铸造技术讲座

VICTORLUO888 · 发表于 2008-9-26 12:22:09

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这是日本人对中国国内铸造现存问题的一个简单讲座，比较有见地，希望对大家有帮助。

sdsh · 发表于 2008-9-27 17:34:45

铸造技术讲座
铃木兹
承蒙泊头市铸造协会约稿，使我有机会能在泊头市的会刊上发表我的技术讲座，非常高兴。借此机会谈点对中国铸造工厂的意见，供大家参考，如果能对今后的铸造工厂在设计上、工艺上起点作用的话，十分荣幸。
2.1冲天炉
冲天炉由于是让焦炭的燃烧热与金属炉料直接接触而使其熔化过热的，热效率高且经济性好。但是，为了有效的使用冲天炉必须注意下列事项，设计好冲天炉。
2.1.1冲天炉的参数
冲天炉的参数分技术参数和结构参数，下面仅介绍技术参数的熔化率和结构参数的高径比。
表2－1冲天炉风口区的炉膛内径与熔化率
风口区内径／mm       熔化率／t•h-1
450
500
550
600
650
700
750       0.6
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.7
211熔化率

冲天炉的熔化率是由炉膛截面积（正确地说是风口区炉膛截面积）所决定的。
因为冲天炉是圆形的，其熔化率与炉径的平方成正比，如表2－1所示。

熔化率1 t/h以下的小炉子，其内径小，炉料易在冲天炉内部卡住（棚料现象），为防止棚料必须使用小块金属炉料，从生铁的块度和废钢的形状来说是相当困难的。小炉子由于内部狭窄修炉困难，必须把熔化带做成分开式的。
由于上述原因，对冲天炉来说最低是内径700 mm（熔化率2 t/h）以上的炉子是合适的。

212高径比
高径比是冲天炉的有效高度与风口区内径之比（如图2－1）。这时冲天炉的有效高度是指从一排风口中心线到加料口下沿高度。高径比低的炉子是3.0，高的炉子是5.0左右。高径比高的炉子炉料予热时间长热效率高，能得到高温铁水。但是易棚料并且金属炉料太重压缩底焦，使燃烧状况恶化。因为中国的焦炭是软质的，我的意见是高径比取3.7～4.3左右是适当的。（译注：日本因焦炭质量好，冲天炉是一排风口的，高径比较低，应取5左右，小炉子要高些大炉子低些。）特别是内径600 mm以下的小炉子，高径比取3.7以下且希望冲天炉的内侧带5°～10°的倾斜使炉料容易向下移动。

我在这里讲了600 mm以下的小炉子热效率低，700 mm以上的炉子好，但是在小工厂，不能用2 t/h的炉子怎么办好呢？在这种情况下1t/h的小炉子也挺合适，如果能做出表面光洁没有缺陷的铸件，其工厂就可以生存下去。在日本象这样有客户、效益好的工厂也挺多。
2.1.2冲天炉的操作
这里只介绍冲天操作上的重要事项。
2121底焦
底焦高度在熔炼操作上是非常重要的。金属炉料在底焦顶部熔化，铁水在炽热的底焦间滴下时吸收热量而变成高温，因此小炉子也好，大炉子也好，底焦高度几乎没有多大变化，如表2－2所示。

表2－2冲天炉底焦高度
熔化率／t•h-1       底焦高度（从一排风口中心线算起）／mm
1
2
3       800
900
1000
（日本用一排风口冲天炉，所以底焦高度数值低，在中国因三排风口高550 mm，所以底焦高度应比上述数据高出550 mm左右。底焦高度以开风后一排风口5～7分钟见铁，出铁口11～12分钟流铁为合适）。

决定低焦高度的是封好炉底以后称量所加入的焦炭达到规定高度的总重量，下一次就以此重量为基准加入底焦。由于点火用的木柴和木炭在送风一开始就烧成灰而被吹走了，测量底焦高度时要在底焦烧透后开风前进行。内径700 mm的炉子底焦量大致是270 kg～300kg。
2122层焦
底焦随燃烧的进行，高度下降，补充底焦的减少以维持底焦高度的是层焦。层焦在硬质焦碳时是以金属炉料重的13％左右为好，对于中国的软焦炭以15％～16％左右为适当。
熔炼过程中底焦高度不要升高也不要降低，底焦高度低了铁水温度低，铁水还氧化；底焦高度高时铁水温度高，增碳使材质下降、熔化率也变慢。由于熔炼过程中从外边没有办法观察到底焦高度，得由连续测温和反复进行炉前检验来判断。
2123铁水温度的测量
铁水温度的测量有用光学高温计（干电池式）、铂铑热电偶插入式测量等各种测温仪器。光学高温计的观测结果因人而异，而插入式要消耗铂铑头，增加费用，最正确还是观察铁水表面光泽、颜色、花纹来判断，这由多年反复进行炉前检查和观察铁水表面就能自然地掌握。关于铁水表面花纹将在“5.4.4”节中予以介绍。
2124送风（风量）的控制
为了得到高温铁水，送风的控制是重要的。多数人认为往冲天炉里多吹入空气，炉温高，这是错误的认识。因为焦炭的燃烧是化学反应，是在一定时间一定的条件下进行的。并且因为空气中的氧占21％，其余79％的氮气要带走炉内的热量排出炉外而降低炉温。也就是说，往冲天炉内送入焦碳燃烧所必需的而且充分的空气是至关重要的。
最佳送风量用下式计算：
V＝A×100（Nm3/min）（2－1）
式中：V——最佳送风量，（Nm3/min）；A——风口区炉膛截面积，（m2）。
译注：式中100系最佳送风强度，为100 Dm3/min•m2，中国多取为110 Dm3/min•m2
计算示例：当炉内径700 mm时
炉膛截面积A＝π／4×（0.7）2=0.785×0.49=0.384m2。
最佳送风量V＝0.384×100=38.4 Nm3/min。
表2－3给出的是与炉子内径相对应的送风量。
表2－3炉内径与最佳送风量
炉内径／mm       最佳送风量／Nm3•min-1
500
550
600
650
700
750
800       19.6
23.7
28.2
33.1
38.4
44.1
50.2
按表2－3决定最佳送风量后，问题就是风量的控制方法了。市售的风量计是在送风管道中安装毕托管，
用倾斜微压计测出动压和静压的压差来表示，或用弹簧式压力计用指针指示数值。用数值表示的风量计是准确的，可价钱贵，倾斜微压计便宜，但有观察结果不直接的缺点，可如果熟练了，倾斜微压计也是很适用的。
2125风压的控制
风压计的目的是测量风箱中空气的静压，和风量计一样，为搞好冲天炉的控制是必须设置的。风压计构造简单且价格便宜。可用直径8 mm左右，长1.3 m左右的两根玻璃管自制。如果没有玻璃管，用透明的塑料管也行。在风箱上焊一铜管，用塑料管把空气引出，接到两根下部连起来的玻璃管的一头，开风后，风箱中的空气就把与风箱连通的管内的水柱压下，与其连通的另一管中水柱上升，用米尺测量两根管中水柱的高度差，就可以得出风压，一般称为水柱压力，如图2－2所示。
风压的标准是多少合适呢？高博士的说法如表2－4所示。
表2－4冲天炉的风压
熔化率／t•h-1风压／mm水柱
123350450530
但是风压受风口比的影响很大，并且受加入料块的大小，冲天炉高径比的影响，随炉内的阻力而变化，风压也能显示出不正常情况。
从实际经验来看，风口比8％，高径比4.5的2.5 t/h冲天炉，风压大体为750 mm～800 mm水柱时最合适。
风压计是为了监视炉内状况的仪器。能记录正常时的风压，在出现不正常情况时也可以直接查出其原因。如风压异常上升往往是由于风口被炉渣堵住了。
2126加料装置
冲天炉的加料方式有很多种，使用得最多的有爬式翻斗加料（图2－3）和天车吊桶加料（图2－4）。翻斗式由于构造简单，故障少，而在小炉子上使用较多，但料分布不均匀。吊桶式用于3 t以上的大炉子，多用底开式料桶，偏料少，但由于钢丝绳反复受到高温加热有易断的危险，每（2～3）个月就要换一回。
最安全可靠的方法是手加工料。把一天的炉料用提升机运到结实的加料台上，开炉时称重后投炉，可以随时看到炉内情况，但是夏天时工人很辛苦，现在已经不用了。

2127关于加料机使用时应注意的问题
加料时必须执行的工艺守则有金属炉料与焦炭必须分别加入，也就是说金属炉料与焦炭不能一次加到一个料斗内加入炉内，在冲天炉内焦炭和金属炉料必须分别保持独立的料层。特别是翻斗时，如果把焦炭和金属炉料加到一斗内，在料斗翻转时焦炭和金属炉料全混到一起了。按道理说，分层也好混合也好，如果焦铁比是相同的应该没有什么关系，实际上分开投料的温度高铁水好，说温度高出50度的人都有。象这种在道理上说不通的情况正是铸造的妙趣之处。料桶的容量应按小时熔化量的十分之一设计，分开加料每3 min一次不成问题（加料一个往复时间约50 s）。
为使冲天炉熔炼顺畅，按时加料是重要的。为此应在加料口附近设置1名人员监视炉内的状况。从加料口观察冲天炉内部，看着炉料慢慢下降，确认其充分沉下后用铃声或敲击声发出投下一批料的指令。
投料监视者在上面时，必须按他的号令加料，以防危险产生。
2128熔炼记录
一切管理首先从正确地记录开始，没有记录就没有管理。从加入底焦开始，开风时间，加料时间、风压、风量、加料批数及时间，一切必要的事项都必须记录。使用多少炉料要每天统计一回，每个月统计一回月使用量，向厂长报告，工厂的最高负责人对于自己工厂的现状必须了如指掌。说点闲话，我在中国各地旅行参观了铸造工厂，向工厂的负责人提出各种问题，除了沈阳市的一个工厂外，都没有得到令我满意的回答，大多数情况回答的是夸大的数字。我多年从事铸造工作，到铸造工厂一看就能判断出熔化能力，生产吨数、材质和质量情况等。从现场各种判断结果，就能推测出厂长有没有从现场得到正确的报告。厂长不知道的情况是由于下级没有如实地向上级报告所造成的。必须正确记录向上级报告。
2129关于热风炉
使用的焦炭是劣质的软焦子时，为了得到高温铁水用热风炉是解决方法之一。但实际上操作很难，存在热交换器裂口，阀门生锈，铁水氧化等问题，且热风炉的效果在连续开炉5 h以上才明显，随之而来的是耐火砖的浸蚀问题，为保持炉衬的厚度必须水冷炉壁。由于复杂多了，危险也随之增多了。即使不用热风炉选择好的焦炭，控制好风量风压，也能得到足够高温的铁水，所以我不赞成热风炉。

[ 本帖最后由 sdsh 于 2008-9-27 17:37 编辑 ]

sdsh · 发表于 2008-9-27 17:35:25

2.2型砂
2.2.1型砂的重要性
对于铸件来说什么也没有比表面质量好最重要了，要使铸件表面质量好必须首先改善型砂。
中国的原砂是没有问题的。我在中国参观了各地的铸造工厂，内蒙古、辽宁省、河北省等地的原砂都是质量好、粒度均匀、适合于铸造用的。问题是砂子的管理和使用方法。
2.2.2原砂的种类和用法
原砂分为山砂和硅砂两大类。山砂是从山间挖出来的，粘土含量高（13％～15％）。硅砂是从江、河采掘出受过水洗的砂子，粘土含量低（0.3％～0.7%），两者都是不能拿来就直接使用，要按适当的比例混合使用。小件要用细砂，中件使用稍粗的砂子。型砂的强度、透气性、水份要用仪器测量出来，要保持适合于自己工厂的配比。强度不足时要混入少量的粘土、膨润土、煤粉及其它的有机粘结剂等来调整，型砂的标准强度、透气度如表2－5所示。
2.2.3型砂的老化及其对策
型砂和高温铁水一接触，就失去结晶水变成烧干砂。虽然还保持砂粒的形状。失去结晶水后，稍有点压力就容易崩坏成为微粉了。如果用它继续做铸件，型砂中的微粉就渐渐增加，发生种种缺陷，这就是型砂的老化现象。
表2－5对型砂的要求
用途最大粒度／目抗压强度／102Pa 透气性水份／％
小件（1～5）kg用＜60以下 700 70 ＜6
中件（5～50）kg用 50－60 700－900 90 ＜5
大件（750）kg用 50 1000 100 ＜4
注：最大粒度是把原砂用标准筛筛分，测定各筛号上的砂子量，根据那个目数筛号上残留砂量最多，而叫做××目砂
型砂中的微粉妨碍在砂粒表面附着的粘结剂的粘结力，它存在砂粒的间隙使透气性下降，由于其耐火度低，和铁水一接触就在铸件表面结成玻璃状，由于微粉有吸水性，铸造时产生很多的水蒸气，形成气孔。微粉是有害无益、有百害而无一利的东西，必须去除。
也有一种说法认为有一点微粉对保持水份是有必要的，笔者也不反对。但是，其必要量最多不要超过1％，即微粉必须去除且最多保留到这种程度。这里需要注意的是，用标准筛测量微粉量时，如果是1％以下就认为可放心了，那是大错而特错的。因为微粉牢固地粘着在砂粒的表面并且把砂粒牢固地连结在一起，很难分离，因而准确的微粉量用标准筛是测不出来的。
2.2.4微粉的分离与去除
把微粉由型砂中去除必须用水洗或者空气的压力分离。由于水洗需要大量的水，随后还得干燥，费用大，用高压空气砂再生装置最适当，但是这种装置价格昂贵，要求有操作经验。空气压力大了砂粒要破裂，压力小了又不能分离微粉。型砂通过回转式筛分装置时块被粉碎了，但由于微粉附着在砂粒上很难分离。最简单的除去微粉的方法是在浇注后把铸件从铸型中取出时把与铸件接触的烧干砂扔掉。离铸件表面6 cm厚的砂层烧干变色很易判断出来而扔掉是最简单不过的了。笔者以上所讲的是在人工造型浇注的传统的铸造工厂办法，在近代的机械造型线的工厂，由冲击式砂分离装置或者振动脱箱装置，把和铸件分离的砂子用皮带运输机运到砂库，在这种情况下，砂处理系统中应该装入再生装置，如果没有再生装置应该予以改造装入。
2.2.5呋喃树脂砂
现在要使用呋喃树脂砂的工厂还不少，但是如果采用呋喃树脂砂时由于树脂价格高，必须要考虑到砂再生装置、砂冷却（夏天）、保温（冬天）装置。因为树脂的作用是化学变化产生的，受温度影响其效果变化大。如果砂子温度不调整，树脂的用量必须增加。如果计算铸件的价格，常有树脂砂生产铸件价格高之说，补加树脂量0.8%以下，或者砂子金属之比例是3对1之说，在对树脂砂装置的使用上要充分考虑到。
2.3砂处理
2.3.1型砂的再生处理
制造铸件的砂子是反复使用的，从前是除去烧干的砂子扔掉，剩下的砂子洒上水，适当的加些新砂用铁锹充分混合后再使用，我想现在这么做的工厂也会有的。但是随着时代的进步，制造铸件形状的复杂，芯子增加，铁水温度高，原来的仅用山砂的铸型（抗压强度50×102Pa～600×102Pa）会因砂子崩坏而做不成铸件，要求有一定强度的铸型，这就需要进行砂处理。
2.3.2混砂机
型砂的混制可利用各种机械，使用高速水平混合机和连续混砂机等，有一长一短。现在用得最多的就是以前就有的辛普森型混砂机（辗轮式混砂机），在中国多数工厂也都用。中国制造的混砂机设计合理制做良好，没什么问题，有问题的是使用方法。在哪个工厂都是加砂量过多、混碾时间过长。认为砂子量多混碾时间就该长那就错了。砂子多了混合不好，机器过载会出故障而停工。混砂机的标准处理能力如下表2－6所示：
表2－6混砂机的标准处理能力
一次砂处理量／kg 电动机功率／kw 一回的处理时间／min
70
150
250
500
800 1.5
2.2
3.7
7.5
15.0 5
5
5
4
4
注：把砂子和水加入后，随着混碾的进行，砂子的粘度增加，阻力增加，电动机的电流计的指针上升，如果达到额定电流以上混碾就完成了。
2.3.3型砂配比的一个例子
为使型砂再生，把使用过的旧砂加入新的山砂、硅砂、粘土粉、淀粉等混合，加入少量的水混碾就可碾出适当的型砂。
配合的比例随工厂型砂老化的程度，铸造要求的制品的形状、重量、材质的不同而有种种差异，其一例如下表所示。

表2－7型砂配比之一例
型砂类别工厂的旧砂／％新山砂／％新硅砂／％粘土／％膨润土／％
工厂的砂子老化时
工厂的砂子稍微老化时
铸件的重量小
铸件的重量大 60
70
80
60 27
15
20
70 10
13
0
30 3
2
0
0 0
0
0
3
上面的仅是一个例子，实际上应该由试验机测定抗压强度、透气性，要努力保持合适的质量。
2.4铸造工艺
2.4.1铸造工艺的重要性
以前在铸造业就说“三好”即：好铁水、好型砂、好工艺。铸造工艺在铸件的制造上是和铁水、型砂并列的三大要素之一，若轻视它，绝对做不出好铸件。
2.4.2何谓铸造工艺
在砂型中用模型做出铸型，使铁水流入型腔而做出铸件，铸造工艺是研究决定其流入的路径、方法的技术。首先用图2－5的铸型图标示出各部分的名称。
图2－5铸型示意图
浇口：把铁水从铁水包注入铸型的入口。往往为使浇注量均匀，除去铁水中的夹杂物，设有集渣浇口杯。浇口杯下是直浇道。
横浇道：指铁水从直浇道向型腔流道的水平部分。
内浇口：指铁水从横浇道进入型腔的部位。铸造俗语叫“堰”，是工艺上的重要部分。
出气孔：是随着铁水的充型把型腔内部的空气向外排放的孔道，如果型砂的透气性合适，一般是没有必要的。
冒口：是把铁水中的夹杂物和铸型中的杂物向外排出口，但是由于铸件冷却收缩造成体积不足起补缩作用时叫补缩冒口，这种冒口粗大。
2.4.3铸造工艺的基本要点
铸造工艺是为了使浇注顺利进行，得到良好铸件的技术，平稳且快是加山延太郎博士的名言，即浇注时间应尽量短，而且在型腔内部又不产生紊乱那样去浇注，其要点如下。
（1）关于铸型的上下：铸件的切削加工面尽量在下箱里，因下部产生缩孔少，材质致密。
（2）浇注方式：有从铸件的上部浇入的顶注式和从下部、中部浇注的底注式。顶注式铸型容易产生冲砂而不怎么使用。
（3）内浇口的位置：由于流入型腔内的铁水急速冷却成固体，如果在厚壁部分开内浇口铁水进不到薄壁部分，在大铸件时，内浇口若小了通过的铁水就快，内浇口附近要冲砂。要考虑内浇口的数量、形状而决定其位置。
（4）内浇口的种类：
主要为三角内浇口和梯形内浇口。三角内浇口容易做，梯形内浇口能防止渣子混入铸型。
（5）直浇口、横浇口、内浇口的断面积比。
按西德R•LEHMANN博士的意见，直浇口为A，横浇口为B，内浇口为C时，A ∶B ∶C＝3.6 ∶4.0 ∶2.0。
虽然关于这个比例是否妥当，有各种不同意见，但说明一下这个比例的思路是：首先铁水通过3.6的入口而进入4.0这样大而长的横浇道再进入内浇口，由于2.0狭窄，铁水在横浇道流速慢时间稍长，这期间比重轻的夹杂物可以上浮，就不能从内浇口进入铸件内部。这就是这种比例的要点，如果不忘记这个原理，也就不必拘泥其细节，简单的记住中、大、小就行。
2.5浇注系统的设计
2.5.1浇注系统设计上的一个要点
在直浇口和横浇道设计时，为了缓和铁水的冲击，在直浇口的底部和横浇道的未端都要做成半球形。
2.5.2浇注时间
由于铁水在铸型中急速冷却凝固要尽量在短时间内浇注完了，浇注的时间标准如表2－8所示：
表2－8浇注时间标准
铸件重量／kg 浇注时间／s
＜10
10～25
25～50
50～100
100～200 4～6
6～8
8～12
12～16
16～26
注：取自加山延太郎博士文献
2.5.3补缩冒口和冒口
怎么说都挺相似的，冒口的目的是把进入铸型内部的夹杂物排出型外，补缩冒口的目的是由铸型内的铁水冷却凝固体积缩小起补充铁水作用的。两者兼用也没有关系，但是冒口必须按在铸件的厚壁部位，并且补缩冒口粗细要是铸件壁厚的1.3～1.5倍。
2.5.4补缩冒口的浇注技术
补缩冒口是直立时，浇注要用特别的技术，即从直浇口浇注，随着铁水，由补缩冒口的底部上升到一半的地方停止浇注，接着把高温的新铁水从补缩冒口的上部浇入，使冒口的铁水温度比铸件高。若不点冒口，在冒口的根部就要产生缩孔。
补缩冒口若比铸件冷却快，它在冷却时要吸入铸件的铁水，补缩冒口反到起反面作用了。
2.6废品和工厂的技术管理
2.6.1废品率
对于铸造工厂的经营来说最应该注意的是废品率。在造型、浇注成的铸件数内，3％程度的废品是在允许范围内的，达到5％就必须立即采取有效的措施。
2.6.2工厂的技术管理
铸件废品的原因是千差万别的，大的分类有铁水的、型砂的、工艺的及其混合的几方面。对于每一废品来源如果仔细观察就能判明其90％的产生原因，也容易制定出应采取的措施。如果工厂管理不好，减少了这种废品又出别的废品。最重要的是科学的管理工厂。工厂的技术管理有以下几方面。
（1）熔化管理
对于新生铁、废铁、废钢、焦碳等全部材料都要记帐，要正确的记入每天的进料和出料。每炉都要记熔化日志、底焦量、开风时间、出铁时间、风量、风压、材料的种类、重量、每次加料的时间等，都要做好记录。还要测量和记录出铁水温度。利用简单的器具进行炉前的材质检验，由白口形状、深度就能大致推断出铁水的性质。整体研究熔化日志。就可以制定出作为工厂的操作规程和标准。如果标准决定了，以后就按照标准操作，肯定每天都会化出同样质量的铁水。这样就可以不用担心铁水原因的废品了。
（2）型砂管理
型砂的管理因各工厂砂处理设备的不同而有较大的差别，重要的是要记录每天补充的新砂量、粘土量及扔掉的废砂量。用混砂机混制型砂时要记录新砂、旧砂、粘土、水的配入量及混制时间，用型砂检验仪器，检测型砂强度、透气性、水份。总而言之，要工厂的各处每天都应该用同样性质的型砂进行造型作业。
（3）铸造工艺管理
首先，作成模型台帐（译注：即铸造工艺卡）。一个模型使用一张纸，要前面记录模型的略图（或照片），模型的名称、订货单位、图号、铸件重量、模型制作者姓名、改造的经过。在背面用略图详细地说明这个铸件的铸造工艺、直浇口的尺寸等，必要的事项全都要记入。这样，今后无论谁看到这本模型台帐（铸造工艺卡），都用同样的工艺造型，才能不产生废品。

LEONCHEN · 发表于 2009-8-21 17:28:51

有一定的道理
铸造公司流动资金较大，部分大部分公司为了降低成本拼价格，导致国内铸造环境恶性循环，太多的公司不注重细节，部分铸造人夜郎自大不注重技术更新
未来的铸造大环境很好，希望更多的铸造人向好的方向发展

LEONCHEN · 发表于 2009-8-21 17:30:11

如果我们的品质意识超过日本，不出三年我们的专家可以去日本讲座
你们日本-----、、、、

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