现代熔模铸造工艺技术设计与管理_牛森.pdf
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1、现代熔模铸造工艺技术设计与管理牛森(临朐县工业技术服务中心,山东临朐262600)摘要:铸造工业是现代装备制造业的基础,有“工业之母”之誉,是我国现代制造业发展不可或缺的一环。铸造工艺技术对产品质量、精度尺寸和铸件合格率至关重要。针对当前小微熔模工艺铸造企业转型发展需求,围绕制模、制壳、焙烧、熔炼和浇铸等各个关键环节开展技术工艺提升进行设计与研究,以促进小微铸造企业转型升级,实现高质量发展。关键词:熔模铸造;铸造工艺技术;产业升级中图分类号:TG241文献标识码:A文章编号:1672-1152(2023)05-0088-030引言20 世纪 50 年代,随着前苏联水玻璃黏结剂制壳工艺引进我国,
2、熔模铸造工艺在我国的工业生产中得到广泛应用。经过数十年的发展,不断使用新材料、新技术、新工艺和新设备,进一步促进了熔模铸造的发展,应用领域持续扩大。目前,熔模铸造工艺已经在航空、航天、机械制造、汽车、船舶、医疗、电子、化工、核能和兵器等不同工业领域中得到了广泛应用,展现出广阔的发展前景。2020 年以来,山东省潍坊市在全市范围内率先开展铸造行业转型升级,对铸造行业工业技术装备节能、环保、安全生产提出了更高的要求,对现有铸造企业实施分类施治。2022 年,山东省政府明确将铸造行业纳入“两高”行业目录,实行闭环管理。在此形势下,现有铸造企业如何结合自身优势和特点有效实施转型升级,运用先进的工艺技术
3、和高效的管理模式谋求新突破、新发展,是每个中小微铸造企业必须面对的难题。1熔模铸造工艺的优点和局限性1.1优点1)熔模铸件尺寸精度高,表面粗糙度小。由于熔模铸造采用尺寸精度高、表面光滑的可熔性模,铸件更接近零件最终形状,可减少后续加工工序,节省金属材料的消耗。2)适用于铸造结构形状复杂,精密的铸件。熔模铸造工艺可以铸造出结构复杂、难以加工生产的铸件。3)合金材料可选择性广。可以根据不同的材质铸造出碳钢、合金钢、不锈钢、高温合金、铜合金、贵金属和铸铁等,满足更多生产需求。4)既可大批量生产,又可小批量生产,生产组织灵活。1.2局限性1)熔模铸造过程复杂,影响铸件质量的工艺因素多。因此,必须严格控
4、制各种原材料品质及操作工艺,才能够稳定生产。2)生产周期相对较长。3)铸件冷却速度慢,易造成铸件晶粒粗大,产生魏氏组织,严重影响铸件质量。4)生产工序较多,职工劳动强度相对较大。2关键环节工艺技术设计与研究从市场需求情况来看,下游客户对铸件材质、机械性能和表面光洁度的要求越来越高,政府对企业安全、环保和节能方面的要求也愈加严格,需在生产过程中的制模、型壳制造、型壳焙烧、铁水浇铸和铸件热处理等各个环节提升铸造技术水平。2.1制模工艺制模环节是熔模铸造的基础,直接关系到产品尺寸和表面光洁度。水玻璃工艺采用 95石蜡(质量分数)+5低分子聚乙烯(质量分数)的石蜡低分子聚乙烯模料。该模料熔点为 66,
5、软化点约为 34,在配置过程中应严格把控聚乙烯的比例。比例过低容易导致模型软化变形,结构不稳定。比例过高则容易造成收缩比率增大,造成产品尺寸变形。在生产过程中,聚乙烯长期使用容易呈现出老化特性而使模料性能变差。因此,要根据生产周期补充聚乙烯。硅溶胶工艺使用中温蜡,主要成分是石蜡、树脂和聚合物。中温蜡熔点一般在 70100,相比于低温蜡,中温蜡收缩较小,内部结构更加稳定,尺寸稳定性好,用液态压制的熔模表面粗糙度细,复制性能好,回收处理更加便利。传统的手工注蜡效率低、工作环境差、劳动强度大,且蜡型成型后需手工进行修模,费工费时。采用全自动化注蜡机,通过运用检测开关、中间继电器和PLC 主机等自动元
6、件,完成 PLC 编程,并根据设置完成自动指令,将蜡液从脱蜡釜送入制膏机,蜡膏经过制膏机自动输送进入到注蜡机,然后进行自动注蜡,收稿日期:2022-12-07作者简介:牛森(1989),男,山东即墨人,硕士,毕业于青岛科技大学项目管理专业,工程师,主要从事工业技术改造,产业转型升级,水泥、铸造和化工行业转型升级等工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.034行业纵横2023 年第 5 期实现注蜡全过程自动化。自动注蜡机的使用可提高蜡模的合格率和生产效
7、率,取消修模工序,而且能够改善制模车间的劳动环境,减轻员工的劳动强度,减少用工量。2.2制壳工艺型壳由黏结剂、耐火粉料和撒砂材料三种材料按比例混合成涂料后,经过浸涂、撒砂、干燥硬化等工序制成。涂料层分为表面层和加固层。表面层用于精确复制模型的表面形状,形成致密光滑的表面型腔,保证最终得到光滑的表面光洁度。加固层用于加厚、加固型壳,使型壳具有良好的强度和其他综合性能。目前,制壳工艺主要有水玻璃工艺和硅溶胶工艺两种,前者型壳是以石英粉和石英砂作为耐火材料,水玻璃做黏结剂,氯盐做化学硬化剂。后者是以锆英粉、莫莱粉和刚玉粉作为耐火材料,硅溶胶作为黏结剂。两种工艺主要有以下特点:1)水玻璃型壳浇铸的铸件
8、尺寸精度不高,表面粗糙度大。硅溶胶型壳的铸件尺寸精确,表面光洁度光滑。2)水玻璃的型壳制造周期短,原材料、设备投资相对于硅溶胶型壳具有较大的价格优势。3)硅溶胶型壳强度、透气性、热膨胀性、热震稳定性等性能都优于水玻璃型壳。4)硅溶胶型壳壳薄、强度大,在脱蜡和焙烧过程中能够节约时间和能源。5)水玻璃型壳在焙烧过程中产生大量的氯化氢气体,会造成大气污染。6)硅溶胶工艺在铸件精密度、质量稳定性和环保节能方面均优于水玻璃工艺,已逐渐成为当前绿色铸造的主流工艺。但其设备造价高、原材料成本高,对部分小微铸造企业来讲,彻底淘汰水玻璃工艺还有一定困难。原有水玻璃制壳工艺因采用氯化氨、氯化铝等硬化剂造成环境问题
9、,可通过使用新型硬化剂 YS-28(即羧基有机化合物配合适量烃基改性剂融合的硬化酯)进行改善。新型硬化剂具有如下优点:1)模壳在常温和高温时强度高,残留强度低,脱壳性好,铸件表面光洁,其自然干燥硬化的特性与硅溶胶相似。2)改善工作环境,制壳过程无气味、无毒、对设备无腐蚀。3)减少水污染,杜绝了酸性气体排放,有利于环境保护。4)价格适中,新型硬化剂与砂搅拌均匀后,放置多日依然有效,成本与氯盐成本相仿。在制壳过程方面,采用由机械撒砂机、电动搅拌机、自动输料线和除尘抑尘等设备构成的制壳流水线,其优点在于生产过程中极大减少了手动制壳的用工量,可以节省一半的人工支出,减轻了工人的工作量,提高了生产效率。
10、机械化操作可以保证操作工能够严格按照工艺要求操作,避免了大量人为因素造成的质量问题。同时,改善了劳动环境,避免了工人的身体直接与生产物料接触,避免粉尘等有害因素对工人造成危害。对生产过程中的粉尘、回收物料等进行集中收集处理,有利于保护环境,符合绿色铸造的要求。2.3型壳焙烧环节制成合格的型壳后,还必须采用良好的合金液和正确的浇铸工艺,方能获得高质量的铸件。这个环节包括浇铸前的型壳焙烧、钢液熔炼和钢液浇注工序,三个工序环环相扣、紧密配合。型壳焙烧主要是将脱蜡完成后的型壳放入焙烧炉中焙烧,焙烧温度控制在 8701 050,主要用于将脱蜡后的型壳焙烧成陶瓷型壳,以此排除型壳中的杂质。焙烧过程中会产生
11、大量的热能,未进行处理的焙烧过程伴随大量的热量流失,会造成能源浪费。可通过在焙烧炉上方加装自动点火、自动控温等节能装置,根据实际温度要求控制天然气用量和用电量,从而降低能源消耗,提高能源利用效率,降低生产成本。同时,还可安装废气循环水加热系统,包括废气锅炉装置、循环水池和热水循环泵等,利用废气加热锅炉,得到蒸汽后加热循环水池,通过热水循环泵输送热水用于蜡锅加热、脱蜡加热等工序的预热,且方便冬季员工取暖。这样既能够降低废气排出时的温度,便于后期废气环保处理排放,又能通过利用废热,减少对其他能源的消耗。2.4钢水熔炼环节在一般碳钢、低合金钢和不锈钢的熔炼过程中,熔炼设备大多采用无芯快速中频感应电炉
12、,优点是功率大、熔化速度快、合金元素烧损少、重熔炼产生的气孔和夹杂物缺陷少。缺点是铁水中的气体和非金属夹杂物易造成铁水纯度不达标和铁水意外飞溅造成危害。铁水飞溅造成危害的程度取决于非金属夹杂物在钢中存在的的形态和含量,以及气体中的 H2、O2和N2,其中 H2的危害最大。H2、O2和 N2主要来源于炉料,同时,在熔炼过程中,钢液也会从炉气中吸入气体。另外,烧结不良的炉衬、烘干不好的合金熔炼剂、未烘干好的浇包和未焙烧好的型壳,都会增加钢液中的气体含量。为了避免这些气体的混入,可采取以下措施:1)清洁回炉料。特别是铁锈严重的回炉料,应该做除锈处理,铁锈中不仅带入氧化铁,而且带入了水分,水分分解后引
13、起钢液吸入 H2。2)缩短高温冶炼时间,防止气体在钢水翻滚过程牛森:现代熔模铸造工艺技术设计与管理89山西冶金E-mail:第 46 卷中卷入。3)充分脱氧。普通碳钢冶炼采用铝最终脱氧,铝量添加不足,会导致脱氧不充分;添加过量,则会造成低流动性,恶化铸件机加工性能。4)型壳焙烧温度达到要求,保温时间达到要求,从而减少型壳的发气量,抑制侵入性气体的流入。随着 VOD(氩氧精炼炉)和 AOD(真空精炼炉)精炼法的推广,国内出现了优质炉料的快速重熔,使熔模铸造的熔炼水准向纯净钢的目标迈进了一大步。与此同时,许多精铸厂家采用惰性气体覆盖保护法的熔炼技术,尝试滴入液氩或液氮等液态惰性气体,让液态惰性气体
14、快速汽化并扩散,替代熔池上方的空气层,形成惰性气体保护。这种技术可以起到阻断空气的作用,防止空气进入熔炼液,从而保证铁水的纯净度。同时,可以改变传统的脱氧方式,将脱氧元素放置在薄壁金属脱氧管中,然后插入炉内金属液中,脱氧元素在炉内金属液反应产生动能,带动钢液翻滚,使钢液中气体和杂质上浮,更加轻松地排除钢液中的空气和杂质。2.5浇铸环节在浇铸环节中,浇铸温度和浇铸速度是否达标,是影响铸件成品率的关键因素。为改变传统熔炼、浇铸环境,提高生产效率和铸件质量,引入自动浇铸机成为铸造工业发展的趋势。自动浇铸机可以通过遥控检测装置测量熔炼炉炉温,待铁水温度达到浇铸要求后,根据型壳自动浇铸底盘的摆放位置,定
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