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过滤器技术在大型铸铁件上的应用方案

                  过滤器技术在大型铸铁件上的应用方案
                         赵远明,刘党库,王军,张科峰
                           济南圣泉集团股份有限公司
    【摘要】主要介绍陶瓷过滤器在大型球墨铸铁、灰铸铁件上应用的必要性、可行性,并列举几个典型方案,最后论述使用过滤器的综合经济效益。
    一、概述
    金属液过滤技术已经广泛应用于中小铸铁件领域,特别是汽车、液压件领域,过滤器的作用也得到广大铸造工作者的认可,使用方法也比较成熟,为我国汽车铸件质量的提升起到了很重要的作用。但是,在大型铸铁件领域,只有个别几家铸造企业应用,还没有得到普遍推广,究其原因应该有几个方面:主要是对过滤的效果、安全性、方法、成本及效益的认识不清楚;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。如果夹杂缺陷是在机加工时才发现,会导致铸件加工成本的增加。因此,都希望能把大型铸铁件的夹杂废品率降至最低,而铁液过滤是关键环节,我公司根据多年的设计经验和多个案例,在此与大家分享。
    二、使用过滤器的必要性
    (1)铁液前期熔化、包内处理形成的渣不能在造渣过程中完全脱除。
    (2)浇注系统冲刷掉的渣易进入铸件。
    (3)铁液充型不平稳造成紊流形成的二次氧化渣。
    (4)铁液冲刷型芯造成的涂料、砂粒脱落渣。
    三、大型铸铁件使用过滤器的可行性分析
    1. 适用范围
    大型铸铁件一般是指几吨以上的铸件,目前有最大60t球墨铸铁件过滤应用的案例,主要在大型风电件、注塑机件、机床件上使用。
    2. 适用的过滤器类型
    适用于大型铸铁件的过滤器主要有碳化硅泡沫陶瓷、氧化铝直孔、碳质泡沫陶瓷和氧化锆泡沫陶瓷过滤器。
    3. 各种过滤器尺寸及安全过滤量的确定
    (1)碳化硅泡沫陶瓷过滤器及直孔过滤器 由于大型铸件浇注时间长,铁液落差大,对过滤器冲击力也很大,因此过滤器的厚度一般选择30~40mm,单位平方厘米过流量不超过3kg铁液,主要是单层加厚泡沫陶瓷过滤器,采用10ppi孔径。有些采用直孔加泡沫陶瓷两层方式,考虑到过滤效果,一般不单独采用直孔过滤。
    (2)碳质过滤器 因其耐火度较高(1650℃),高温性能好,所以过滤器厚度一般在25~35mm,单位平方厘米过流量可放大至5~6kg。碳质过滤器不需预热,且蓄热系数非常低、重量轻,有利于金属液的快速启动,从而消除了熔融金属在过滤过程中凝固的风险,但由于碳在有氧环境下会产生氧化反应,所以要通过小批量验证后才能确定方案。
    (3)锆质过滤器 耐火度达1700℃,化学稳定性好,所以其承受的铁液量更高,一般选择厚度为25~30mm,孔径10ppi,单位平方厘米过流量可达到6~8kg。
    四、过滤器应用案例
    1. 碳化硅泡沫过滤器在球墨铸铁件上应用案例
    工艺方案:
    球墨铸铁件浇注重量3.5t,浇注温度1 3 5 0 ℃ , 浇注时间65s;过滤器平放于横浇道,如图1所示;平放8片 FCF-2B,规格200mm×100mm×25mm(10ppi),如图2所示;铁液从过滤节下面通过陶瓷管底注入型腔下箱模样。
    
    工艺优点:
    (1)有利于渣在横浇道上浮,避免影响浇注速度或堵塞过滤器。
    (2)铁液经过过滤器后流动相对平稳,防止二次氧化渣的产生。
    (3)过滤器均布,每片过滤器流过的铁液较均匀,避免个别过滤器承受过量流量。
    2. 碳化硅泡沫陶瓷过滤器
    在大型风电铸件上的应用案例风电轮毂: 球墨铸铁,浇注温度1 3 6 0 ℃ , 浇注重量9 . 8 t,浇注时间170s,双直浇道,采用12片FCF-2B过滤器,规格150mm×150mm×40mm(10ppi),通过12根陶瓷管底注入型腔,如图3所示。
        
    结果分析:铸件充型平稳,夹杂缺陷明显减少;单片过滤器可承受800kg铁液流量,吨铸件过滤器材料成本低;减少过滤节数量,铸件工艺出品率达85%。
    3. 碳质泡沫陶瓷过滤器在大型球墨铸铁件上的应用案例
    工艺方案:球墨铸铁,浇注温度1350℃,铸件重量11.5t,浇注重量13t,过滤器型号FCF-1S-10 150mm×150mm×30(10ppi),10片,通过陶瓷管底注,浇注时间210s。图4为浇注系统局部示意。
                   
    结果分析:由于铁液通过均布的多个内浇道底注入型腔,充型平稳,铁液又经过过滤、整流,铸件无夹渣缺陷,由于采用碳质过滤器比采用碳化硅过滤器减少7片,也就是减少了过滤节浪费的铁液量,铸件工艺出品率达到89%。
    4. 氧化锆集成过滤节在大型铸铁件上的应用案例
    集成过滤节(见图5)内预置氧化锆泡沫陶瓷过滤器,在使用时只需对接陶瓷管即可,放置位置灵活,不占用型板空间,可降低砂铁比。氧化锆过滤器耐火度高,高温强度高,耐冲击性好,并且氧化锆不易与各种合金反应,在过滤器不堵塞的情况下,可过滤尽可能多的铁液,比传统过滤节操作简便,成本低。集成过滤包如图6所示。
                   
                   
    5. 双层组合过滤器在大型铸铁件上的应用
    工艺方案:铸件材质QT350-23,重量3.9t,浇注铁液4.5t,浇注温度1350~1360℃。
    型号规格为碳质泡沫陶瓷过滤器1 5 0 m m ×150mm×22m m+直孔过滤器150mm×150mm×22mm( 6组),如图7所示。
                  
    双层过滤存在的问题:直孔过滤器是为增加支撑强度作用,过滤、吸附及整流效果不如泡沫过滤器,分层的支撑强度不如整体过滤器支撑强度高,因下层一旦变形垮塌(见图8),泡沫过滤器也很难再支撑,所以现在很多铸造厂使用加厚的泡沫陶瓷过滤器(见图9),使用安全,效果也更好。
    
    6. 碳化硅过滤器在大型消失模铸铁件上的应用案例
    工艺方案:汽车模具铸件,材质HT300,铸件净重16t,浇注铁液16.9t,造型材料为呋喃树脂砂,浇注温度1 3 4 0 ~ 1 3 6 0 ℃ ,过滤器型号F C F - 2 B ,150mm×150mm×40(10ppi),过滤器片数18片,如图10、图11所示。
               
     五、结语
    (1)过滤器在大型铸铁件上的应用已探索出成熟的方案,效果明显,可降低废品率,减少修补量,减小加工余量,改善铸件表面质量,提高力学性能。
    (2)针对不同的铸件需选择不同的方案,可设计模拟。
    (3)设计时尽量使每片过滤器流经的铁液量均衡,尽量减小铁液对过滤器的冲击力,过滤器平放于横浇道,过滤器支撑台10~12mm,较大尺寸过滤器可采用陶瓷片支撑,以提高使用安全系数。
    (4 ) 采用开放式浇注系统,直浇道:横浇道:内浇道=1:(1.1~1.2):(1.3~1.4),铁液进入型腔的线速度控制在0.5~0.7m/s。
    (5)企业在选择应用过滤器时,工艺应验证后再转到批量生产。


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