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      鑄造過濾網在砂型鑄造過程中的應用

      更新時間:2021-08-11 18:15:00點擊次數:298次
      鑄造過濾網在砂型鑄造過程中的應用

      摘要:作為金屬液過濾技術,在砂型鑄造過程中應用過濾網是一種比較成熟的工藝方法。過濾網的使用能夠達到預防夾雜物等缺陷,為鑄件質量的提升起到了非常重要的作用。但是,為了提高金屬液凈化效果,在應用過濾網的過程中還需要有很多進一步研究的地方。因此,本研究從夾雜物的成因、過濾網的凈化機制、過濾網的作用和使用方法,以及過濾網殘渣的危害等方面展開,以期能為鑄造企業更合理應用過濾網技術提供借鑒。


      鑄造用過濾網通常是一種網狀結構、帶有所需孔徑的開口式、非金屬的金屬液凈化裝置,有著較高的孔隙度和較大的集渣表面積,并可減小流經過濾網的金屬液面紊流的雷諾數,使充型較為平穩、減少產生型內二次氧化夾渣。

      對一些要求表面質量高和致密性好的鑄件,為了預防鑄件夾雜類缺陷,改善內在質量,在澆注系統中設置過濾網是非常必要的。特別是在汽車、高鐵、機床和液壓件等中、小型鑄件領域,過濾網的凈化作用已經得到了廣大鑄造工作者的普遍認可,使用方法也日趨成熟。在此背景下,我們除了必須根據過濾網的過濾能力(承載澆注重量)和所預期的過濾效果,設計出符合鑄造生產的工藝方法、選用適宜的網孔規格、尺寸大小的過濾網,以及在取得短期改善效果的同時,還必須進一步研究長期、全面、大范圍使用過濾網給鑄造企業帶來的鑄造生態系統破壞和改善與修復的問題。

      1 、金屬液內夾雜物產生的原因

      金屬液內夾雜物產生的原因,通過長期的生產實踐,歸納起來大體有以下幾個主要方面:

      (1)鑄鐵件在熔煉過程中,受到各種爐料雜質來源不同的影響,加上熔煉過程中的一些物理化學反應,會在金屬液中產生大量的金屬與非金屬夾雜物,尤其是使用了未經拋丸處理的回爐料以及銹蝕嚴重的生鐵、廢鋼等原材料,影響更大;

      (2)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵要比灰鑄鐵產生夾雜物的傾向更為突出,其原因在于球化(蠕化)反應過程中會產生不同程度的鎂熔渣,這種渣主要是以硫化物顆粒與硅酸鎂微膜結合而成的難以去除的高熔點(≥2000℃)夾雜物,同時,硅酸鹽渣膜往往又和MgS顆粒團一起出現。球化(蠕化)過程中,MgO和SiO2之間的反應在Mg的強烈爆燃作用下生成硅酸鎂;

      (3)所使用的球化劑(蠕化劑),如果Si含量偏高的情況下,所形成的硅酸鎂往往與Si含量的提高呈正比關系;

      (4)MnS等夾雜物也會在球化(蠕化)處理前后,隨著硫含量的變化而大量產生;

      (5)爐襯、包襯耐火材料脫落進入金屬液,以及粘附在耐火材料上的金屬氧化物被高溫金屬液重熔后也極易產生氧化夾渣。

      2、 過濾網的凈化機制

      由于在砂型的澆口杯底部、橫澆道處或直澆道部位放置了過濾網,從澆口杯注入型腔內的金屬液經過該處時能有瞬間停留,可使以熔渣為主體的密度小的夾雜物與金屬液飄浮分離,這些夾雜物在通過規則或不規則網孔時還可以產生深層吸附效應。這種現象能夠在澆口杯處于充滿狀態前持續起到凈化金屬液的作用。


      表面過濾(雙向過濾)的作用:表面過濾是所有過濾網共同的金屬液凈化功能。沒有浮起或正在上浮的表面積比較大的熔渣等夾雜物在金屬液通過過濾網時被過濾網表面所捕捉。而且,被捕捉的夾雜物會與過濾網形成更細小的濾眼,繼續捕捉后續的夾雜物,進而加強了過濾效果。但這種表面過濾的同時,隨著金屬液澆注溫度的降低和黏度的上升,以及澆注時間的延長,網孔會出現不同程度的堵塞,從而惡化澆注狀況。


      內部過濾(三元過濾)的作用:內部過濾是泡沫陶瓷過濾網特有的金屬液凈化功能,它是利用三維立體結構的通道來吸附和阻擋捕捉夾雜物,同時固態的陶瓷過濾網與夾雜物具有相近的"共格對應"關系,可以對夾雜物產生吸附效應。經表面過濾作用未被濾除的夾雜物在金屬液通過其內部的曲折通道時,與具有大表面積的過濾網骨架反復接觸和碰撞,從而被粘附和去除。同時,由于該過濾網骨架表面的主要SiC在焙燒中被氧化變成極薄的玻璃質SiO2,在過濾過程中這層SiO2被金屬液的熱量軟化,對夾雜物更進一步產生吸附效果,使得與過濾網骨架接觸和撞擊的夾雜物難以逃脫,從而產生內部過濾的作用。

      3、 過濾網的分類和特點

      鑄鐵生產過程中應有最多的是泡沫陶瓷過濾網、纖維過濾網和蜂窩陶瓷直孔過濾網。通過長期生產實踐對比,所述3種過濾網各有不同的特點。

      (1)纖維過濾網:是在以高硅氧玻璃纖維網格布和模紗網布為基材表面的基礎上,涂覆耐高溫涂料并經特殊干燥處理后制成的具有一定剛度的網片,具有機械攔截和整流浮渣作用,能夠濾掉大于網孔尺寸的夾雜物。與泡沫陶瓷過濾網相比,不具有產生深層吸附效應的阻渣作用,因此纖維過濾網對金屬液的凈化效果一般。該過濾網最大的優點是:制作簡單、輕薄、價格低廉、幾乎不占用型腔空間、不著火、發氣量低、耐金屬熔體沖刷等特點。另外,尺寸大小可根據不同鑄造方法和澆注系統類型按需剪裁,使用方便??捎糜谟猩辖痂T造,也可用于鑄鋼和鑄鐵。一般纖維過濾網的工藝性能如表1所示。

      表1纖維過濾網工藝性能


      (2)泡沫陶瓷過濾網:是將聚氨脂泡沫塑料切割成所要求的形狀(一般為方塊形和圓形),再放入陶瓷漿液內充分浸泡、待粘著均勻后再經干燥和焙燒而成。該過濾網具有三元網目的連續通孔的骨架結構,約有85%左右的通孔率,在與金屬液接觸時有骨骼狀的比表面積,可產生深層吸附效應。因此,濾渣效果較為明顯。泡沫陶瓷過濾 網的工藝性能如表2所示。

      表2泡沫陶瓷過濾網工藝性能


      (3)蜂窩陶瓷直孔過濾網:是采用莫來石質(堇青石)的陶瓷材料制作的高強度過濾網,設計為直孔式保證了強度和金屬流量間的平衡。具有非常高的高溫工作強度,抗熱震性能和抵抗金屬液熱沖擊能力;有著極高的常溫強度和抗機械沖擊能力,在運輸和使用過程中一般不會出現破裂和損壞現象;能夠有效地減少澆注帶來的金屬液紊流,使充型平穩;具有較大的金屬流率,且流率較為穩定,即使在金屬液中夾雜物含量多的狀況下,使用過程中過濾網也不易被堵塞??善毡橛糜谟猩辖鸷秃谏?屬的鑄造過程。

      4 過濾網的選擇和使用方法

      選用過濾網時,必須根據鑄件合金類型、過濾網的過濾能力(澆注重量)和所期望的過濾效果選擇適宜的過濾網類型和網孔大小、尺寸規格。也應當考慮熔煉過程中所使用各種爐料的潔凈程度,與金屬液中實際夾雜物的含量與性質以及金屬液流動性和充型能力的影響。由于使用過濾網相比未使用時的澆注速度一般會慢10%~25%,因此對要求快速澆注成形的殼體類和排氣管類及薄壁而形狀復雜的鑄件要采用大網孔、通孔率高的過濾網。

      為了防止過濾后金屬液產生紊流,一般采用半封閉或開放式的澆注系統。在澆注系統中有水平、垂直和傾斜多種放置方法。一模多件時為了提高過濾效果和減少使用過濾網的成本,可在澆口杯下方放置一個過濾網,需要在直澆道底部水平放置多個過濾網時,應考慮分組放置;一模一件時宜垂直放置在靠近鑄件的澆道上。

      為避免因放置過濾網而導致澆注速度大幅減緩和澆注溫度下降過快,必須要加強對澆注前金屬液的除渣作業和金屬液溫度的管控。此外,為了不在放置過濾網后的型腔處產生擠型掉砂和澆注過程金屬液漏流,以及避免澆注速度的過緩,在澆注工藝方案上必須注意如下幾點:

      (1)在橫澆道中設置過濾網時,應盡量放置于靠近鑄件的位置。過濾網以下的澆道尺寸要盡量短一些,形狀盡量簡單,以使金屬液勻速流入型腔,也能提高工藝出品率。

      (2)在直澆道設置過濾網時,應盡量設置在直澆道底部或靠近內澆道區域,如果直澆道尺寸偏大,或澆包與過濾網之間的落差尺寸過大時,為了防止金屬液直接沖刷過濾網和過濾網附近型砂,可稍微錯開直澆道放置。

      (3)過濾網的模型尺寸要設計得比過濾網大1mm左右,以留有合理間隙,并在過濾網座上設置集砂槽,使過濾網能被完全放置到過濾網座上和合模后不發生擠砂現象;如果在垂直分型工藝上應用過濾網時,還必須考慮過濾網座與過濾網之間的夾持作用,因此,在過濾網座的夾持面上應設置為同尺寸或過盈配合。

      (4)為了防止澆注速度過低,提高過濾效果,必須按照比例適當擴大承接過濾網前后的澆道尺寸,保證過濾面積為直澆道或橫澆道截面積的2~3倍。在垂直分型工藝上應用時(如DISA線),為了不影響生產效率,簡易、快速而準確地放置過濾網,可將過濾網預先放置在下過濾網框上,再與砂芯一起下入鑄型;如果砂型中沒有設計砂芯,可為放置過濾網單獨設計下過濾網框。通常,垂直分型工藝放置過濾網過程是先將過濾網放入下過濾網框的固定位置上,然后,啟動下芯機,下芯機驅動下過濾網框將過濾網自動放入正壓板側型腔內,這時,型腔內的夾持面會將過濾網夾持在過濾網座上,待下過濾網框撤回原位后,合上反壓板模型,完成整個造型和 放置過濾網過程。過程如圖1所示。


      圖1:垂直分型工藝放置過濾網過程

      5、 過濾網殘渣的危害和改善

      在鑄造過程中長期、大量使用過濾網,澆注后過濾網與高溫金屬液接觸被嚴重灼燒后碎化、過濾網殘渣會直接進入回用砂中,使得回用砂的質量不斷惡化,進而影響濕型砂的整體性能。從圖2、圖3和圖4中可以分別看出,3種過濾網殘渣在回用砂中的殘余狀態;過濾網與高溫金屬液直接接觸,凝固后過濾網將成為回爐料的一部分,這些在回爐料中難以被清除的過濾網殘渣也會不斷增加熔煉除渣難度,并對爐襯有嚴重侵蝕后果,最終影響金屬液綜合質量。經拋丸處理也難以去除的過濾網殘 渣如圖5所示。


      圖2:回用砂中纖維過濾網殘渣


      圖3:回用砂中泡沫陶瓷過濾網殘渣


      圖4:回用砂中蜂窩陶瓷直孔過濾網殘渣


      圖5:經拋丸處理難以去除的過濾網殘渣


      5.1  試驗方案

      某鑄造車間配備有兩條相同砂處理系統、熔煉、澆注和落砂等設備的DISA鑄造生產線,1#線長期生產工藝較為復雜并在澆注系統中大量使用過濾網的鑄件,2#線長期生產相對簡單、不使用過濾網的鑄件。具體試驗方案如下:

      (1)在該車間正常生產過程中,分別在1#線和2#線使用各自經落砂機回收的、水分含量較為一致的回用砂作為混砂原料,采用同樣型號和規格的膨潤土、煤粉等作為輔料,在同一砂處理作業指導書的指導下進行混砂。

      同時在1#線和2#線生產同一種鑄件(注:同一個產品,模具有兩套,一套模具是鑄件的左件,另一套模具上只布置了鑄件的右件)。在生產開始后的30 min、60 min、90 min、120 min和150 min,分別在1#線和2#線的DISA造型機上方,在即將進入自動造型室的輸砂皮帶末端隨機取5組型砂樣本,用于檢測型砂性能。


      (2)分別在1#線和2#線使用各自經拋丸機處理過的、表面干凈程度較為一致的回爐料作為熔煉原料,采用同樣型號和規格的生鐵、廢鋼等作為輔料,在同一熔煉作業指導書的指導下進行熔煉。


      在1#線和2#線的中頻感應電爐上方,對達到該產品化學成分和出爐溫度要求的第1爐、第2爐、第3爐、第4爐和第5爐的出爐時的金屬液進行取樣,每爐取1個光譜試片,使用同一臺光譜儀對兩條線的總共10個樣本的化學成分進行檢測。


      (3)同樣是在中頻感應電爐上方,分別記錄1#線和2#線上述各5爐金屬液從熔煉開始至出爐前所使用的除渣劑用量。每爐第一次加入除渣劑是待電爐內全部爐料從固體被熔化至液體時進行;在爐內加入增碳劑、等待6min的吸收和升溫時間之后,第二次加入除渣劑進行除渣;出爐前,為了保證金屬液純凈度,第三次加入除渣劑進行爐內除渣。


      5.2 試驗結果對比

      通過混砂試驗對比,利用長期使用過濾網的回用砂,采用同樣的混砂原材料、配比、混砂設備和混制方法,與未經使用過濾網的回用砂混制出的型砂性能對比,從表3和表4中可以看出,兩條線各5組的型砂性能差異很大,尤其是強度和緊實率相差懸殊。

      表3:采用未經使用過濾網的回用砂混制出的型砂性能

      表4:采用長期使用過濾網的回用砂混制出的型砂性能


      通過熔煉試驗對比,利用長期使用過濾網的回爐料,采用同樣的熔煉原材料、配比、除渣劑、熔煉設備和方法,與未經使用過濾網的回爐料熔煉出的金屬液相比,在每爐同樣熔煉4t鐵液的條件下,通過對比發現,利用使用過濾網的回爐料在熔煉過程中除渣工作強度增加,難度明顯提高。從表5和表6中可以看出,采用長期使用過濾網的回爐料熔煉相同噸位、分別除渣3次、達到同等純凈程度出爐要求的鐵液,5爐總共使用了53.50kg除渣劑,平均每爐使用了10.70kg除渣劑,與采用未經使用過濾網的回爐料熔煉相比,5爐一共多耗費了13.50 kg除渣劑,平均每爐多使用了2.7kg除渣劑;對比化學成分,從表7和表8中可以看出,兩條線各5組數據,化學成分有明顯差異,主要表現在Si和S的不同上??偨Y認為,利用長期使用過濾網 的回爐料熔煉的原鐵液(未經球化處理),有增Si和增S的特點。


      表5:采用未經使用過濾網的回爐料熔煉的除渣劑用量



      表6:采用長期使用過濾網的回爐料熔煉的除渣劑用量



      表7:采用未經使用過濾網的回爐料熔煉出的鐵液化學成分


      表8:采用長期使用過濾網的回爐料熔煉出的鐵液化學成分


      6、 結束語

      在鑄造過程中長期、大量使用過濾網,雖可明顯改善因夾雜物造成的鑄件表面和內在孔洞類缺陷,但是,我們卻往往忽略了澆注后的過濾網殘渣對型砂系統的危害,特別是對回用砂的惡化,以及對金屬回爐料的污染。因此,我們還必須進一步研究,通過更多的方法減少、改善和修復過濾網殘渣帶來的影響。

      (1)改良過濾網組成成分,減少過濾網殘渣遺留在型砂系統和回爐料中的危害。

      (2)在回用砂進入砂庫前通過六角篩網篩分出體積較大的過濾網殘渣的基礎上,更進一步研究過濾網在回用砂中和回爐料中的分選技術。

      (3)從有利于鑄造可持續發展的角度,在能夠不使用過濾網可以保證鑄件質量的前提下,在同等生產條件下,盡量不使用或者減少使用過濾網;也可根據爐料的純凈程度和具體鑄件的特殊要求以及實際的型砂性能,區分不同爐料、不同鑄件等特點,有針對性的分步驟、小范圍、短期性、階段性或周期性的使用過濾網,從根本上減少 過濾網殘渣的危害。

      來源:《鑄造》202008期

      作者簡介:

      任現偉(1980-),高級工程師,洛陽古城機械有限公司男,主要從事鑄造工藝和材料的研究、開發與應用工作。

      E-m a i l:lyrenxianwei@163.com
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      (編輯:劉朝華)
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