中国压铸杂志

压铸企业生产现场铝合金熔体制备现状分析

作者:admin 来源:原创 发表时间:2018-10-01

 
文:王甜
 
    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。
一、铝合金熔体制备过程具体工艺
 1、铝合金集中熔化
     用钢丝刷、棉纱将炉料(包括铝锭、废料、镁锭等)的油污水渍、污物清理干净,保证炉料的清洁。根据配料单计算炉料成分,从上料口投料。炉料尽量一次入炉,二次或多次加料会增加非金属夹杂物及气体含量。炉膛温度一般在900±50℃,铝合金熔体温度设定为 760℃,铝锭要求集中投放、集中熔化,待炉内铝合金熔体达到 4t 以上,温度达到 730℃时,可以开始投放硅、钛,每次投放的硅不宜超过 150kg(一次性加入过多的硅,容易造成铝合金熔体温度下降过多),每次加硅后,立即开启电磁搅拌器(15 分钟),使得熔池里各处温度均匀一致,同时也有利于加速熔化。精炼喷吹前加入镁,由于镁的密度比较小,需要用扒渣耙将镁压入铝合金熔体中,3~5 分钟。喷吹前在炉内均匀加入 20~30kg 的清渣剂,喷粉精炼器内加入 15~20kg 精炼剂,精炼喷吹由炉膛内部向外部循环进行,喷吹时注意避免管口接触炉底。扒渣时,应当动作平缓,大块渣应当拍散,保证热渣在炉门口斜面处停留片刻,控干铝合金熔体再扒出。扒渣后铝熔体静置 10~15 分钟,去光谱试样进行化学成分检测,成分不合格时调整成分直至合格。
2、铝合金熔体精炼 
    确定铝合金熔体化学成分合格,温度在 730~770℃范围内后,则可向静置炉放水。当铝合金熔体 Fe 含量超标时,严禁向静置炉放水。静置炉铝合金熔体温度设定为 760℃,炉气温度在 800~950℃范围内,铝合金熔体温度达到 740℃才能进行精炼。在喷粉精炼器中加入干燥的精炼剂,精炼剂重量一般是铝合金熔体重量的 2~3%,将喷粉管放在炉口预热 2~3 分钟后开启设备,将喷粉管插入铝液中,调整通气流量,避免流量过大导致的铝液飞溅。精炼前,炉内均匀撒入干燥的清渣剂(重量为炉内铝液重量的 2~3%),每次精炼 10~20 分钟,溶剂的加入速度为 1~1.5kg/min。每次从熔化炉放水至静置炉精炼,精炼喷吹由炉膛内部向外部循序进行,喷吹时避免管口接触炉底,喷吹结束后,清理干净喷管上的结渣。扒渣时动作平稳,大块浮渣应当拍打松散,保证热渣在炉门口斜面处停留片刻,控干铝合金熔体后再扒出。铝合金熔体精炼后 15 分钟取样(取样位置在液面下 20~50cm 处)进行光谱分析检测化学成分,不合格时进行成分调整直至合格。
 3、铝合金熔体除气
     确定铝合金熔体化学成分合格,温度在 745~770℃范围内后,浇包移至铝合金出液口,打开静置炉出液口,流槽内均匀撒入 1kg 清渣剂。用叉车将浇包移至除气机,将表面浮渣搓散扒出后开始除气,待转轴旋转平稳后,再在表面均匀撒入 1kg 清渣剂。除气时间一般在 12 分钟以上,通气压力为 0.2~0.4MPa,通气气流为 1.5~2m3/h。扒渣时要保证浮渣松散无铝,扒渣动作平稳,扒渣后,铝液表面基本成镜面,无残留杂质。搅拌除气开始后三分钟进行化学成分取样,搅拌除气结束后,进行测氢取样。除气后温度控制在 720±10℃,温度过高则静置处理,温度低于 690℃时,铸锭处理。铝液温度、化学成分、试样密度等检测合格后,铝合金熔体即可转运至铸造车间进行压铸生产。
二、铝合金熔体制备过程设备需求
 1、集中熔化炉和静置炉
     目前,铝合金熔炼工艺通常在一台熔化炉和一台静置炉中完成,熔化炉中主要进行铝合金炉料的熔化和成分调整,静置炉则主要进行铝合金熔体的净化和调温。目前国内普遍使用的熔化炉和静置炉均为火焰反射炉,其炉型分为圆形顶加料和矩形侧加料两种。许多铝合金铸造企业现役的熔化炉和静置炉均是根据企业生产能力和生产需求专门定制。
 2、电磁搅拌器
     向铝合金熔体中加入合金元素,以及在熔体转入静置炉前,都需要对铝合金熔体进行充分的搅拌。其作用是:①提高合金化元素熔化及溶解的速度,时铝合金熔体成分均匀化,这是因为金属的溶解是在与熔体接触的界面处开始的,会造成局部高浓度聚集区,只有通过搅拌,使熔体产生对流,平衡聚集区和贫乏区,才能加速合金化元素的溶解,使其成分均匀;②温度均匀化,避免铝合金熔体局部过热,火焰反射炉熔炼铝合金时,热量的传递从铝合金熔体液面上自上而下传递,因此铝合金熔体上下液层温度不均,并且不能通过热对流达到均衡,这种温差有时可以高达 30~116℃,只有通过搅拌才能快速达到温度的均衡。
    永磁搅拌是靠永磁铁的磁力场对金属熔体进行非接触搅拌。永磁搅拌器相当于一个气隙很大的使用永磁体磁场的电机,感应器相当于电机的定子,铝合金熔液相当于电机的转子,磁场和熔池中的铝合金熔体相互作用产生感应电势和感应电流,而感应电流又和磁场作用产生磁力,从而推动金属液体做定向运动,起到搅拌的作用。因此,永磁搅拌是对金属液进行非接触搅拌,不会污染铝液。一般情况下,电磁搅拌机常置于铝合金熔化炉底部,因此熔池底部的铝液所受的搅拌力较大,顶部铝液所受搅拌力较小,需要设置合适的搅拌强度,既可获得充分均匀的搅拌,又不至于破坏熔体表面的氧化膜,可减少烧损,减少熔体提起,获得高品质的铝合金熔体。
    使用永磁搅拌器的优势在于:①提高质量:搅拌后的熔体化学成分均匀、无二次污染、偏析小、次品少,这也是永磁搅拌最主要的作用,特别是为生产高纯铝等需要严格控制微量元素的合金时提供了可靠的技术保证;②减少烧损:可以加速液体和未熔化炉料间的热交换,加速了炉料的熔化速度,一般可以提高熔化效率 15%,减少能耗 10%,相应减少了金属烧损;③降低能耗:永磁搅拌在熔炼炉熔化过程中有 1/3 铝水产生的时候就可以开始工作,这个时候的工作能快速对高温铝液与铝锭进行热交换,大大加速铝锭的熔化,减少加热时间,从而降低了能耗。
3、喷粉精炼器
     传统的炉内除渣,主要通过添加溶剂或通入惰性气体,人工搅拌实现,不仅劳动强度大,在高温下的操作时间长,且无法发挥提高净化效果和净化效率相互协调的作用。
     使用喷粉精炼装备,以惰性气体(氮气或氩气)为载体,将粉状熔剂均匀送入铝合金熔体内部,通过调节气体流量控制熔剂的数量,从而高效高质量的完成炉内除渣,其优势在于:
1)熔剂在铝合金熔体中的停留时间长,即熔剂和熔体的相互接触作用时间长,可使熔剂得到充分利用,而不至于出现大量熔剂漂浮在铝合金熔体表面无法实现其除渣效果的现象;
2)由于熔剂利用率大大提高,因此熔剂用量相对减少;
3)喷头可伸入铝合金熔体,在熔体内部运动,可是精炼范围遍布整个熔体,精炼效果好。
4、除气机
    惰性气体净化除气是目前铝合金熔体生产过程中最为常用的方法之一。 
    从除氢动力学的角度出发,可以从以下三个途径实现除氢速度和效率的提高:
1)尽可能增加净化气泡数量,以增加铝合金熔体和气泡的有效接触面积;
2)尽可能减小净化气体气泡的直径,并在不导致熔体液面飞溅的前提下,尽可能增大净化气泡在铝合金熔体内的运动速度,即增大净化气体流速,从而增大熔体的搅动强度,强化气液表面更新,提高传质能力;
3)尽可能延长净化气体在铝合金熔体中的浮游路程,即延长气泡在铝合金熔体中的停留时间。
     目前国内使用最为普遍的方法是旋转喷吹净化方法,利用除气机的旋转轴轴心孔道或轴与套之间的间隙向铝合金熔体通入净化气体,气流在流经转轴下部的旋转喷头时被喷头叶片打碎并高速喷出,形成大量的微细气泡,在旋转与上浮的双重作用下净化气泡会呈螺旋状曲线轨迹缓慢上升。由于旋转喷吹法所产生的气泡比单管或多管法所产生的气泡更加细小、均匀,有效增加了气泡与熔体接触的比表面积,因而具有更佳的净化除气效果。
 5、浇包
     浇包,又称为熔体转运包,常见规格为 500kg/包和 1000kg/包。
三、压铸铝合金熔体供应过程
1、浇包转运
     铝合金熔体除气检测合格后,由叉车运送至铸造车间,根据机边保温炉的容量和铝合金熔体的使用数量进行配送。由于铝合金熔体在浇包内需要进行除气、打渣等操作,为了方便操作,浇包多为敞口式,熔体曝露于空气中,表层氧化,且浇包本身仅能起到保温作用,因此熔体在浇包中转运时,存在温度下降的情况,因此要求熔体的浇包转运过程尽可能快速完成。根据现场测算,铝合金熔体从静置炉中放水至浇包,到由浇包砖液至保温炉,须耗时 30min。
2、机边保温和熔体浇注
     机边保温炉中的铝合金熔体下降为总容量的 40~50%后,需要补充铝液。熔体浇注主要由机械手完成,为了方便浇注机械手的操作,机边炉取料口的炉门始终保持敞开。由于曝露于空气的铝合金熔体部分,虽然可以快速生成一层致密氧化膜防止熔体进一步氧化,但是由于料勺在取料时,会破坏这层氧化膜,因此,需要人工定时扒除表面浮渣。
3、供应过程设备
 1)机边保温炉
    机边保温炉一般为电阻炉或火焰反射炉。
2)浇注设备 
    目前,国内普遍采用自动定量浇注方法进行浇注。通过计算铸件大小确定浇注熔体的数量,设计相应大小的料勺作为浇注设备,采用机械手实现自动化。
   国内大多数压铸企业现行铝合金熔体制备供应模式特点为①多工序分步骤完成物料循环;②熔化、精炼、保温浇注分离分地实施;③熔体、物料在车间之间流转;④精炼过程短暂,熔体内在品质不高;⑤设备成套量大,投资高;⑥工序分散,场地占用较多;⑦熔体制备供应全流程人工操作和管理。
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