中国压铸杂志

我国现行铝合金熔体制备供应模式

作者:admin 来源:原创 发表时间:2017-02-11
 
文:重庆大学 王甜
一 概述
二十一世纪,能源危机和环境问题不断升级,世界工业,尤其是处在工业化进程中的国家,工业发展模式必须进行转变,“两源”(资源和能源)消耗型的产品及其生产工艺、设备将逐渐被淘汰,取而代之的是新的更加符合现代工业发展理念的生产工艺和设备。
     铸造是一个传统产业,是制造业的基础,也是我国国民经济的基础所在。到2009 年底,我国铸件总产量已经连续 10 年位居世界首位,并且铸件产量以每年10.9%的速度增加。但同时,铸造行业能源消耗巨大,特别是在我国,由于铸造工艺水平和企业装备水平比较落后,铸件生产的能耗是发达国家同类铸件的 1.5~2 倍,铸件重量却是发达国家同类铸件的 1.1~1.2 倍,铸件废品率也远远高于发达国家2~3%的水平,虽然铸件总产量居世界之首,但高性能、优质铸件的比例却只有 21%,近净形铸件只占 2%(美国占 13%)。
     “十二五”规划时期是我国经济转型和持续发展的重要时刻和攻坚阶段,对于铸造行业的发展也是一个关键期。为了满足现代市场对铸件质量越来越苛刻的要求,满足我国经济建设的需要,以及铸造行业本身的生存和发展,必须不断提高和改善传统铸造工艺的水平,研究和创新特种铸造和先进铸造技术,同时,对相关设备和辅助设备进行改进,使得我国铸造行业朝由大变强的方向发展。
   现代铝合金铸造业(本文主要指压铸行业)中,“铝合金熔体制备供应”过程作为铸造生产中最大能耗、材耗以及人力依赖的工序,和“型腔气体”这一瓶颈一起,成为现代液态成型产业向“高效率、高环保、高品质、智能控制以及无人化”方向发展的制约因素。如何以最低的能耗、最少的熔损、最低的成本、最少的人工,制备出冶金质量合格的铝合金熔体并定量定位提供给铸造成型设备,是实现“绿色高效、高品质、自动化、智能化、无人化”的技术基础。
 

 
     在压铸铝合金熔体的制备和供应方面,我国铝合金熔炼车间多采用间断式熔化系统,通常先用集中熔化炉熔化铝料,然后将铝液转移到精炼炉中进行保温精炼,铝液符合生产条件后,通过熔体转运设备(如浇包)将铝液配送至各压铸机的机边保温炉中。整个熔炼过程中,铝液进行了多次转移,且没有相应的防护措施,造成熔体剧烈搅拌,加剧了元素的吸气和氧化。
     目前国内大中型铝加工厂约有 700 多家,铝熔炼炉有 5000 多座,但一般规模都较小,熔化炉容量较小,且结构不合理,数据显示国内的重熔铸造能耗比工业发达国家的高 75%
以上,特别是 2003 年美国研制成功了一种等温熔炼炉,更是开创了熔炼技术的新时代,该等温熔炼炉的熔体供应模式与当前国内常规铝熔体工艺模式相比,具有流程短,无需多次转移铝液,全过程热损耗小等特点,可节能 70%,减排 80%,更是拉大了国内外的差距。而且,国内的化铝炉多为火焰反射炉,除去热效率低,加热不均匀等缺陷外,金属烧损也较为严重,一般可达 6%左右,而等温熔炼炉可在此基础上下降了 4 个百分点。因此,在现行铝合金熔体制备供应模式的基础上,尽可能缩短其工艺流程,对于提高熔体制备供应过程能源利用率,同时提高熔体质量,减少熔体烧损和吸气,具有重要意义。
  二 现行铝合金熔体制备供应模式
 1、现行压铸铝合金熔体制备供应模式
    为满足单一牌号铸件大批量生产的需求,目前我国铝合金压铸生产广泛采用各工序分地点独立实施的生产模式,即铝合金熔炼、压铸、清理、成形后加工等工序在各独立场所进行,如图 2.1。铝合金压铸生产过程一般包括炉料准备、铝合金熔炼、压铸成形和压铸件清
理等主要工序过程,按照产品的工艺要求和客户需求,也可能包括机械加工,浸
渗处理以及涂漆工序。
在压铸厂或压铸车间的生产组织上,通常划分为主要部分和辅助部分。其中,主要部分包括压铸模具工部、熔炼工部、压铸工部、清理工部;辅助工部包括检验站(组)、模具修理站(组)、机器修理站(组)、备件库、材料库、成品库等。熔炼工部的任务是根据压铸件材料要求配制炉料及熔炼,为压铸工部提供合格金属液。清理及检验工部负责清除压铸件浇注系统、飞边毛刺等,并对压铸件进行质量检查,确定废品及合格品。
     现行的铝合金压铸件生产实行的是熔炼和压铸工艺相分离的模式,即采用集中熔炼的方式为压铸工部提供铝合金熔体。
     因此,一般情况下,压铸件的生产流程是:由材料库提供金属材料供熔炼工部进行合金熔炼,熔炼合格的铝合金熔体运送到压铸工部各个压铸机的机边保温炉中,由压铸工部压铸成形毛坯,送到清理工部进行清理,检验合格后成品压铸件入库。图 2.2 是压铸生产工部及生产过程。
 

 
采用这种生产模式最大的优势在于分工明确、任务单一、设备专业,是目前我国大规模生产的必然选择。 
但是随着现代铸造行业的进一步发展,为了满足铸造行业“绿色高效、高品质、自动化、智能化、无人化”的发展需求,作为整个铝合金压铸生产过程中能耗最高的熔体制备供应阶段,成为行业推动“节能减排”的重点之一。如何以最低的能耗、最少的熔损、最低的成本、最少的人工制备出冶金质量合格的铝合金熔体并定量定位供应给铸造成型设备,已成为现代铝合金工业的发展重点。
     目前,广泛应用于各压铸企业的熔体制备和供应模式是:集中熔化、精炼→转运→机边保温→机械浇注,主要包括熔体制备(即铝合金熔炼)和熔体供应(即铝合金熔炼后铸造前的全部过程)两个过程,涉及到的设备主要有熔化炉,精炼炉,浇包,机边保温炉,定量浇注设备(一般为给汤机)以及一些生产辅助设备等。
2、现行压铸铝合金熔体制备过程
 合金熔炼有四种方法:分批熔炼、半分批熔炼、半连续熔炼和连续熔炼法。根据熔炼方法本身的特点和所生产的铝合金产品的性能要求,目前国内铝合金压铸企业采用的熔炼方法主要是分批熔炼法和半连续熔炼法。
     铝合金熔体制备的一般工艺流程如图2.3,根据合金牌号及用户产品用途要求,严格控制化学成分及杂质含量进行配料计算得到每一炉的炉料所需的电解铝锭、中间合金以及铝合金废料,将炉料装入铝合金熔炼炉中进行快速熔化后,经扒渣、搅拌后,取样分析铝液的化学成分,并根据其分析结果对铝合金熔体进行化学成分调整。成分合格且温度符合工艺要求的铝合金熔体,转入保温炉中进行精炼、静置、扒渣和调温。铝合金熔体再经过晶粒细化装置晶粒细化以及在线精炼过滤装置除气、过滤后,即得到符合工艺要求的铝合金熔体。根据所熔炼的合金种类、熔化炉的种类以及合金铸造工艺的不同,铝合金的具体制备工艺流程存
在差别。
 
①炉料装炉
 合理的装炉顺序对保证快速熔化、减少元素烧损、提高熔炉的生产率和熔体品质,保护炉底、炉墙,提高熔炉的寿命都具有重要的意义。对于火焰炉,确定装炉顺序的基本原则是:
1)易烧损的炉料装于炉底,或加入铝合金熔体中;
2)熔点较高的中间合金应装于炉料顶层;
3)大块废料和原铝锭装于中间层;
4)低熔点和易烧损的纯金属待炉料熔化后加入;
5)装炉前以废板材或短料铺底以保护炉底;
6)除铜、镁、锌外,其他炉料应当一次装入。
 对装炉的基本要求是:紧密均匀,尽可能一次装入;炉料不与加热原件接触,不妨碍火焰正常流动;装炉时间尽量短,尽可能实现机械化、自动化。
  ②集中熔化
     熔化是金属固体向液态转变的过程,这一过程的好坏,对产品的质量有决定性的影响。 熔化过程中随着炉料温度的升高,特别是当炉料开始熔化后,金属外表面所覆盖的氧化膜很容易破裂,将逐渐失去保护作用。气体在这个时候很容易侵入,造成内部金属的进一步氧化,并且已熔化的液滴或液流向炉底流动,当液滴或液流进入底部汇集起来时,其表面的氧化膜会混入荣体重,所以为了防止金属进一步氧化并减少进入熔体的氧化膜,在炉料软化下榻时,应当在金属表面撒上一层覆盖剂。
 熔化过程必须有足够高的温度以保证金属及合金元素的充分熔化及溶解。加热温度高,熔化速度则快,同时也会使金属与炉气、炉衬等相互有害作用的时间缩短。生产时间表明,快速加热可以加速炉料的熔化,缩短熔化时间,对提高生产率和生产质量都是有利的。但在另一方面,过高的温度容易引起过热现象,特别是天燃气炉(或煤气炉),熔炼时炉膛温度高达 1200℃,在这样的高温下极容易产生局部过热,因此,在炉料熔化后,应适当搅拌熔体,以使熔池里各处温度均匀一致,同时这也与利于加速熔化。但熔化温度越高,熔体氧化吸气的倾向越大。
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