑及其他附加物等材料,在專門的混制設備上熱法混制而成,鑄造廠家可根據鑄件的種類和不同結構的要求來選用,目前市場上可提供的覆膜砂系列產品的性能見表1。

表1 覆膜砂系列產品的性能

(2)殼型、芯的制造工藝及其設備殼型、芯的制作方法一般有兩種:翻斗法和吹砂法。翻斗法適用于殼型制作,而吹砂法多用于殼芯生產。吹砂法殼芯機又可分為底吹式和項吹式兩大類。底吹式殼芯機制芯時,芯砂由底部吹入芯盒,吹芯壓力為0.4~05MPa,吹砂時間為15~35s。由于芯砂由底部吹入芯盒,充填情況不如頂吹式理想,故一般適用于外形簡單的殼芯。頂吹式殼芯機制芯時,芯砂由芯盒頂部吹入,充填情況較好,但整機結構復雜,常用于結構較復雜的殼芯制造,其吹芯壓力為0.l~0.3MPa,吹砂時間為3~8s。

殼芯制造過程如下:把芯盒加熱至210~250℃,吹入覆膜砂,這時覆膜砂上樹脂受熱融化、結殼后,翻轉180º,使芯盒自動左右搖擺數次,排放出未固化的砂子,翻斗復位,殼型、芯繼續硬化2~3min,便可頂出制好的殼型、芯。

(3)發展前景 在熱法制芯中殼型、芯工藝是一種很有發展前途的高效制芯工藝,但是目前覆膜砂中樹脂加入量高,生產成本高,鑄件氣孔及變形嚴重。同時它存在硬化溫度高,硬化時間長,硬化時氣味大等缺點。國內外正在開發各種新型的低氣味、高強度、速固化、流變性能好的改性酚醛樹脂和低氮、無氮的硬化劑,并開發了新型覆膜混砂設備和;日砂再生設備。

2.吹氣硬化法

此法系指型、芯本體不需加熱,僅在氣體催化劑作用下迅速固化成型的一種制芯工藝。這種工藝現有三乙胺法、SO2法和低毒、無毒氣硬法等幾種。目前在生產中僅三乙胺法得到廣泛的應用。它的最大特點是硬化速度快,硬透性好,生產效率高;其次是芯盒不需加熱,勞動條件好,芯盒生產成本低,現已在批量生產各種復雜的砂芯的汽車、拖拉機行業廣為應用。

(l)三乙胺法用原材料 三乙胺法用原材料主要由硅砂、樹脂和催化劑等組成。此法對硅砂要求甚嚴,特別是含水量<0.2%,含泥量<0.3%(均指質量分數)。所用的樹脂由二個組分組成;組分Ⅰ為苯醚型特制酚醛樹脂,組分Ⅱ為聚異氰酸酯(PAPI)。為了降低樹脂對硅砂及環境濕度的敏感性和適用于低溫澆注鋁合金鑄件的需要,近年來,又開發了抗濕性樹脂和鋁合金專用樹脂。催化劑為液態的三乙胺或二甲基乙胺,為了能使砂芯均勻硬化,液態三乙胺需要先霧化或汽化,再與惰性氣體混合(常用的氮氣),吹入芯盒,使砂芯硬化,以防止三乙胺氣體濃度過大而引起爆炸。

(2)三乙胺法制芯工藝及其設備 三乙胺法制芯均在專用的冷芯盒射芯機上完成,所用射芯機的結構與普通射芯機相似,但增加了吹氣機構和前后工序配套設備。前工序配套設備有:混砂機、砂加熱器、氣體發生器、壓縮空氣干燥除濕系統、三乙胺氣體霧化裝置等。后工序配套設備包括廢氣凈化系統。

制芯的主要工序為:硅砂加熱至25~35℃,將組分Ⅰ酚醛樹脂加入砂中,混制1~2min,再加入組分Ⅱ(PAPI),繼續混制1~2min。通常兩組分加入量各為0.75%,即為砂的質量分數為1%~2%。然后在0.30~0.35MPa射砂壓力下,把砂子射入芯盒,再將與載體混合、體積分數為2%的三乙胺氣體,在0.2MPa壓力下吹入芯盒,使型、芯砂迅速硬化,硬化時間一般為幾秒或幾十秒鐘。型、芯硬化后,緊接著通過原來吹氣系統,再吹入潔凈干燥的空氣,以便清洗型、芯砂中的殘胺,并可進一步提高它的強度。從芯盒中排出的空氣中含有殘余的有毒胺氣,必須送到洗滌室內,用酸中和,將胺除去,也可采用燃燒法去胺。最后,打開芯盒,取出已硬化的砂芯,便可進行下一輪程序。

為了提高鑄件的表面質量,減少粘砂缺陷,砂芯表面應刷一層涂料。可采用水基涂料,但必須待樹脂完全硬化后上涂料,防止明顯降低砂芯強度,刷涂后應及時烘干。

(3)發展前景 氣硬冷芯盒制芯工藝是目前國內外重點開發、最有發展前途的一種高效制芯工藝,特別是低毒、無毒氣硬工藝,在當前全球關注環境保護、推行清潔生產的情況下,更具有很大的現實意義。現正在開發的酚醛樹脂/酯法,聚丙烯酸鈉/CO2法和堿性酚醛樹脂/CO2法等無毒制芯工藝,盡管還存在強度低,樹脂加入量高,吹氣硬化時間較長,抗濕性較差等一些問題,但可以預計,在不久的將來,會開發出更為理想、無毒無公害的高效制芯工藝,成功地應用于生產,有力推動我國鑄造事業向前發展。

3.樹脂砂自硬法

此法系指型、芯砂在室溫下,通過加入一定量的固化劑,使之在芯盒或砂箱內,并在一定時間內自行硬化成型的一種造型、制芯工藝。目前在鑄造生產中得到應用的有酸固化呋喃樹脂砂、酯固化堿性酚醛樹脂砂和酚尿烷樹脂砂等。這種工藝的最大特點是:樹脂砂可在常溫下自行硬化成型,型、芯砂有一定的可使用時間,其硬化速度與強度受室溫、環境濕度的影響很大,生產效率不高,故比較適用于單件、小批量、多品種的中、大型鑄件的型、芯生產,在我國機床、通用、重型、造船、機車等行業得到了應用。

在上述幾種樹脂自硬砂工藝中,以酸固化呋喃樹脂砂在我國應用最多,因為它所用的原輔材料及設備能成套供應,技術較成熟,積累的經驗也最豐富,目前國內300多家采用樹脂砂工藝的工廠,絕大多數是采用這種工藝,與粘土砂比較,可提高鑄件的尺寸精度2~3級,改善表面粗糙度1~2級,廢品率明顯減少。

(l)呋喃樹脂砂用原材料 呋喃樹脂砂用的主要原材料有硅砂、呋喃樹脂和固化劑。呋喃樹脂砂對硅砂的質量要求較嚴,應從角形系數、含泥量、含水量、微粉含量、耗酸值與灼減量等項技術指標加以控制。粘結劑呋喃樹脂是以呋喃環為主、低聚合度的縮聚樹脂,按其化學組成可分為酚醛改性呋喃樹脂、脲醛改性呋喃樹脂和酚醛脲醛改性呋喃樹脂等,而以脲醛改性呋喃樹脂在國內應用最廣。用酚醛部分取代脲醛,不僅能保持一定強度,而且還能降低樹脂中含氮量,是一種性能較好的呋喃樹脂。按國家專業標準 GB/T7526-94的規定,呋喃樹脂可按其含氮量分為無氮[ψ(N2)≤0.3%]、低氮[ψ(N2)>0.3%~2.0%]、中氮[(ψ(N2)>2.0%~5.0%)]和高氮[ψ(N2)>5.0%~13.5%]樹脂,也可按游離甲醛含量(質量分數)分為二級;一級含≤0.4%,二級含≤0.8%。要求質量較高的鑄件可選用低氮樹脂,而有色金屬鑄件可采用含氮較高的樹脂。目前呋喃樹脂砂常用的固化劑為有機磺酸,它又可分為對甲苯磺酸和二甲苯磺酸二種,后者常用于氣溫較低的冬季。

(2)樹脂自硬砂的專用設備 樹脂自硬砂的成套設備主要包括混砂系統和舊砂再生系統兩大系列,混砂系統以混砂機為主,并配以振實臺、翻轉起模機、輸送輥道和電控等裝置,組成樹脂砂造型、制芯生產線。舊砂再生系統大多具有砂塊破碎、篩分、磁選、舊砂再生、微粉分離和砂溫調節等功能。為了滿足環境保護的要求及微粉分離的需要,樹脂砂生產線還必須配有良好通風除塵裝置。

(3)樹脂自硬砂的造型、制芯工藝 呋喃樹脂在強酸固化劑作用下,樹脂分子間相繼產生加聚反應和縮聚反應,使原來低相對分子質量的線型結構相互交聯,轉變為相對分子質量很大的體型結構的樹脂膜,將砂粒粘結起來,達到型、芯的常溫固化。樹脂加入量(質量分數)一般為0.8%~1.2%,磺酸類固化劑加入量為樹脂的30%~60%,型、芯砂的可使用時間從幾分鐘至數十分鐘,起模時間由十幾分鐘至數小時。

樹脂自硬砂的造型、制芯工藝基本上與粘土砂類似,由于樹脂自硬砂具有許多特點,在造型制芯時應考慮如下幾點:

應根據合金種類和鑄件的大小,合理選用樹脂的類型及吃砂量的大小,盡量降低砂鐵比和造型材料的生產成本;應根據室溫的高低,合理選用固化劑,夏季室溫高時,選用酸強度較低的固化劑,冬季室溫較低時,應采用二甲苯磷酸為主,加入適量無機酸的醇溶性固化劑;樹脂砂的流動性很好,但具有明顯的時間性,必須在型砂可使用時間內完成造型制芯工作;樹脂自硬砂起模困難,不可太晚;樹脂砂在澆注時發氣速度較快,必須采取措施將氣體排出,防止氣孔的產生;樹脂砂耐熱性較低,必須上涂料,以保證鑄件的表面質量;根據有機粘結劑特點,應按“快、穩、封閉、底注、保證壓頭和處理臟鐵液”等原則來設計澆注系統。實踐證明,只有遵循上述原則來造型制芯,才可能獲得質量高、成本低的樹脂砂鑄件。

(4)發展前景 我國80%以上鑄造廠家屬于單件、小批量生產,80年代以前大多數采用落后的粘土砂工藝,鑄件質量差,生產效率低,勞動強度大,環境污染嚴重。由于機械工業的發展和鑄件出口貿易的需要,不少廠家采用樹脂砂代替粘土砂,取得了明顯的效果,充分證明該工藝對單件、小批量生產的鑄鐵車間具有較大的發展前景,低游離甲醛和低糠醇呋喃樹脂的開發,又有力地促進了該工藝的發展。特別是80年代后,酯硬化堿性酚醛樹脂自硬砂的問世,較好地解決了呋喃樹脂砂的成本、環保和熱裂等問題,為今后生產優質鑄鋼件創出了一條新路。但是,堿性酚醛樹脂尚存的強度低、粘度大和再生困難等問題,預計在不久的將來,將會得到圓滿的解決。在即將到來的21世紀,化學固化砂的各種新型造型、制芯技術將會在我國鑄造廠家開花結果,為改變我國鑄造事業落后現狀作出較大的貢獻。


2.水玻璃固化砂工藝

樹脂固化砂的應用實踐表明,呋喃樹脂的價格較高,環境污染較大,在未來21世紀人們對于自身生存條件和環境的要求日趨嚴格的條件下,由于車間勞動保護和生產環境衛生方面的投資很大,從而使樹脂砂的應用受到一定限制,許多國家又對水玻璃固化砂極為重視。最近十多年來,人們對于水玻璃的基本組成和“老化”現象實質的認識深化和新型硬化工藝的開發等兩方面均取得了突破性進展,在型芯砂保持足夠的工藝強度的條件下,水玻璃加入量(質量分數)可降至2.5%~3.5%,從而使水玻璃砂長期存在的潰散性差、舊砂不能回用的問題,得到了較好的解決。水玻璃砂的硬化方法可分為:CO2氣硬法和自硬法兩種,熱硬法已很少采用。

1.CO2氣硬法

此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝,由于操作方便、使用靈活、無毒無味、在國內外大多數的鑄鋼件生產中,得到了廣泛的應用。

(l)硬化原理和特點 水玻璃的出現已有三百多年歷史,由于它的成分十分復雜、多變,它的基本組成一直沒有搞清楚,對水玻璃的研究主要停留在宏觀的層次上。近年來,多種先進測試手段的開發,可深入到分子范疇進行分析和研究,并發現,新制備的水玻璃是一種真溶液;但是在存放過程中,水玻璃中硅酸要進行縮聚,將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液,最后成為硅酸膠粒。因此,水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物,易受其模數、濃度、溫度、電解質含量和存放時間長短的影響。

水玻璃砂吹入CO2氣體硬化時,水玻璃的表層因吸收CO2而其模數升高和脫水,在酸化和脫水兩重作用下,迅速硬化而形成初強度。已固化的表層水玻璃阻礙了CO2往深層滲透,內層水玻璃只能靠脫水而繼續增加強度。此法缺點是:型芯砂強度低,含水量大,易吸潮,潰散性差,目前大多用于中、小型鑄鋼件生產。

(2)水玻璃的改性 水玻璃在存放過程中分子產生編聚,形成膠粒,可使其粘結強度下降20%~30%,這一現象稱為水玻璃老化。為了消除老化,必須對水玻璃進行改性,目前改性的方法有物理改性和化學改性兩種。物理改性是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法,往水玻璃中供給能量,使已聚合的膠粒解聚,聚硅酸分子重新均勻化。這種改性對高模數水玻璃有效,但是存在重新老化的問題。化學改性是往水玻璃中加入少量化合物,這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團,通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面,改變其表面位能和溶劑化能力,提高聚硅酸穩定性,從而阻止老化進行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等,均取得了較好的效果。

(3)發展前景 采用水玻璃改性來提高其粘結能力,往往增加了生產成本和工藝復雜化。近年來,日本又開發了VRH法,此法是先把砂粒間空隙中的空氣抽去,再吹入CO2氣體,使鑄型迅速硬化成型。此工藝可使水玻璃加入量(質量分數,下同)降至 3.0%以下,而CO2用量僅為原來的1/10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一種無機物,經高溫作用后,在常溫時粘結橋上會形成大量孔洞,使型芯砂在不受外力作用下,自行潰散的新工藝。

2.酯硬化法

(1)硬化原理和特點 此法是采用液體的有機酯作水玻璃的硬化劑。有機酯在強堿性水玻璃溶液的作用下,水解為醇與酸。醇有很強的親水性,它可奪去水玻璃的水分,構成它的溶劑化水。酸與水玻璃反應,析出醋酸鈉,它也有一定的親水性,能奪取水玻璃的水分,構成它的結晶水。在酸化和脫水雙重作用下,使水玻璃砂硬化。這種硬化工藝可使型芯砂具有很高的強度,不僅水玻璃加入量可降至3.0%以下,而且硬透性和抗濕性均好,適用于各種大型鑄鋼件的生產。缺點是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流動性較差。

(2)主要原材料及型砂的工藝控制 酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液體有機酯,這些材料的質量和合理選用將直接影響工藝成敗、鑄件質量和生產成本。對酯硬化水玻璃砂來說,盡管對硅砂的要求不像樹脂砂那樣嚴格,為了降低水玻璃加入量,硅砂應滿足如下要求:泥的質量分數≤1.0%,水的質量分數≤0.5%,細粉的質量分數<l.0%和角形系數<l.3。水玻璃應達到國家專業標準ZBJ31003-88的要求。嚴格控制水玻璃的模數是成功應用此工藝的關鍵,應根據季節和室溫加以調整:夏季,M=2.2~2.4,其余季節,M=2.4~2.6,有條件時,最好對水玻璃進行改性,消除老化現象。目前用于鑄造生產的有機酯有:丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等,加入量(質量分數)占水玻璃的8%~12%。有機酯是決定酯硬化水玻璃砂的工藝性能和生產成本的關鍵材料,必須嚴加選擇,即應根據型、芯的大小和水玻璃的模數,合理選用不同型號(快酯、慢酯或混合酯)的有機酯。

對于酯硬化水玻璃砂的工藝性能來說,主要控制如下性能:起模強度、終強度、可使用時間和殘留強度等,詳見表2。

表2 型、芯砂推薦的技術指標

大型鑄件的混砂可采用連續式混砂機,造型、制芯均為手工操作。

(3)發展前景 加入某些附加物,形成復合水玻璃,起著助粘結劑作用,能進一步提高水玻璃的粘結性能,如加入磷酸鹽、硼酸鹽或鋁酸鹽等附加物。另外,應用較廣泛的有機酯硬化劑,因其價格高而影響了該工藝的推廣應用,有人又提出了一種無機酸和有機物配制成的硬化劑,其主要成分為磷酸、磷酸鹽和尿素,這種新型硬化劑不僅生產成本低,而且,型芯砂具有較好的潰散性。

鑄造生產技術發展趨勢

  
一、概述  

鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一,是機械工業重要的基礎工藝,在國民經濟中占有重要的位置。 我國鑄造業的現狀是產量大,年產鑄件約1,200萬噸,廠點多,達2萬多個,鑄造業的從業人員在120萬人以上。我國鑄造行業的一大特色是改革開放以來鄉鎮企業迅猛發展,成為我國鑄造行業的一支重要力量。鄉鎮鑄造廠點數已超過國有鑄造廠點,鄉鎮鑄造廠點的鑄件產量約占全國鑄件總產量的一半。  

當前世界上工業發達國家鑄造技術的發展歸納起來大致有四個目標,即:  

①保護環境,減少以至消除污染;  
②提高鑄件質量和可靠性,生產優質近終形鑄件;  
③降低生產成本;  
④縮短交貨期。  

我國鑄造行業除廠點多,從業人員多,產量大以外,與發達國家相比,在質量、效率、能源與材料消耗、勞動條件與環境保護等方面都存在差距。造成這些差距的原因是鑄造廠點規模小,經濟實力差,工藝和設備落后,管理水平低,從業人員素質不高。為了消除這些差距,為了滿足我國經濟建設的需要,也為了鑄造行業自身的存在與發展,我國的鑄造行業應以提高鑄件質量和經濟效益為中心,面向國內和國際兩個市場;加強管理,打好基礎,提高企業素質;調整產業結構,合理配置資源,提倡適度規模經營;繼續以適用先進的生產工藝和技術裝備改造鑄造行業,實現清潔化生產,保證可持續發展。  

1 效益是企業發展的基礎  

發展的基礎是效益,發展又是為了實現更高的效益。中國應該有一個高效益的鑄造業。沒有效益的企業連生存也是困難的,更談不上發展。為了提高效益,應從以下幾方面著手:  

①減員增效與節能降耗。  
②實現專業化生產。  
③采用新技術,實現科學管理。  

2 質量是企業的生命  

質量和效益有時看似矛盾,但兩者是統一的。產品質量低劣的企業終究是不能立足的,更談不上效益,也不可能持續發展。提高產品質量需從以下幾方面著手:  

①合理選購原輔材料,正確制訂及嚴格執行有關的工藝規程。  
②采用新技術、新工藝、新設備、新材料。  
a.加強計算機技術在鑄造生產中應用的研究。  
b.在砂型鑄造中采用高硬度及高均勻度的鑄型,發展與推廣相應的工藝與設備。  
c.發展近凈形及凈形鑄造成形新工藝。  
d.發展液態金屬處理及凈化的新工藝新技術,優化材料性能。  
e.發展機械化自動化,以保證鑄件質量的穩定性、均一性,改善勞動條件。  
f.加強鑄造環保設備的研究和應用。  
③具有一支穩定的高素質的從業人員隊伍。  

3 實現清潔化生產  

清潔化生產是可持續發展的基本要求。清潔化生產的含義是:實現盡可能低的資源(原材料)與能源消耗;實現宜人化的生產環境及最低或零污染物排放;生產清潔化的產品(產品耗能、耗材少,易于再生復用及符合人機工程要求)。鑄造的清潔化生產,主要是應用新技術、新工藝、新材料、新設備以實現低消耗、低污染或者無污染及鑄造生產的宜人化環境等方面。  

二、堅持進行技術改造,采用成熟、適用、先進技術  

企業技術改造,要根據企業產品的結構特點、批量大小、質量要求,合理選用成熟、適用、先進的技術。首先,所選技術必須成熟可靠。因為技術改造不是科研,不允許失敗;也不是中間試驗,可以小規模、小范圍,而不講時間和條件。技術改造是要將成熟的科技成果應用于設計、生產中。同時所選技術對改造企業來講還必須適用,保證在經濟上合理。  

實踐告訴我們,并非凡是先進的、技術含量高的一定是適用的。各種技術都有一定的局限性和適用范圍,適合于一定的零件,選擇不當,再先進的技術,也不能確保生產出優質的產品,不能保證產生高的經濟效益。  

1 發展高性能鑄造合金,提高產品的材質水平  

據近五年統計,我國鑄鐵件占鑄件總產量的79%~80%(球鐵約占13%),鑄鋼件占13%~14%,有色合金鑄件約占7%,(鋁鑄件約占5.5%)。發展趨勢是灰鑄鐵件、鑄鋼件(主要是碳鋼件)、可鍛鑄鐵件呈下降趨勢,球鐵件在增長,輕合金件占的比例越來越大。發達國家輕合金鑄件產量已超過鑄鋼件,其產值已遠遠超過鑄鋼件;日本1998年壓鑄件的產值已接近灰鑄鐵件;球墨鑄鐵件的產量為鑄鋼件的四倍多,產值為鑄鋼件的兩倍。 今后,我國應提高球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高強度灰鑄鐵、合金鑄鋼、鑄造鋁合金、鎂合金的比例。  

1)鑄鐵  

(1)加強高強度薄壁灰鑄鐵生產技術的開發  
低成本和良好的鑄造性能是灰鑄鐵的主要優勢,所以灰鑄鐵已廣泛應用于汽車、內燃機、農機、壓縮機和市政建設等領域。今后制約灰鑄鐵件增長和發展的主要因素之一是輕量化,鑄鐵輕量化將為鑄鐵工業注入新的活力,今后應加強高強度薄壁灰鑄鐵的生產技術的開發。  
(2)進一步推廣使用球墨鑄鐵  
隨著我國汽車工業和鑄管工業的發展,以及隨著我國球墨鑄鐵生產水平的提高,應用領域的拓寬,預計進入21世紀,我國球鐵件產量必將有大幅度的增長,應進一步擴大等溫淬火球墨鑄鐵在承受強載荷工況機械零件和耐磨件上的應用。推廣鑄態球墨鑄鐵,節約能源,降低生產成本。  
(3)擴大蠕墨鑄鐵的應用  
蠕墨鑄鐵是一種新型材料,它的強度、塑韌性高于灰鑄鐵,鑄造性能優于球墨鑄鐵,具有優良的耐熱疲勞性能和導熱性能,可在柴油機缸蓋和排氣管、液壓閥、機床床身、鋼錠模、玻璃模具等鑄件上推廣應用。  
(4)抓好鑄鐵熔煉環節,提供優質鐵水  
抓好鑄鐵的熔煉環節,及時提供優質鐵水,這是提高鑄件綜合質量的基本保證。所謂優質鐵水,是指鐵水溫度高,成分合格,波動小,元素燒損少,增碳率高。  

目前我國用于鑄鐵件生產的熔煉設備90%以上為沖天爐,其中絕大部分又是小型(≤5T/h)冷風沖天爐,且多使用冶金焦。這種爐子的能量效率不高(約38.8%),連續工作時間短,難以熔煉出優質鐵水。  

為了獲得優質鐵水,應當推廣鑄造焦和先進適用爐型。熔化量大的5t/h以上的沖天爐宜采用外熱風(>500℃)、水冷、連續作業、清潔、封閉沖天爐;流水線生產球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高強度薄壁灰鑄鐵件宜采用沖天爐感應電爐雙聯熔煉;生產特種小鑄鐵件,如供電條件好,可用感應電爐熔煉。熔煉過程中,還可采用加氧送風、等重除濕等先進技術。  

小型冷風沖天爐或單爐膽熱風沖天爐可改為雙爐膽式高效內熱風沖天爐,使熱風溫度由200℃提高到400℃左右;推廣應用多孔塞脫硫技術,發展蓋包、轉包、喂絲等球化工藝,提高球鐵鑄件的質量。在大批量流水生產中推廣應用鐵水流、孕育絲和型內孕育等瞬時孕育技術及過濾網技術,提高材料均勻性,并減少渣孔缺陷。為及時掌握鐵水的成份變化和鐵水處理的質量,應逐步在專業鑄造廠配備一系列現代化的測試、分析和管理手段,要提高監測設備的快速性、精密性及自動化程度。逐步取消用爐前試塊觀測白口深度的原始粗測法,采用物理方法的鐵水性能速測儀或熱分析儀,快速測定C、Si、碳當量和力學性能;資金充裕者引進直讀光譜儀。沖天爐煙氣凈化的措施就是抽出煙氣,使煙氣中的CO二次燃燒,燃燒余熱再預熱冷空氣并使熱風鼓入沖天爐,同時達到提高鐵水溫度和煙氣凈化的雙重作用。  

沖天爐除塵措施有:  

①干式除塵器。  
投資少者可采用旋流除塵器、旋風除塵器(含多管旋風除塵器);投資較多者可采用袋式、靜電、顆粒層等除塵器。  
②濕式除塵器或兩級組合除塵(如旋風加布袋)。  
這要視要求排放標準和投資多少而定,但要注意,常用的袋式除塵器要考慮煙氣冷卻和布袋的使用壽命(特別是打爐時),濕式除塵要處理好含塵水排放堵塞下水道,造成二次污染的問題。  

2)增加鑄鋼品種,提高鑄鋼件質量  

鑄鋼工業發展的趨勢將不再是鑄鋼件產量、鑄鋼廠數量和生產能力的增加,而是鑄鋼件的質量、品種、性能以及合金鋼的比例的不斷提高。我國合金鋼鑄件的比例不足20%,而工業發國家已達到42%~48%。隨著合金鋼鑄件比例的提高,對合金鋼液的精煉要求也愈來愈高。采用高新技術提高鑄鋼件性能,縮小鑄鋼件體積,提高鑄鋼件壽命是亟待解決的問題。建議在如下幾方面開展工作。  

①開發鑄鋼中合金鋼新鋼種,提高鑄鋼性能,部分頂替鍛鋼,提高材料利用率,降低成本,縮短制造周期,節省能源、資源等。  
②采用高新技術提高鑄鋼鋼液純凈度、均勻度與晶粒細化程度,進一步提高鑄鋼的強韌性,減輕鑄件重量(與國外相比重10%~20%),降低廢品率。精煉工藝有:氬氣凈化;鈣線射入凈化加氬氣凈化;AOD精煉;VOD、VODC爐精煉。  
③采用近終形鑄造技術,進一步提高鑄鋼件尺寸精度與表面質量,減少加工余量(與國外相比,加工余量大1~3倍以上)。  
④降低能源與新砂消耗(噸鋼水耗電:我國700~850kWh,日本450~550kWh)及提高鑄鋼件工藝出品率(我國55%~58%,工業發達國家60%)。  
⑤開發鋼基復合材料。  
⑥提高環保水平,達到國家環保標準。  

3)有色合金鑄造重點發展  

鋁、鎂等輕合金鑄造輕合金由于具有密度小、比強度高、耐腐蝕等一系列優良特性,廣泛地應用于航空、航天、汽車、機械等各行業。有色合金熔煉應推廣感應電爐。感應電爐熱效率高,作業環境好,應是有色合金熔煉的主要設備。應逐步淘汰燃油坩堝爐和焦炭坩堝爐。燃油坩堝爐和焦炭坩堝爐不但熱效率低,而且會對周圍環境造成污染。還應推廣鋁合金氣體噴吹無毒熔煉技術。  

2 發展先進的造型、制芯、落砂、清理工藝和設備  

先進、成熟、適用的鑄造成型工藝方面,可按產品為對象,大致分為以下三種類型:  

(1)大批量生產的中小型鑄件,應推廣預緊實的高壓、靜壓、射壓或氣沖造型高效流水線濕型砂造型,減少、淘汰震壓式造型;推廣樹脂砂高效制芯(熱、溫和冷芯盒,殼芯等),減少油砂或粘土砂制芯的比例。濕型鑄造中推廣煤粉代用材料。  
(2)單件、小批量生產的中、大型鑄件,繼續推廣各種類型的樹脂自硬砂(呋喃、Pepset法、堿性酚醛樹脂砂等),在中、大型鑄鋼件生產中,也可推廣采用酯硬化水玻玻璃砂,代替和淘汰粘土砂干型。  
(3)特定鑄件應推廣各種特種鑄造,如離心鑄管、輕合金壓鑄、低壓鑄造、硅溶膠熔模鑄造或硅溶膠-水玻璃復合制殼工藝、型材連鑄、鐵型覆砂、V法、消失模鑄造等。  

此外,還應開發和推廣能提高鑄件精度和表面質量的專用涂料系列和涂敷技術,如不占位涂料、流涂涂料、能控制冷卻速度的涂料等。 關于鑄件清理,繼續推廣強力拋、噴丸等高效機械化清砂,淘汰水力清砂、水爆清砂,減少手工清砂。對鑄鐵件配備拋丸清理設備或清理生產線,鑄鋼件或較復雜的鑄鐵大件采用噴拋聯合清理設備,液壓件等小殼體類鑄件可采用電液壓或電化學清砂設備;如組織清整生產線要盡量考慮鑄件的在線檢測(如測尺寸精度、表面硬度等)、粗加工基準定位面,設置鑄件的防銹處理(浸防銹液或涂底漆等)。  

還應開發推廣機械手和機器人在落砂清理, 切割澆冒口, 打磨飛邊毛刺中的應用, 改善工人的勞動條件。  

3 將計算機技術引入鑄造領域  

傳統的鑄造設計、生產方法已不能適應市場經濟和社會進步的要求,為了贏得競爭、占有市場、可持續發展,鑄造生產廠必須變革傳統的生產方法,引進新技術、新思維。將計算機技術引入鑄造領域正是這一趨勢的迫切要求。 以下就計算機在鑄造領域應用的一些重要方面,包括計算機輔助設計與分析、計算機檢測與控制、專家系統、信息處理系統、鑄造工裝的計算機應用以及Internet與鑄造產業等進行闡述。  

1)計算機輔助設計與分析  

(1)計算機輔助設計  

計算機輔助設計(Computer Aided Design,簡稱CAD)是以計算機為主要手段,輔助設計者完成某項設計工作的建立、修改、分析和優化,輸出信息全過程的綜合性技術。與傳統鑄造工藝設計方法相比,用計算機設計鑄造工藝可以顯著提高設計效率、縮短設計周期;能夠實現設計與分析的統一;可以存貯并利用鑄造工作者的經驗,較容易設計出合理的鑄造工藝;同時為鑄造計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,簡稱CAE)、計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing,簡稱CAM)、計算機輔助工藝規劃(Computer Aided Process Planning,簡稱CAPP)及計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System,簡稱CIMS)的實施準備完備的信息,奠定良好的基礎。  

經過幾十年的努力,目前國內外研制開發的鑄造工藝CAD系統,概括起來可以分為通用和專用鑄造工藝CAD兩類:  

通用鑄造CAD系統:主要用于普通砂型鑄造工藝的設計,又分為鑄鋼、灰鑄鐵、球鐵及有色等種類。功能包括澆注系統設計,補縮系統設計,分型面、拔模斜度、加工余量的確定,尺寸標注以及工藝圖及工藝卡的輸出。  

專用鑄造CAD系統:主要用于某些特定范圍和特定目的的鑄造工藝設計,如壓鑄型CAD、齒輪類CAD、閥體類CAD、曲軸類CAD、機架類CAD、缸體類CAD、葉片類CAD、DISA造型線鑄造工藝設計CAD等。  

上述鑄造工藝CAD多為二維系統,以甩掉繪圖板、紅藍鉛筆及鑄造手冊為主要目的。  

(2)計算機輔助分析  

計算機輔助分析又稱計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,簡稱CAE),是計算機應用的一個重要領域。一般說來,它是通過建立能夠準確描述研究對象某一過程的數學模型,采用合適可行的求解方法,使得在計算機上模擬仿真出研究對象的特定過程,分析有關影響因素,預測這一特定過程的可能趨勢與結果。鑄造過程數值模擬技術便屬于典型的CAE技術。經過幾十年的發展,鑄造CAE所涉及的范圍已相當廣泛。  

上述模擬技術已從最初的普通重力砂型鑄造擴展到壓鑄、低壓鑄造、熔模鑄造、電磁鑄造、雙輥連鑄、電渣熔鑄等眾多鑄造方法。目前,鑄造數值模擬技術尤其是三維溫度場模擬、流動場模擬及彈塑性狀態應力場模擬已逐步進入實用階段,國內外一些商品化軟件系統先后推向市場,對實際鑄件生產起著越來越重要的作用。  

因此,對計算機輔助設計與計算機輔助分析應以積極推廣。  

①實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程  
當前國內鑄造生產依然是采用傳統的工藝設計手段,鑄造工藝CAD的應用幾近空白,應當盡快實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程,實現鑄造工藝的計算機設計。這是鑄造行業技術改造的必然要求。  
②大力推廣鑄造CAE技術  
目前國內采用鑄造CAE技術的企業不到100家,僅占所有鑄造廠家的0.5%左右,與西方工業發達國家(10%左右)差別很大,推廣應用工作應大力加強。一方面國內鑄造業應解放思想,大膽采用最新科技成果;另一方面還應正確認識鑄造CAE系統的作用,它側重于分析、優化鑄造工藝,但它絕對不能完全代替鑄造工程技術人員,不能神化它的功用,亦不應無視其作用,確切地說它是鑄造工作者手中的有利工具。最后還需要政府的扶植,多渠道推廣。  
③鑄造工裝初步實現CAD/CAE/CAM/RPM一體化,進一步實現遠程制造  
在整個鑄造生產中,鑄造工裝尤其是鑄造模具/模板的設計制造,比較易于實現CAD/CAE/CAM/RPM一體化。目前國內一些鑄造工裝企業已初步采用了上述先進設計制造技術,甚至還實現了遠程制造。但范圍太小,需要進一步加大推廣應用力度。  
④加強人才培訓  
鑄造CAD、CAE推廣應用的另一個關鍵是人才培訓,性能先進的CAD、CAE軟件系統只有配以高素質的應用人才才能達到最佳效果。因此在推廣高技術的同時應大力加強人才培訓。  

2)計算機檢測與控制  

利用計算機實現對生產設備或生產過程進行檢測與控制是計算機在鑄造生產中應用的重要內容。近些年來,已經出現了很多利用微機來測試各種參數、監視生產狀況、控制生產過程的設備及裝置,從而有效地提高了鑄件質量及生產效率,降低鑄造成本。鑄造過程采用微電子及計算機技術進行檢測與控制是生產高質量鑄件的必備條件,也是現代鑄造生產的一個重要標志。微機檢測與控制系統通常由計算機硬件與軟件、I/O接口、模數轉換器(A/D)、數模轉換器(D/A)、傳感器及執行機械等部分組成。  

目前在鑄造生產中運用的微機檢測與控制系統主要有如下幾個方面:  

①型砂性能及砂處理過程微機檢測與控制。  
主要功能有緊實率、抗壓強度、抗拉強度、有效粘土含量、透氣性測定及水分控制。  
②沖天爐熔煉的微機檢測與控制。  
主要功能有配料的自動控制、風量調節、冷卻水量控制、濕度及溫度控制。  
③金屬液質量的爐前快速檢測及微機處理。  
主要功能有各元素成分測定、金屬液溫度、共晶度、孕育效果、抗拉強度、硬度的測定。  
④鑄件成形過程的微機檢測與控制。  
主要功能有金屬液流動性檢測、鑄型性能檢測、造型線主輔機工作狀態的監控。  
⑤鑄件成品質量的微機檢測。  
主要功能有檢測鑄件內部空洞的大小、檢測鑄件表面的粗糙度。  

此外還有低壓及壓鑄生產過程微機控制系統、料庫監控系統及生產組織協調監控系統等。隨著科技的發展,鑄造行業計算機檢測與控制系統將越來越強調在線監控,強調集成化與智能化。  

①在線化  
能夠對鑄造過程或設備進行在線檢測與控制,能夠及時準確地反映現場狀態,實時控制有關生產設備,從而使鑄造過程或設備保持著最佳狀態。  
②集成化  
各監控系統能夠相互配合、相互協調,成為一個有機的整體。  
③智能化  
監控系統能夠根據現場實際情況,自動發出準確合理的指令控制相關對象。  
④遠程化  
利用Internet可以實現遠程(異地)監控。  

國內鑄造企業這一領域的計算機應用相對較多,尤其是一些大規模專業鑄造生產廠家,比較注重該方面技術的應用。但總的來說,應用面還不夠寬,現有的檢測與控制系統也大都是散兵游勇,各自為政,相對孤立地完成某一特定的工作。因此鑄造企業一方面在抓現有鑄造監控系統現代化改造的同時,注重引進吸收先進在線化、智能化、集成化的監控技術,從而達到高效低耗生產出高質量鑄件的目的。  

3)專家系統  

專家系統(Expert System)是近幾十年來人工智能領域研究開發的計算機系統,它是人類長期以來對智能科學的探索成果和實際問題求解需要相結合的必然產物。  

專家系統是一種基于知識的智能系統,以求解那些人類專家才能解決的高難度問題為特征。一般包括知識庫、數據庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制及用戶接口等部分。  

鑄造生產是一個復雜的過程,產品質量受諸多影響因素的制約。而這些因素一般是隨機的、復雜的、很難用數學公式描述。在處理一些突發事件時,往往需要豐富的知識與經驗,而這些知識與經驗并不是所有人都能夠掌握的。一個性能優越的鑄造生產專家系統就可以處理生產中錯綜復雜的情況,在不確定信息基礎上得到正確的結論,及時準確地解決問題。國外鑄造專家系統的研制起始于80年代,一些不同類型的鑄造專家系統先后推向市場,如沖天爐控制專家系統,鑄件缺陷分析診斷專家系統,鑄造過程規劃、咨詢系統,熔模鑄造專家系統等,在實際生產中已取得較好的應用效果。  

國內這一領域的研究開發工作起步較晚,但在一些方面也取得了長足進步,先后推出了型砂質量管理專家系統,鑄造缺陷分析專家系統,自硬砂質量分析專家系統,壓鑄工藝參數設計及缺陷診斷鑄造生產專家系統等。 盡管鑄造生產專家系統的研究工作已在很多領域展開,并取得了一定的應用效果,但總的來說目前還處于初始階段。一些技術及應用環節的障礙,如鑄造知識類型復雜、知識表達困難、決策空間大、多目標和多重約束、模糊性和不確定性等都有待于進一步解決。  

專家系統控制是智能控制的另一個重要分支,是專家系統應用研究的前沿。在線專家系統控制更是倍受關注,鑄造領域這方面的研究將逐步展開。 鑄造生產專家系統是一個與實際生產結合極其緊密的應用技術,需要從實際中來,到實際中去。鑄造專家系統的研制及應用均需要鑄造生產企業給予大力的幫助與支持,因此應用推廣工作應引起多方面高度重視。  

4)信息處理系統  

信息社會的一個重要特征就是"信息爆炸",在這樣的背景下,如何運用高效的管理手段及時準確地分析和處理要"爆炸"的信息和浩瀚的數據就顯得非常重要了。對于一個鑄造企業來說,企業內部各管理部門之間、各生產部門之間、管理和生產部門之間以及企業和外部之間需要傳遞大量的信息;另一方面企業內部各部門技術的進步往往會發生一些阻礙信息交流的"孤島",一些處理系統如CAD、CAE、CAM、CAPP所需要的及所生成的數據彼此差異很大,需要協調管理,才能達到資源共享。根據上述要求信息處理系統(Information Processing System)應運而生。  

企業信息處理系統有別于管理信息系統(Management Informtation System,簡稱MIS)及產品數據管理(Production Data Management,簡稱PDM),是一個范圍更廣、內容更深,集整個企業所有行為為一體的信息處理系統。以鑄造生產為例,一個鑄造廠的信息處理系統應含蓋該廠的所有行為,包括市場營銷、物料進出、生產組織與協調、行政管理、與外界的信息交換等等。  

當今世界信息技術即將成為第一大產業,各種各樣信息處理技術大量涌現、日新月異,特別是信息高速公路的出現,使人類社會進入了一個嶄新時代。但是與其他領域相比,鑄造行業信息處理技術研究、開發與應用顯得過于落伍。特別是國內的鑄造生產廠家,基本是拒信息技術于門外,盡管也有個別企業嘗試采用現代先進信息處理技術,但畢竟鳳毛麟角,遠沒有形成氣候。總結國內鑄造行業信息處理技術的開發應用現狀,有以下特點:  

①研究開發沒形成規模  
基本上處于手工、作坊式、來料加工方式,沒有形成規模、特色。所采用的技術也遠不是最先進的。  
②應用范圍較窄  
主要集中在鑄造企業的財務、人事、庫料管理等方面,現場生產管理很少,基本上談不上系統集成。  
③缺乏先進信息技術的應用  
如PDM技術、MRP-Ⅱ技術、Internet/Intranet技術等應用還處于起步階段。  

但是,作為機械產品毛坯重要的生產方式,鑄造必須吸納各種現代先進技術,以實現自身的完善與發展。先進信息處理技術的應用將是鑄造產業現階段及將來的技術進步最重要的領域之一。其發展也必將呈現集成化、國際化等趨勢。  

鑄造企業信息處理系統是一個龐大的系統工程,需要有長遠的目標與規劃。該系統的實施與應用將徹底改變鑄造企業傳統的生產、管理方式。  

5)鑄造工裝的計算機應用  

鑄造工裝尤其鑄造模具、模板的設計制造與普通鑄件生產過程相比,更方便采用現代先進制造技術。因此,目前在整個鑄造相關環節中,鑄造工裝的生產過程相對較多地應用了先進的設計與制造手段。  

進入九十年代中期,國內外一些專業鑄造模具/模板制造企業,已比較普遍采用以下列方面為代表的先進設計與制造手段,完全變革了傳統的制模方式,帶來了鑄造工裝生產的徹底性革命。  

①CAD/CAM一體化  
在三維特征造型系統上直接進行模具的設計,能夠實現模具各部分的虛擬裝配,自動檢查干涉情況;能夠完成走刀規劃和加工模擬;可以自動生成NC代碼,迅速快捷地生產出高質量的鑄造模具來。  
②快速原型制造  
利用快速原型制造(RPM)技術,能夠快速提供鑄造工裝的模樣,可以顯著縮短新產品開發周期,降低試制成本。  
③并行工程(CE)  
在鑄造模具/模板設計的一開始就綜合并行考慮模具的設計、加工、裝配、使用直到報廢處理的所有環境,可以將設計錯誤降低到最低。  
④遠程設計與制造  
隨著Internet的不斷發展,鑄造工裝的異地設計、異地制造已成為現實,遠程設計與制造技術能夠充分發揮不同國家、不同地區的各種資源優勢,達到最佳配置。  

展望先進鑄造工裝生產技術的發展趨勢,將呈現如下特點:  

①并行環境下CAD/CAE/CAM/RPM集成  
將CAE技術引入鑄造工裝的設計制造過程,分析預測產品制造及使用過程各物理特性的變化,從而優化設計與制造工藝。進一步將實現并行環境下CAD/CAE/CAM/RPM集成。  
②分散網絡化制造(DNM)  
作為遠程設計與制造技術的發展,分散網絡化制造能快速、并行地將不同的成員組合成鑄造工裝虛擬企業,以最大限度地滿足市場需求,充分利用現有資源,保證可持續發展。  

盡管國內鑄造工裝制造的計算機應用已倍受關注,也取得了巨大的進步,但與西方工業發達國家相比,國內的技術研究開發水平還很落后,推廣應用范圍還很小,亟需迅速提高。  

6)Internet與鑄造產業  

因特網,即Internet是一個國際性的計算機互連網絡,它由千百萬計相互聯接的計算機組成,范圍已遍及五大洲幾乎所有的國家,是現代社會傳遞信息的重要工具,對人類活動產生著日益深刻的影響。與其他領域一樣,因特網對制造業的影響是巨大的。目前國外的先進制造企業50%左右的生產信息是通過因特網傳遞的。一些企業的商務活動已過渡到網上商務時代。因特網正改變著傳統企業的運作模式,使大部分企業行為方式發生了本質革命,主要體現在如下一些方面:  

①新的商務模式  
包括網上企業主頁信息發布;網上產品與服務廣告;網上訂貨與銷售等,Internet能夠在企業與用戶間、企業與協作企業間建立快速信息流傳遞,為制造業抓住商機、快速報價、簽定合同、組織協作、建立供應鏈、敏捷響應用戶需求提供了保證。  
②新的研究、開發、設計與制造方式  
利用Internet可以實現異地協同研究、開發,異地協同設計及遠程制造,充分合理利用、配置資源。  
③新的售前、售后服務方式  
包括遠程演示、遠程培訓、遠程診斷服務、遠程實時檢測等嶄新手段。  
④新的企業管理方式  
Internet和Intranet的應用可以使企業管理集約化。對供應鏈實行動態優化,減少庫存,實時了解生產狀態,能夠提高管理水平,降低管理費用。  
⑤新的企業組織方式  
利用Internet可以組織不同區域的相關企業,形成虛擬企業,實現分散網絡化制造(DNM),能夠發揮各自的優勢,最大限度合理利用各種資源。 西方工業發達國家的鑄造組織及鑄造企業非常重視Internet的使用,紛紛建立自己的主頁、站點,這些國家鑄造產業的網上電子商務、遠程設計與制造、虛擬鑄造工廠等領域都在飛速發展。  

國內鑄造業Internet發展也非常快,一些組織、企業都已擁有自己的主頁、站點,部分鑄造企業的網上電子商務活動相當活躍,尤其是一些鑄造模具生產廠家已實現了異地設計及遠程制造。但總的來說應用面還不夠廣,尚需進一步拓寬,應用的層次還比較低,亟待進一步提高。  

國內鑄造企業應盡快駛上"信息高速公路",首先建立自己的主頁,逐步開展網上電子商務。根據各自企業的實際情況,有計劃、有步驟地采用網絡化高新技術,來改進企業的生產手段,中國鑄造業必將煥然一新。

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出處:本站原創 作者:野老鼠
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