畢建峰，鞠立彬，許力，黃修帥，申建業(yè)，張安國(guó)，鐘行國(guó)（山東大恒能源科技集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

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V法低壓鑄造技術(shù)在GIS鋁合金罐體生產(chǎn)中的應(yīng)用

畢建峰，鞠立彬，許力，黃修帥，申建業(yè)，張安國(guó)，鐘行國(guó)
（山東大恒能源科技集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

摘要：利用V法低壓鑄造技術(shù)進(jìn)行GIS鋁合金罐體鑄造，經(jīng)過(guò)多次論證與試驗(yàn)，利用V法低壓鑄造技術(shù)成功澆鑄500 kV超高壓GIS鋁合金罐體零件，并在研究大批量連續(xù)生產(chǎn)方式上取得了突破。

關(guān)鍵詞：V法低壓鑄造技術(shù)；造型；鋁合金；GIS罐體；大批量生產(chǎn)；連續(xù)生產(chǎn)

隨著低壓鑄造、V法造型在鑄造生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究?jī)煞N方法的結(jié)合，即V法低壓鑄造技術(shù)，并取得了一定成果。由于V法造型的特殊性，想要利用這種技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，還存在一定難度，目前僅能進(jìn)行小批量生產(chǎn)且效率不高。山東大恒能源科技集團(tuán)有限公司長(zhǎng)期以來(lái)一直在發(fā)電及輸變電行業(yè)投入大量人力物力進(jìn)行技術(shù)革新。經(jīng)過(guò)多次論證與試驗(yàn)，利用V法低壓鑄造技術(shù)成功澆鑄500 kV超高壓GIS鋁合金罐體零件，并在研究大批量連續(xù)生產(chǎn)方式上取得了突破。

1　低壓鑄造概況

低壓鑄造是近代出現(xiàn)的一種鑄造方法，它須要借助低壓鑄造設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理是將冷卻且干燥的空氣通入存放金屬液的保溫爐內(nèi)，使金屬液在空氣的壓力下，經(jīng)由升液管進(jìn)入鑄型內(nèi)來(lái)完成澆鑄的過(guò)程。低壓鑄造設(shè)備在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是汽車行業(yè)、高壓輸變電行業(yè)、航空航天及軍工等行業(yè)。許多有色金屬鑄造企業(yè)正漸漸將低壓鑄造轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱闹饕T造生產(chǎn)手段。

低壓鑄造與傳統(tǒng)的重力鑄造相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)金屬液由于在壓力下充型和結(jié)晶，可以顯著提高鑄件的內(nèi)部質(zhì)量；

(2)實(shí)現(xiàn)了順序凝固和壓力補(bǔ)縮，減少了澆冒口體積，提高了金屬利用率；

(3)由于進(jìn)入型腔的金屬液是液面以下的部分，因此，金屬液中不易夾渣及卷氣，可以減少鑄件的缺陷；

(4)PLC控制的澆鑄系統(tǒng)，控制精度高、工藝參數(shù)重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)了澆鑄過(guò)程的高度可控制性，從而提高了鑄件的成品率。

鑒于低壓鑄造的眾多優(yōu)點(diǎn)，特別是鋁合金鑄件，采用低壓鑄造手段進(jìn)行生產(chǎn)的比例在逐年擴(kuò)大。

2　V法造型概述

V法造型即真空密封造型，又稱為“負(fù)壓造型”或“減壓造型”，國(guó)外取英文Vacuum（真空）一詞的字頭V為該種造型方法命名（V—Process），故簡(jiǎn)稱此種造型方法為V法。V法造型是一種物理造型法，它是利用EVA塑料薄膜將砂型的型腔面和背面密封起來(lái)，然后依靠真空泵抽出密封空間內(nèi)的空氣形成負(fù)壓，在負(fù)壓的作用下使干砂緊實(shí)成型。此種造型法被稱為第三代造型法，并且與消失模鑄造一起被譽(yù)為“21世紀(jì)鑄造新技術(shù)”，與傳統(tǒng)的造型技術(shù)相比，V法造型的優(yōu)點(diǎn)非常之明顯。①V法造型采用無(wú)粘結(jié)劑和添加物的干砂造型，因此便省去了有關(guān)粘合劑、附加物和混砂設(shè)備，同時(shí)因?yàn)槠渎渖胺奖闱遗f砂回用率高（95%以上），也可省去相應(yīng)的落砂及舊砂再生設(shè)備；②V法造型造出的鑄型硬度高且均勻，拔模容易，同時(shí)型腔表面光潔、輪廓清晰、尺寸準(zhǔn)確，可以提高鑄件質(zhì)量；③V法造型采用塑料薄膜密封干砂造型，減少了廢棄物排放，降低了環(huán)境污染，而且鑄件不容易粘砂，清理方便；④模具及砂箱使用壽命長(zhǎng)，金屬利用率高，并且在V法造型中，金屬流動(dòng)性好，充填能力強(qiáng)，可以造出薄壁鑄件和復(fù)雜形狀的鑄件……總而言之，其眾多的優(yōu)點(diǎn)使V法造型成為了真正綠色環(huán)保的鑄造工藝。

3　試驗(yàn)用低壓鑄造機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

JS455型低壓鑄造機(jī)由工作平臺(tái)、保溫爐、液壓系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和其它輔助設(shè)備等部分組成。工作時(shí)合完箱的砂型放置在工作平臺(tái)上，平臺(tái)可延豎直方向上下移動(dòng)；保溫爐在工作平臺(tái)下，可由液壓缸驅(qū)動(dòng)延水平方向移動(dòng)；保溫爐與砂型澆口靠帶有保溫套的升液管連接。

表1　JS455型低壓鑄造機(jī)技術(shù)參數(shù)

本機(jī)核心部分是氣控系統(tǒng)，又稱為液面加壓系統(tǒng)，它的作用就是控制整個(gè)的澆鑄過(guò)程，其中可以設(shè)定五段的“時(shí)間-壓力”參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)“升液”“充型”“結(jié)殼”“增壓”“保壓”這幾個(gè)階段。通過(guò)對(duì)氣控系統(tǒng)參數(shù)的不同設(shè)定，可產(chǎn)生不同的加壓工藝規(guī)程，如“穩(wěn)壓結(jié)晶”“急速增壓”“結(jié)殼后升壓結(jié)晶”等，以適應(yīng)不同鑄型的鑄造需求。

4　利用V法低壓鑄造進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行的幾點(diǎn)改進(jìn)

⑴V法造型澆鑄完畢后，塑料薄膜被高溫融化，負(fù)壓逐漸消失，此時(shí)移動(dòng)砂箱，由干砂形成的鑄型便會(huì)自行潰散，這是V法造型的優(yōu)點(diǎn)之一。但在低壓澆鑄時(shí)，砂箱放在工作平臺(tái)上且采用的是由下向上的澆鑄方式，砂型潰散便會(huì)使大量干砂遺留在平臺(tái)上，甚至由升液管落入保溫爐內(nèi)。這樣一來(lái)，不光清理起來(lái)非常麻煩，影響連續(xù)生產(chǎn)，還會(huì)導(dǎo)致鋁液內(nèi)夾雜雜質(zhì)，使鑄件產(chǎn)生缺陷。針對(duì)這一問(wèn)題，在下箱的底面上加一塊擋砂板，以防止?jié)茶T完畢移開(kāi)砂箱時(shí)有干砂掉落。擋砂板在下型的澆口處留有跟澆口尺寸相當(dāng)?shù)膱A孔，便于鋁液的澆鑄。

圖1　排氣道

⑵砂型使用低壓澆鑄時(shí)，砂箱上型不能開(kāi)明冒口，為了排出型腔內(nèi)的空氣，一般解決方法是使用尖銳細(xì)長(zhǎng)的金屬針扎氣孔。而V法造型要靠塑料薄膜密封，以產(chǎn)生負(fù)壓空間，故無(wú)法扎氣孔。為順利排氣，造上型時(shí)在型腔的最高點(diǎn)和易憋氣的位置埋入了金屬排氣道。實(shí)際使用的排氣道如圖1所示，是由兩條鋁合金長(zhǎng)條合并，在接合面上加工蛇形凹槽而成。蛇形的凹槽既可以使氣體順利排出，又可延長(zhǎng)氣道并對(duì)鋁液形成一定阻力，使鋁液進(jìn)入氣道后迅速凝固，不至于沖出氣道，發(fā)生危險(xiǎn)。

⑶低壓鑄造屬于壓力鑄造范疇，在這種澆鑄方式下進(jìn)入型腔的鋁液是由一定壓力驅(qū)動(dòng)的，故分型面的密封應(yīng)比重力鑄造更加嚴(yán)密。V法造型的分型面由塑料薄膜形成，它的表面非常光滑，合箱后鋁液比較容易從此處流出，輕則在鑄件上出現(xiàn)較大的飛邊，重則發(fā)生“跑火”現(xiàn)象，因此在試驗(yàn)時(shí)采用了三層密封：分型面處放置多道石棉繩；砂箱結(jié)合面鋪設(shè)一圈浸過(guò)涂料的石棉布條；砂箱外接縫處抹上耐火泥。另外，為使砂箱能夠壓緊，在上下箱側(cè)面的對(duì)應(yīng)位置分別設(shè)置了多個(gè)側(cè)耳，采用螺栓螺母壓緊上下箱，進(jìn)一步提高生產(chǎn)的安全性。

⑷低壓鑄造的液面加壓系統(tǒng)由PLC控制，如果電路發(fā)生故障或者其他原因造成氣壓超調(diào)，則鋁液有可能沖破上型，發(fā)生“冒頂”。為防止萬(wàn)一，在上箱上面壓了一塊大小與砂箱相當(dāng)?shù)? mm厚的花紋鋼板，這樣既可以保證安全，又不會(huì)阻礙排氣道排出型腔內(nèi)的氣體。

⑸砂型的澆口與升液管口是直接接觸的，澆鑄前升液管的溫度一般保持在400 ℃左右，如果澆口與升液管口對(duì)接后等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，澆口處的塑料薄膜便會(huì)融化，以至負(fù)壓消失，砂型潰散。為此，造型時(shí)采用一段樹脂砂筒作為澆口，避免了塑料薄膜與升液管的直接接觸。

⑹V法造型離不開(kāi)負(fù)壓氣源，所以造型區(qū)、澆鑄區(qū)和落砂區(qū)均限制在一定范圍內(nèi)，這也是V法低壓鑄造技術(shù)應(yīng)用到大批量生產(chǎn)時(shí)的瓶頸。為解決這個(gè)問(wèn)題，在試驗(yàn)時(shí)對(duì)工位布置進(jìn)行了仔細(xì)的研究。

圖2　結(jié)構(gòu)示意圖

一種布置方式是直線布置，保溫爐可延直線運(yùn)動(dòng)，并可以進(jìn)行升降。通過(guò)這種方式在幾個(gè)工位之間進(jìn)行連續(xù)澆鑄（如圖3）。

圖3　直線布置方式

另一種布置方式是環(huán)形布置，保溫爐固定不動(dòng)。通過(guò)吊裝砂箱的方式在一個(gè)澆鑄工位上進(jìn)行連續(xù)澆鑄（如圖4）。

圖4　環(huán)形布置方式

5　試生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)介

(1)將保溫爐移出工作平臺(tái)，升溫至800 ℃后加滿處理好的鋁液。

(2)利用快速定位裝置把下箱放到工作平臺(tái)上，并使用T型槽螺栓與螺母將下箱在工作平臺(tái)上固定牢固。

(3)下樹脂砂芯，在分型面上放置石棉繩、石棉布等密封材料。

(4)將上箱反轉(zhuǎn)后與下箱合箱，并在上下箱對(duì)應(yīng)的側(cè)耳處使用螺栓螺母壓緊，最后在外側(cè)接縫處抹上耐火泥。

(5)升起工作平臺(tái)，將保溫爐移入，當(dāng)保溫爐到位后降下工作平臺(tái)，使升液管與澆口對(duì)接，此時(shí)按下設(shè)備上的“澆鑄”按鈕進(jìn)行澆鑄。

(6)澆鑄完畢后，松開(kāi)下箱與工作平臺(tái)之間的連接，將上箱與下箱同時(shí)吊起，移至落砂區(qū)。

(7)撤掉負(fù)壓氣源，拆開(kāi)下部擋砂板與下箱之間的連接，再將砂箱吊走，此時(shí)砂型自然潰散。等鑄件冷卻后，將其從干砂中取出。

圖5　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6　試驗(yàn)鑄件

6　結(jié)論

通過(guò)多次試驗(yàn)，穩(wěn)定了澆鑄參數(shù)以及補(bǔ)償壓力等問(wèn)題，可以澆鑄出合格鑄件。在工位選擇上，直線布置工位在氣源設(shè)置、物流轉(zhuǎn)換、生產(chǎn)流程和操作維護(hù)方面均優(yōu)于環(huán)形布置方案，因此可作為V法低壓鑄造連續(xù)生產(chǎn)的首選方案。舊砂利用率高是V法低壓鑄造的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)槎际歉缮?，整個(gè)鑄造現(xiàn)場(chǎng)臟亂的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，將落砂區(qū)和造型區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃，改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境也是提高操作人員生產(chǎn)效率的有效措施。

參考文獻(xiàn)

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Application of V-process & low pressure casting technology in GIS aluminium alloy tank casting

BI JianFeng ,JU LiBin,XU Li,HUANG XiuShuai,SHEN JianYe,ZHANG AnGuo,ZHONG XingGuo
(Shandong Daheng Energy Technology Group Co.,Ltd., Jinan 250101,Shandong,China)

Abstract:Using V-Process & Low pressure casting technology in GIS aluminium alloy tanks casting, and find a way to volume-produce and continuous casting by experiment, so V-Process & Low pressure casting technology can be widely used.

Keywords:V-Low-pressure casting; aluminium alloy; gis tank; volume-produce; continuous casting

作者簡(jiǎn)介：畢建峰（1981—），男，工程師，從事發(fā)電及輸變電行業(yè)相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)及生產(chǎn).

收稿日期:2015- 10- 19

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .01 7

中圖分類號(hào)：TG249.6；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1 006-9 658（201 6）01- 0049- 03

稿件編號(hào):1510- 1106