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大型铸铁件的过滤净化技术
作 者: 山东成远实业有限公司
 
  

自上世纪70年代提出泡沫陶瓷过滤液态金属的概念,并成功地将泡沫陶瓷过滤器应用于液态金属过滤净化以来,液态金属过滤技术得到了广泛的应用。特别是最近5年来,在铸件相对价格上涨和泡沫陶瓷过滤器相对价格下降的推动下,液态金属过滤技术在我国铸造业得到了迅速的推广和普及,现已成为一种生产高质量洁净铸件的常规工艺。

大型铸铁件的过滤在铸造生产中有着特殊的意义。大型铸铁件生产成本高,生产周期长,一个夹杂物在某些关键部位的出现就有可能导致整个铸件的报废。而且多数时候夹杂物是在机加工时才发现,这更导致铸件的加工成本的赔偿。因此对大型铸件希望能将因夹杂物而导致的报废降至最低,过滤也就成为了必需。然而大型铸件的过滤相对于大批量生产的中小铸件来讲,制定过滤方案所需要考虑的问题要多得一些。目前已有多家过滤器供应商提出不同的解决方案,但相对于目前广泛使用的中小铸件过滤方案,有些问题仍需要改进。本文将提出大型铸件过滤的解决方案,供大型铸件生产厂家在制定铸件过滤方案时对比参考。
一.
大型铸件过滤所涉及的问题
1.过滤器的过滤面积

过滤器过滤一定量的液态金属后,其过滤流量将逐渐减小,直至最后过滤截面被滤出的夹杂物所完全堵死。实际上为保证过滤后的液态金属仍具有充填能力,在过滤器的流量出现明显下降前浇注应该截止,如图1所示。

 

也就是说,任何过滤器单位面积所能过滤的液态金属的量是一定的。由于大型铸件在浇注时需要过滤的重量很大,因此所需的过滤器的有效过滤面积(过滤器的总面积除去支撑部分的面积)也就很大。以目前广泛使用的10PPI泡沫陶瓷过滤器过滤10吨重球铁铸件为例:所需要的过滤器的有效面积将超过500000mm2。考虑到过滤器的支撑面积,过滤器的总面积还要大一些。如此巨大面积的过滤器会给过滤器制造、过滤器的强度、过滤器的安放等带来一系列的问题。

2.过滤器的强度

大型铸件在浇注时的压头通常都很高,这给过滤器的强度提出了额外的要求,因为过滤器必须能承受液态金属所施加的压力。更主要的是,随着单个过滤器尺寸的增大,过滤器的支撑间距也相应增大,对过滤器强度的要求也迅速增加。当过滤器的强度不足以承受液态金属的压力时就会出现断裂。因此,用于大型铸件的过滤器都相应的增加了过滤器的厚度以提高过滤器的强度。如厚度从22mm提高至32mm,甚至50mm。尽管如此,受过滤器强度的限制,单一过滤器目前所能做到的最大尺寸仍只能是500mm左右。

3.过滤器的安放位置

为保证过滤效果,过滤器通常都安放在横浇道上。每个横浇道上只能安放一块过滤器。因此对大型铸件过滤器的尺寸必须足够大。铸造工程师在设计铸造工艺时,必须考虑砂箱内是否有足够的空间来安放过滤器。随着过滤器尺寸的增大,安放过滤器所需的空间也相应增加。很多时候会出现砂箱内没有足够的地方安放大尺寸过滤器的问题。有些时候铸造工程师不得不将过滤器安放于内浇道上,此时虽可使用多个尺寸小一些的过滤器,但多数时候仍有安放空间不够的问题。以至于不得不为安放过滤器而增加砂箱尺寸,从而造成造型成本的上升。

4.使用过滤器的成本

大型铸件过滤成本的大幅度上升是铸造厂家所必须考虑的一个重要问题。大型铸件过滤成本的上升主要由以下几方面的因素造成:

1) 过滤片厚度的增加:目前通用的泡沫陶瓷过滤片的厚度为22mm。这是无数试验和生产实践在考虑过滤效果和过滤成本之间的平衡后得出的一个合理值。由于用于大型铸件的过滤片的尺寸的增加,所需厚度也相应增加,从而造成过滤器成本的大幅度增加。同尺寸的50mm厚度的过滤器的成本比32mm厚度的过滤器高约60%,比22mm厚度的过滤器高约135%。因此在保证过滤片不破裂的前提下选用厚度较小的过滤片对降低过滤成本有重要意义。

2) 安放位置增大:随着过滤片尺寸的增大,安放过滤片的位置也相应增大。而砂箱内可用来安放过滤片的位置是有限的。在多数情形下,为安放过滤片不得不通过增大砂箱尺寸来增大过滤片的安放位置,这引起造型成本的大幅度上升。因此选择过滤片安放灵活,需要安放位置小的方案对降低过滤成本非常重要。

二.现有的大型铸件过滤方案

随着近年来大型铸件生产的增多,过滤产品供应商开发了不同的用于大型铸件的过滤解决方案。
1.使用大尺寸过滤片

这是过滤产品供应商广泛推荐的过滤方案。通过使用厚度达50mm的过滤片,过滤片的最大尺寸可达500mm左右。单一这种过滤片(10PPI)最大约能过滤5吨左右的球铁液。由于每一横浇道上只能安放一片过滤片,5-10吨重的铸件需使用双向横浇道。对大于10吨的铸件的过滤则较为困难。过滤片的成本高,过滤片安放位置要求大是此一方案的主要缺点。
2.园盘过滤装置

2为园盘过滤装置的示意图。通过使用陶瓷质的园盘与多片过滤片的组合,组成一园盘过滤装置。单片过滤器尺寸可以从75×75mm到最大150×150mm。最大的单一园盘过滤装置可过滤约2.5吨的球铁液。更大的铸件则需要使用多个园盘过滤装置的组合,如图3


三.
大型铸件过滤的解决方案

随着近年大型铸铁件过滤需求的增加,开发出一种新的大型铸铁件过滤解决方案。其要点包括:

1. 较小的过滤片尺寸

解决方案使用150×300mm尺寸过滤片。每片10PPI的过滤片约可过滤1吨球铁液体。对于浇注重量大于1吨的球铁件的过滤,根据需要使用多片过滤片拼靠在一起形成一个大尺寸过滤片的方案。由于过滤片采用独有的烧结后切割成型生产工艺,所生产的过滤片的不仅尺寸精度高,其边缘平直。当两片或更多片过滤片拼靠在一起时,可形成无缝拼接,杜绝了金属液从两片过滤片之间缝隙间的泄露,客观上形成一片大尺寸的过滤片过滤的效果(如图4)。对每一铸件所需使用的过滤片的多少,可根据需要过滤的铸件的重量选择,具有很高的灵活性。从而实现过滤成本的最低化。对不同用户的需求,还提供更多最大尺寸在300mm以内尺寸的过滤片,如200×200mm,供用户选择。

2.适当的过滤片厚度

用于大型铸铁件过滤的过滤片通常会选择32mm作为标准厚度。如前所述,随着过滤片尺寸的增大,过滤片的支撑间距也增大,从而对过滤片的强度提出了更高的要求。由于过滤片的最大支撑间距在300mm以内,32mm厚度的过滤片已足以承受通常情况下浇注时金属液所施加的压力。相对于50mm的过滤片厚度,过滤成本要低得多。

3.灵活的过滤片安放

大型铸铁件过滤片方案将过滤片安放于横浇道上,如图5所示。大型铸件通常有足够长度的横浇道用于安放过滤片,过滤片安放的灵活性较高。因此浇注系统的设计不需要做根本性的改动。在保证过滤效果的同时,对砂箱安放空间的需求也比较低,从而节约造型成本。
4. 适用范围广泛

对有些园形、园柱形铸件,铸造工艺要求使用弧形浇道,方案可以方便的通过在弧形横浇道上使用梯形过滤片拼接来实现,如图6所示。其灵活性及经济性是其它方案所无法实现的。

四.结论

本文提出的一种大型铸件过滤净化解决方案是基于过滤片的特性及客户应用实例,具有过滤工艺设计灵活,适应面广,过滤成本低等优点,是大型铸铁件铸造生产的一种理想的过滤解决方案。

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