（机械工程专业论文）4100qb缸盖的铸造生产及质量控制.pdf

昆明理工人学坝上学位论文 摘要 摘要 昆明云内动力公司一九九五年引进德国k w 公刊静压造型线，主要用r 生 产10 0 系列柴油机机体、缸盖。k w 静压造型线是一条具有国际九十年代水平的 先进的自动铸造生产线，该造型机可以根据铸件的复杂程度采取不同的紧史方式 高压压实、高压压实加反挤压压实、气流预紧实加高压压实加反挤压压实一种 玎式。整条造型线大量采用了计算机控制，并设有人机对话界面。该线的引进取 代了昆明云内公司公司原有机器造型封闭式的组织生产模式。新设备、新技术、 新工艺，面对新问题。 本文介绍了4 1 0 0 q b 缸盖在k w 静压造型线的铸造生产工艺及生产装备：k w 造型线已实现日产1 1 0 0 箱合格铸型，年产2 5 万吨合格铸件；运用相关的铸造 理论和大量的试验数据，论述了4 1 0 0 q b 缸盖铸造生产过程中出现的排气芯断、 喷油嘴处缩松漏水、皮f 气孔等质量问题的形成机理及解决措施，缸盖废品率 3 ，铸件质量处于国内领先水下，接近国际水甲获得满意的技术和经济效果。 为生产其它系列机型缸盖铸件的质量控制关键提供依据。本文紧密联系生产、技 故实践，具有一定的理论水平及较高的实用价值。为同行业成功引进铸造生产线 提供了借鉴。 关键词：4 1 0 0 q b 缸盖k w 静压造型线铸造工艺质量控制 垦塑些i 查堂堡主兰堡堡苎 一一堕生 a b s t r a c t k u n m i a gy u n n e id o n g l ic o ，l t di n t r o d u c e di n t oa a i rf l o ws q u e e z em o u l d i n g l i n eofg e r m a nc o m p a n gk wi n 19 9 5 ，i ti su s e dt op r o d u c ec y l i n d e r h e a da n d c v l i n d e r b l o c ko f “1 0 0s e r i e s ”d i e s e le n g i n em a i n l y 。t h ek w m o u l d i n gl i n ei s9 0 si n t e r n a t i o n a ll e v e la n da d v a n c e da n da u t o m a t i cc a s t i n gp r o d u c el i n e 。 b a s e do nt h e c o m p l e xo fc a s t i n g s ，t h em o u l d i n gm a c h i n ec a na d o p tt h r e er a m m i n gm e t h o d s ： s q u e e z i n gr a m m i n g 、s q u e e z i n gr a m m i n g a n do p p o s i t es q u e e z i n g 、s q u e e z i n g t a m m i n ga n do p p o s i t es q u e e z i n g a n da i r p r e s s p l u s tt h em o u l d i n gl i n eh a sa ni n t e r f a c e o fm a nm a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，i t ss u c c e s s f u l u s eb r o k et h ei n t r i n s i cm a c h i n e m o l d i n ga n dc l o s ep r o d u c t i o n m o d eo fo u rc o m p a n y an e we q u i p m e n t s 、n e w t e c h n i qu e 、n e wp r o c e s s ，a n df a c e st on e wq u e s t i o n s 。 i nt h i sp a p e r ，i n t r o d u c et h ef o u n d r yt e c h n 0 1 0 9 ya n de q u i p m e n t so f4 1 0 0 q b c y l i n d e r h e a d ；t h ep r o d u c ec a p a c i t yo f t h ek wm o u l d i n gl i n eh a v ea c h i e v e d1 10 0 r e g u l a rm o l d sp e rd a y ，a n dp r o d u c e 2 5t h o u s a n dt o n se l i g i b l ec a s t i n g sp e ry e a r ；t h i s p a p e ra p p l ya n dc o m b i n et h el a t e s tc a s t i n gt h e o r i e s a n dp l e n t yo fe x p e r i m e n t a t i o n d a t u m ，d i s c u s st h er e a s o n so fd e f e c t i v ec a s t i n ga n dt h er e s o l v e n t si np r o d u c t i o n d r o t e s so i lr u p t u r eo fv e n t p i p ec o r e 、d i s p e r s e ds h r i n k a g ea tn o z z l e 、b l o w h o l e a n ds o o n a n dt h ec y l i n d e r h e a dr e j e c tr a t er e a c h e s 3 ，q u a l i t yo fc a s t i n gi sa d v a n c e d i nc h i n a ，i ta c h i e v e sh i g ht e c h n i c a l i t ya n de c o n o m i ce f f e c t i v e n e s s 。a n da f f o r dt h e r e s o l v e n t so fq u a l i t yc o n t r o lf o rp r o d u c i n gc y l i n d e r h e a dc a s t i n go f e l s es e r i e sd i e s e l e n g i n e 。i ti sd i r e c tp r o d u c t i o n 、t e c h n o l o g yr e c o n s t r u c t i o np r a c t i c a b i l i t y ，a n dp r o 。s s h i g ht h e o r yl e v e la n dh i g ha p p l i e dw o r t h i n e s s 。i ts u p p l i e su s ef o rr e f e r e n c ef o rt h e f o u n d r yi n d u s t r yt oi n t r o d u c ei n t ot h em o u l d i n g l i n e 。 k e y w o r d ：4 1 0 0 q bc y l i n d e r h e a d ；k ws e i a t s um o u l d i n gl i n e ；f o u n d r yt e c h n o l o g y q u a l i t yc o n t r o l a i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：2 脚牛年1 1 月，8 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：兰ki 短论文作者签名：遂堑垒 日期：2 肼年i 月，甚日 昆明理工人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用。昆明云内公司 因铸造生产历史悠久，铸件年产量已超过2 0 0 0 万吨，位居世界第二，是世界铸造生产：人 h 。但是，昆明云内公司国铸造行业的技术水平与国外相比仍有较大差距，它制约着制造 、i p 和国民经济的发展。 展望新世纪，1 泛采用计算机信息技术来改造或带动传统铸造行业，使铸造生产技术 向精确化、轻量化、强韧化和绿色化等方向发展。 1 1 现代铸造生产线的概述和发展趋势 1 1 1 铸造工程中的计算机质量控制 生产高质量的铸件，除了必须制定正确的铸造工艺方案外，还要在铸造生产的各个环 钳中对工艺过程加以严格控制，特别是设备和工艺参数这两个方面的控制。在计算机技术 出现之前，铸造厂里的铸件质量控制主要靠经验，从设备的故障诊断和维护，到金属液质 量、型( 芯) 砂质量的控制，以及铸件缺陷的诊断改进等等，都很大程度上依赖于技术人 员或操作工人的经验积累。现在计算机技术在铸造设备上和铸造厂中的应用，大大提高了 铸造设备的可靠性和效率，并能对各项工艺参数进行调控，同时计算机还可以具有人工智 能，可以把技术人员长期积累的经验以及其他有关信息输入计算机，从而实现生产过程的 集成化、智能化控制，最终实现生产高质量铸件的目的。 1 1 1 1 液态金属的计算机快速质量检测 铸件的质量受到很多因素的影响，液态合金的质量是熏要的影响因素之一。液态金属 冷却时会产生体积的变化、固相的析出、固相生长过程中的溶质再分配、气体和非金属夹 杂物的析出等。这些变化都与液态金属的组织结构及性质密切相关。控制液态金属的组织 结构可以控制铸件的结晶过程、晶粒组织、铸件的偏析、气体及非金属夹杂物的数量、形 态和分布情况，从而提高铸件质量。 科研和生产表明【2 1 ，热分析技术是一种快速、简便的检测合金液态质量的手段。铸造 热分析法是利用冷却曲线揭示金属及其合金在凝固过程中发生相变效应的一种能量分析 方法。液态金属在凝固过程中，如果发生了相变，就会改变其凝固的热进程，或者是冷却 曲线的斜率发生变化，或者是在冷却曲线上产生平台。因此，液态组织中的个组成相都会 在冷却曲线上留下相应的痕迹。各相的含量与化学成分密切相关，取决于冷却曲线上相应 e 昆明理r 大学硕士学位论文第一章绪论 特征值的位置和长度。铸造热分析炉前快速检测的基本原理就是利用热分析仪器 己录液态 金属存特定样杯中的冷却曲线，然后根据冷却曲线上的特征值或热效应参数来计算液态金 属的各项指标。 铸造热分析原理 热分析检测方法以牛顿冷却传热方程为基础。合金凝固期间，合金体系的比热容是变 化的，禾发生相变时，根据热平衡方程可得p 】 ，、h a d t1 c p p v o d ta t ( t ) t 液态合金凝固过程中某时刻的温度( ) t ( t ) = t t o ( t 0 为室温) l 为时间( s ) v 。样杯中所盛液态金属的体积( c m 3 ) p 液态金属的乎均密度( g c m 3 ) c 。液态金属的平均比热容( j g ) h 样杯与空气之间的换热系数( j s c m 2 ) a 样杯的散热表面积( c m 2 ) 且冷却速率 铸造热分析系统的组成及功能如下 ( 1 ) 样杯及支架，样杯是热分析成败的关键之一。因为样杯直接影响着试样与环境之间 的传热。样杯的选用应该满足：液态合金在其中凝固时应该近似满足牛顿冷却条件。 样杯材料在热分析工作温度范围内不与合金元素发生反应。 ( 2 ) a d 转换器，热电偶将所测温度信号转换成电压模拟景信号，然后经a d 转换后变 为计算机可以接受的数字信号。 ( 3 ) 微机，微机是热分析测试系统的心脏。它即可以记录金属液冷却过程的温度变化， 又可以快速判断冷却过程的特征参数，还可以显示或打印输出测试结果。其主要功能为： 采样处理。热分析测试过程中，最重要的工作就是对金属液冷却时快速变化的温度信号 进行连续采样。采用数字滤波的方法来抵抗干扰，提高采样值的真实性和可靠性。特征 参数的判别。快速准确地识别冷却曲线的某些特征参数( 与测试指标相对应) ，是热分析 的关键环节之一。非线形补偿。热电偶输出的热电势与实际温度间的关系是非线性的。 必须对所测温度进行非线性补偿。建立数学模型。数学模型是反映测试目标参数与特征 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 参数之间相关的数学经验公式，其具体的函数形式与生产现场的原材料状况、工艺条件、 测试系统等因素有关。因此数学模型的建立，应首先根据合金的凝固机理，分析确定哪些 特征参数与目标测试参数有相关关系：其次通过生产现场大量的实测资料，对相关参数进 行一定的数学处理，以找出其相应关系。 111 2 造型过程的计算机控制 造型机，特别是造型线的计算机控制，已越来越普及。从单机的控制，到整条流水线 的控制；从造型过程的控制，到与企业的生产管理的计算机信息系统连网，实现r 生产任 务的自动调度，减少在制品，实现柔性化生产，适应市场竞争的需要，提高经济效益等等， 使计算机在铸造厂发挥着越来越大的作用。 造型机是铸造厂的核心设备，与它配套的设备通常有翻箱机、下芯机、铣浇冒口机、 合箱机、浇注机、捅箱机、分箱机及移动小车等组成一条封闭的造型流水线。通过主控室 计算机与p l c 及继电器、开关、传感器等相互配合，实现整条流水线的自动控制和职能化 拧制。计算机控制的优点表现在以下几个方面【4 j 。 ( 1 ) 减少设备的故障率，提高设备的可靠性。一条造型流水线是一个复杂的系统，必须 随时监视各个设备的工作状态。采用计算机进行监控，不但灵活性大大提高，而且功能大 大增强。计算机监控系统的显示画面可以多达3 0 个，按其功能划分为操作类画面、运行 状态画面、生产统计资料画面、时序图画面及资料性画面等几大类。操作类画面。通过 画面可利用计算机的键盘对造型线的运行方式、单机的工作方式进行选择，如手动、自动、 机组运行方式、造型机工作方式及冷却线的选择等；也可控制造型线的开与停。运行监 控类画面。这类画面是由全线运行图、各单机的运行状态图、单机动作各步分配图及液压 站运行图组成。通过画面可以了解造型线的原始位置、运行机构的动作情况、全线动作的 顺序与所处位置、各检测开关的状况及各台机器控制台按钮的操作情况等。生产统计类 画面。这类画面完成造型数统计显示及停机时问统计显示，为生产管理提供数据。此外， 还有停机时间统计画面，显示由于机器故障、等待供砂或供铁液而造成的停机时间。时 序图画面。这样的时序图不仅可以确切地记录下每个动作机构的动作顺序及动作时间，而 且可以为全线的节拍调整提供依据。资料性画面。该类画面为设备用户提供造型线的操 作规程、设备维护及保养知识，帮助用户了解造型线，以便更好地使用流水线。 ( 2 ) 对工艺参数进行优化，提高砂型质量。 ( 3 ) 实现计算机网络化管理。随着计算机网络技术的发展，可以将造型机或造型流水线 的控制计算机与铸造厂的企业信息管理网络连接，随时将造型机上的信息传送到网络的服 7 昆明理1 大学碗士学位论文 第一章绪论 务器上供其他网络单元使用。也可反过来，南生产调度室通过网络向造型线发出生产任务 的指令，实现整个铸造厂的计算机网络化管理。 11 13 砂处理系统的计算机控制 砂处理系统是一个复杂的系统，它涉及的设备多、变化因素多，所以难以控制，往往 造成型砂性能的波动和铸件质量缺陷。经统计，由于型砂质量问题引起的铸件废品率占所 有废品率总数的6 0 7 0 。由于计算机技术以及传感技术的进步，使得铸造工作者能够由 对砂处理系统的人工、事后的、凭经验控制，进入到自动的预防性控制5 11 6 1 。 ( 1 ) 水分的自动控制。要控制型砂的水分，首先必须测量原砂和旧砂中的水分，然后根 据需要向混砂机中加入适量的水。型砂水分的检测在实验室里一般采用烘干法，而在线检 测型砂水分的检测方法通常有电阻法、电容法、微波法及成形性控制法等。 出清华大学研制开发的新型t h m c 型砂水分自动控制系统，该系统以工业控制计算机 作为主控制机，配以自行研制的电阻法湿度传感器，采用先进的数据采集、自动控制以及 软件动态仿真等技术。整个系统的核心是工业控制计算机，它是数据采集、数据处理、现 场监挎和水分控制的中枢：系统中包括湿度、温度、流量三种类型的传感器。其中，湿度 传感器直接固定在混砂机内，用于混砂机内型砂水分的测量；温度传感器固定在定量斗中， 测量旧砂温度，测量结果用于监测型砂温度变化以及对水分测量值进行修正i 流量传感器 安装在加水管路中，主要用于加水量的计量，同时还能检测管路中水流情况，实现无本报 警等功能。水分加入由计算机控制电磁阀的开关来实现。为保证湿度传感器的测量准确性， 每台混砂机加料应配有定量装置。 ( 2 ) 型砂性能的在线检测与控制。型砂性能的在线检测与控制系统能适时地监控型砂性 能的变化情况。实现了整个砂处理系统闭环控制。这套系统的主要功能包括以下几方顽： 动态模拟型砂性能自动测控仪的取样，测试直观而逼真。 控制参数界面输入。如紧实度、剪切强度、可塑性目标值及控制限值等以作为调整 水分补加量的依据。 数据处理。 按时间统计型砂性能数据，画出统计图并且计算出平均值，同时给出最大值和最小 值，可以打印出统计图。 可随时获得软件的使用说明及运行故障说明等帮助信息。 8 昆明理工大学硕十学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 物料加入量的计算机控制。根据“预防性控制”理论，要作好砂处理系统的型砂组 分的加入量控制，首先必须对铸造厂的生产纲领、砂铁比、芯砂混入比例、膨润土及煤粉 烧损等因素进行分析，建立起与所浇注的铸件种类有关的物料添加公式，计算机软件系统 就可以及时地调节补加量，真正达到预防性控制的效果。 一般而言，系统配有两台配料电子秤和三台螺旋给料机，二台胶带给料机。电子秤根 据工艺要求每台配置两种料。一台电子秤配制煤粉和膨润土，另一台配制新砂和旧砂。电 子秤具有自动调零和零位自动跟踪功能，自动累计定量给料和配料次数，配套使用的机械 部分为称量斗。煤粉和膨润土称量斗采用碟阀自锁式气动门，新旧砂称量采用双门自锁式 气动门。物料加入系统结构合理、密封性好。各种原材料的配比数设定后，型砂混制即呵 进入自动控制操作。 铸造，一对生产经验的依赖程度会因计算机以及各种计算机控制的仪器、设备的应用而 逐渐降低，人们完全可以利用计算机技术来控制生产过程，把铸件的缺陷降低到最低程度。 可以预计，由于计算机技术，特别是信息技术的飞速发展，随着铸造行业日益广泛采用计 算机技术，明天的铸造厂将更紧密地融入世界大市场，向人们提供品种更多、质量更好的 铸件。 11 1 ，4 造芯过程的计算机控制 单机的计算机控制 过去的射芯机，包括热芯盒、壳芯和冷芯盒，一般都采用传感器和继电器来控制射芯 机的动作和参数，例如加热温度、射砂压力、射砂时间等。自从可编程控制器( p l c ) 出 现之后，很多射芯机采用可编程控制器控制，从而大大提高了设备的可靠性。而随着计算 机技术的应用，现在射芯机的控制系统一般都配有计算机，射芯机的操作可以通过该系统 的操作界面将射芯机的操作参数输入系统，然后由一个可编程控制器进行系统的控制和检 测。l a e m p e 公司冷芯盒射芯机的计算机操作界面在w i n d o w s 环境下运行，在这台计算机 上储存有生产各种砂芯的工艺参数、生产任务、实际完成数量等数据。操作工人只要从计 算机键盘上输入所生产的砂芯代号或名称，射芯机就可以自动调整射芯的工作参数，以避 免砂芯的过吹，保证所生产的砂芯质量符合技术要求，大型的造芯机或造芯中心一般由计 算机控制射芯、机械手取芯、更换模具、去毛刺和浸涂料等工作。 带有机器人的自动化造芯中心 q 昆明理r 人学硕士学位论文第一章绪沦 现在，一一般的造芯车间往往由人工更换芯盒和砂芯的组装，更换一个芯盒往往需要一 个甚至几个小时，影响生产效率和组芯的精度。如汽车缸盖砂芯，它由进气道砂芯、排气 道砂芯及水套芯组合而成，它的组合通常需要6 个操作者来完成。为了改进和加快这种操 作，德国l a e m p e 公司开发了一种机器人操作系统，由这个系统来完成砂芯的取出、去毛 刺、捡查、上粘结胶或固定钉、组装及上涂，最后将组合砂芯放到存芯架或输送带上，实 现了无人操作。该机芯盒自动更换的时问约3 分钟。 多台造芯机的网络系统 在单机自动化造芯系统的基础上，还可以将多台造芯机连网，组成网络化造芯车问。 如图1 1 。 回 图1 1 造芯车间计算机网络系统 1 2 本课题研究的主要任务和目的 随着产量的不断增长，原有的铸造车间在采用机器造型封闭式的生产组织模式下无法 满足公司发展需求。对此，昆明云内公司于t 9 9 5 年引进了德国k w 静压造型线。设备引 进后，如何实现铸件高质量低废品率大批量的生产，以发挥引进设备的最大优势是关键。 目前，因内引进的铸造生产线综合废品率控制在5 8 ，其中一汽铸造厂引进的k w 线综 合废品率为4 5 左右；二汽三铸引进的g f 线综合废品率控制在6 8 ；无锡锡柴引进的 h w s 线综合废品率控制在4 6 ，江西五十铃引进的b m d 线综合废品率为6 左右。1 ： 业先进国家有许多日产数百吨汽车铸件的工厂，长期废品率在2 左右，菲亚特汽车厂缸 1 0 昆明理工人学硕士学位论文 第一章绪论 体、缸盖铸件废品率为1 5 左右。主要废品为气孔、缩松漏水、掉砂等。每个厂针对自己 的实际生产情况，对于出现的废品进行组织攻关，以期望获得最大的经济效蕴。本人参与 r 昆明云内公司公司设备安装及工艺工装的调试工作，对在调试中出现的铸件质量问题进 行攻关，取得明显的效果，铸件综合废品率3 ，处于国内领先水平，接近国际水半。 k w 静压造型线的成功投产产生了满意的经济效益和社会效益。本文着重论述4 1 0 0 q b 缸 盖的铸造生产及质量控制，包括：4 1 0 0 q b 缸盖的铸造工艺，排气砂芯断、喷油嘴缩松渗 漏、皮下气孔等质量问题的原因分析及解决措施，为以后开发新产品进行铸造生产时提供 依据和借鉴。 昆明理，r 大学硕士学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工岂装备 第二章4 10 0 0 b 缸盖结构特点及生产工艺装备 2 。14 1 0 0 0 b 缸盖结构特点 4 1 0 0 q b 缸盖是1 0 0 系列柴油发动机的关键零部件，铸件重量约4 2 公斤，最大外形尺 寸长x 宽x 高= 5 5 0 x 2 1 6 x 9 9 ( m m ) ，材质为h t 2 5 0 ，硬度 i b l 7 0 2 5 5 ，力学性能要求高， 要求成品在3 9 2 k p a 下历时3 m i n 无渗漏现象；铸件最小壁厚4 5 m m ，内腔复杂，是典型的 薄壁高强度铸铁件。 2 24 1 0 0 0 b 缸盖生产装备 整个车间的工艺布簧分为五大工部，即造型、砂处理、熔炼、制芯、清理。其中以造 型、砂处理为核心，引进德国的k w 静压造型线和砂处理系统：熔炼采用双联工艺：制芯 为树脂砂热芯盒及覆膜砂热芯盒；清理为国内先进专用的鼠笼抛丸及磨削线设备。 2 2 1k w 静压造型线 ( 1 ) 主要技术参数： 砂箱内腔尺寸8 0 0 x 7 0 0 x 3 5 0 3 5 0 砂箱数量1 8 1 个 小车数量1 8 4 个 小车长度1120mm 生产能力9 0 个完整型川、时 循环周期3 7 秒个完燕型 铸件在线冷却时间1 0 2 分钟 型砂要求5 6 吨4 , 时 噪声标准 5 0 1 0 0 0 0 h z ) 和高频无芯感应电炉( 1 0 0 0 0 h z ) l g l o 以前国内普遍采用工频无芯感应电炉熔炼铸铁，容量一般为1 2 0 t 。近年来从提高熔 1 4 昆埘j 理t 大学硕士学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产下艺装备 化效率和降低能量消耗的角度，中频无芯感应电炉的应用曰益增多，它特别适用于中小型 的电炉容量。然而，对于大型电炉( 容量大于3 0 t ) ，采用工频无芯感应电炉仍然是有利的， 此时它的电能消耗只有6 0 0k w h h 【9 j 。 冲天炉感应电炉双联熔炼采用双联熔炼的优点是： 可获得高温低硫铁液。 缓解冲天炉熔炼与生产需求之间的矛盾。 可在感应电炉调整成分。 节约能源，降低成本。 表2 1 、表2 2 、表2 3 是几种铸铁熔炼设备的热效率、能源成本和过热费用的比较。 表2 1几种铸铁熔炼设备的热效率比较f 1 0 ( ) 熔炼设备用于加热和熔化用于铁液过热 冲天炉 6 07 电弧炉7 5 2 5 感应电炉 6 06 0 表2 2 几种铸铁熔炼设备能源成本的比较珀 ( 单位：美圆吨铁液) 熔炼设备预热和熔化铁液过热总成本 冲天炉 2 73 0 65 7 6 电弧炉 3 8 1 6 5 4 感应电炉 4 7o 65 3 冲天炉电弧炉 2 61 64 2 冲天炉感应电炉 2 6 0 63 2 表2 , 3 几种铸铁熔炼设备的过热费用比较1 0 】 ( 由1 3 8 0 。c 过热至1 5 3 0 c ) 熔炼设备费用美圆( 吨铁液) 1 冲天炉( k 2 热1 5 0 ，耗焦碳8 0 公斤邝屯铁液) 3 0 6 感应电炉( 过热1 5 0 ，耗电6 0 k w h 吨铁液) 0 6 感应电炉( 工资、耐火材料、维修、水、调接成分费用) 0 6 昆明理工大学硕士学位论文第_ 二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 以上r u 以看出，三种铸铁熔炼方式各有优缺点，其中冲天炉熔炼效率高，综合成本低， 但铁水成分波动大，过热能力差，环境污染严重；感应电炉熔炼效率低，耗能大，但铁水 成分稳定，同时具有良好的过热能力，环境污染少；而冲天炉+ 感应电炉双联熔炼则是充分 发挥冲天炉优异的熔化能力和电炉良好的过热能力，可及时调整铁水成分，从而收到较好 的综合技术经济效果，但环境污染严重。 基r 以e 的三种熔炼方式，昆明云内公司公司铁水熔炼采用1 0 t h 外水冷长炉龄冲天 炉弓3 0 t 有芯工频电炉双联熔炼，该冲天炉的特点可连续熔化七天，有芯工频电炉连续使 刖时间为二年，满足了大批量流水线生产的要求。铁水温度及化学成分控制完全能达到工 艺要求，确保铁水质量。 2 2 2 11 0 t h 外水冷长炉龄冲天炉 冲天炉的基本结构目前新铸工车间使用的l o t h 外水冷冲天炉，是由江阴铸造机 械设备厂设计制造，其结构主要包括炉体、前炉、送风系统、烟囱及除尘系统等部分。 炉体冲天炉的炉体部分包括炉底及其支撑装置、炉缸、炉身三部分。该部分是 冲天炉最重要的核心部分。炉内的化学、物理变化等过程，诸如金属炉料的预热和熔化， 炉料和高温气流的热交换过程，铁水的过热及成分的变化，燃料的燃烧，炉衬的侵蚀与造 渣等所有过程，无一不是在此部分进行的。因此炉体的结构合理与否，将直接影响到整个 冲天炉工作状况的好坏。 炉底及其支撑装置包括砂床、炉底门和支撑装置三部分。砂床也称为炉底，足 指打结在炉底门上的一层耐火材料，以保护炉底门不受铁水侵蚀。炉底门是冲天炉最下部 的丌口装置，在修理冲天炉时使用。支撑装置由炉底板、柱子和基座组成。用于支撑整个 冲天炉。 炉缸炉缸是指第一排风口至砂床表面这段距离的炉体部分。它的作用是、汇集铁 水和炉渣，若没有前炉的话，它还起着贮存铁水的作用。炉缸高度是随着熔化铸铁的种类 和炉子的大小而变化的。通常，炉缸中的焦碳并不燃烧，铁水温度在此会有所降低。 炉身炉身是冲天炉最主要的工作部分，由炉壳、炉膛、风带、风口及炉壁水冷 装置组成。 炉膛是指第一排风口以上至加料口下沿这段炉子的内腔。常称这段距离为冲天炉有效 高度。这个高度选择是否合适，将赢接影响金属炉料的预热效果、铁水温度及铁水质量。 通常希望有效高度取得高些，因为这段高度愈高，热交换更充分，金属炉料的预热效果越 好，铁水温度就会提高，铁水质量也好。但这个高度也是有限制的，过高易造成炉料“搭 1 6 昆明理t 大学硕士学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 棚”事故，焦碳较易压碎，不利于燃烧。因此，对不同结构的冲天炉应有一个合适的有效 高度。目前公司使用的冲天炉有效高度为7 5 5 0 m m 。 炉壳是指冲天炉炉身外部的直筒形钢板。其内部为耐火材料，耐火材料的厚度根据生 产率的大小而定。炉衬太薄，环境温度高，工人劳动条件差，容易发生烫伤事故。炉衬太 厚，将导致炉壳尺寸过于庞大。 炉壁水冷装簧顾名思义就是用于冷却炉壁的一套系统。炉壁冷却具有延长炉衬寿命， 稳定熔化过程，减少修炉次数等优点。车间使用的冲天炉，熔化率高，生产周期k ，必须 采用炉壁水冷装置。冷却的部位主要是从第一排风口到熔化带上部区间。 风带的作用是保证将空气均匀地分配给各个风口。飙带的面积越大，送到各个风门的 风量越均匀。空气进入风带的方式有两种，种是切线方向进入，另一种是炉身径向进入。 车间使用的冲天炉采用的是后一种方式，因为后一种方式迸风较均匀，可以防i p 炉料偏心 燃烧。 风口是助燃空气进入冲天炉的最后通道，其配置对冲天炉的熔化十分重要，赶接影响 熔化效果和铁水质量。 前炉前炉的作用是贮存由冲天炉出来的铁水，并使铁水温度、铁水成分均匀。 同时，由于铁水不贮存在炉缸内，减少了铁水和焦碳的接触时间，这就减少了铁水增c 、 增s 的机会。 自f 炉的一般结构包括：炉壳、炉盖、出铁槽、出渣槽、窥视孔、过桥、炉衬、r = 作门 等部分。 公司目前是以工频电炉代替前炉来使用，因此结构有所不同。在冲天炉和工频电炉之 间设有分渣器，分渣器结构和前炉相似，只是稍显简单。铁水和炉渣经过桥进入分渣器后， 由于炉渣的密度较铁水小，因而浮在铁水上面，通过位于分渣器上部的出渣槽流出分渣器， 由水流冲击而冷却粒化。铁液则经过位于分渣器下部的出铁槽流出分渣器，最终流入工频 电炉。 送风系统冲天炉的送风系统主要包括风管管路，鼓风机以及温度调节装置。 风管管路包括风管及阀门，风管布置应尽可能缩短长度，少拐弯，弯曲半径力 求最大，风管管径适当，以减少压力损失。阀门主要是碟阀和闸阀，用于调节风量。 鼓风机为了保证冲天炉内燃料强烈燃烧，以使炉子能连续正常的熔化，必须向 炉内鼓入空气。鼓风机除供给炉内必要的空气外，还能使空气具有一定的动能，以便克服 前进过程中所有的阻力损失。铸工车间采用的鼓风机为罗茨风机，风量为2 0 2 m 3 m i n ，风 7 昆叫理 大学硕上学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 压为2 9 4 k p a 。 2 2 2 23 0 吨有芯工频保温电炉 3 0 吨有芯工频保温电炉的基本结构3 0 吨有芯工频保温电炉是一种立式圆柱形炉 体的炉型，基本结构主要包括：炉体、感应器、倾炉机构、液压系统、冷却水系统、供电 系统以及电控系统等部分。见图2 1 。 图2 13 0 吨有芯工频保温电炉结构简图 炉体炉体是垂直的圆柱形体，用结构钢焊接而成。其前部左右两边分别有突出 的小室，用作铁水的进口和出口。进、出铁口通道都作成茶壶嘴的形式。带有法兰的水冷 框架安装在炉体的底部，它是炉体与感应器的连接体，由于此处的炉衬无法配置保温砖， 因此框架的温度特别高。为防止框架过热及铁水从法兰对接面流出，此部位采用水冷降温。 炉盖是标准拱形顶，通过法兰及楔形销与炉体连接。 炉体的最大倾角向前为7 5 。，向后为9 0 。工作时炉体最大只能前倾4 0 。左右，即必 须保证炉体内有1 5 吨铁水留底，防止炉内空气流通导致铁水氧化严重或感应器断沟。铁 水总容_ 璧为4 5 吨，生产时能到出3 0 吨。 感应器它是垂直型的单熔沟，由夕 壳、铁芯、线圈和冷却水套等部分组成。铁 芯由晶粒定向的硅钢片制成，分为固定、活动两部分，其中固定部分与感应器外壳焊接在 一起：活动部分上套有线圈和冷却水套，经拉紧螺栓与固定铁芯相连接。感应器通过螺栓 与炉体的水冷法兰框架相连。 倾炉机构倾炉机构主要是由两个液压缸组成，液压缸是单作用的，即上升靠油 泵的压力推动，下降则靠炉子的自重来推动。 昆明理t 大学硕十学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 液压系统液压系统采用高压立式齿轮泵，最大工作压力为1 6 m p a 。齿轮泵共有 两台，一台工作，另一台作为备用。当工作的一台发生故障时，其中备用的一台能自动切 换。为防止在倾炉时由于电气或阀门失灵而无法使炉子下降，在系统中设有手动快速回油 阀。 冷却水系统系统采用闭路循环，配备水板式换热器，设有主水泵3 台，副 水泵2 台，其中各包括1 台备用水泵。主水泵系统直接冷却感应器和水冷法兰；副水泵系 统是用来冷却主水的，在板式热交换器中完成。 系统包括四个冷却回路：水冷法兰回路、冷却水套回路、感应器线圈加水冷电缆列路 和感应器壳体回路。每个回路都设有温度、流量报警，还有主、副水的进水压力、回水压 力、进、回水温度等共1 5 个报警装置，以保证系统的可靠性。对于有芯电炉来说，冷却 水是至关重要的，电炉工作时，无论任何时候都不允许停水。所以，系统中配备有2 个高 位水箱及自动重锤排水阀。当管路无压力时，重锤靠自重打开回水，保持商位水箱内的水， 冷却炉子后流入车间地漏。 为防止管路堵塞、结垢或腐蚀等故障，主冷却水采用去离子水，副冷却水采用软化水。 供电系统系统包括高压开关柜，可调变压器及三相平衡电路( 由平衡电容器和平 衡电抗器组成) 等部分。可调变压器采用高压与低压调压混合的调压方式。共可获得1 4 个档次的电压。 为确保供电的可靠性，除了专门的变压器供电外，还从k w 造型线引了3 8 0 v 的备用 电源。变压器的供电线路也配备了两条，一条工作，另一条备用。此外，3 0 吨有芯感应电 炉还配备有4 0 0 k v a 的发电机组供电，以防万一。 电控系统3 0 吨有芯感应电炉的电控系统安装在两个电控柜内，控制系统的电源 来自熔化配电室及造型配电室。这两个电源可自动切换。 工作原理3 0 吨有芯感应电炉完全按变压器原理工作。感应器线圈绕在一个由硅 钢片叠成的闭合铁芯上，作为变压器的初级线圈；炉子底侧有一条充满铁水的熔沟环绕感 应圈，它相当于变压器的次级短路线圈。当感应线圈内通过交变电流时，熔沟内的铁水就 在交变磁场的作用下产生感应电流，因铁水本身具有电阻而发热，从而达到过热铁水的目 的。由于有闭合铁芯，磁力线得以高度集中，因此有芯感应电炉的电效率、热效率和功率 因素都比无芯电炉高。 概括地说，3 0 吨有芯感应电炉在整个熔炼工艺中的作用就是：过热铁水，提高铁水温 度；均匀铁水化学成分；同时可以储存铁水，均衡生产。 1 9 昆明理丁：大学硕十学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 3 0 吨工频感应保温电炉主要技术指标，见表2 4 。 表2 43 0 吨有芯工频感应保温电炉主要技术指标 名称 单位数据备注 过热铁水能力 盹，时1 0 0 。c1 5 容有效装载量 吨3 0 最大装载量 吨 4 5 里 变压器容量千伏安8 0 0 工作电压伏 7 4 0 感应器功率 千瓦7 0 0 油额定压力 千克厘米2 1 6 0 泵 流量升分钟 6 3 主压力 千克厘米2 7 冷 流量 米时 3 却 进水温度 4 0 水 出水温度 7 0 副压力 千克厘米2 2 冷 流量 米3 h 寸 6 却 进水温度 3 0 水 出水温度 重 可动部分 吨1 0 5包括4 5 吨铁水、炉盖 h 总重吨 6 0 不包括4 5 吨铁水里 外 长m m4 5 0 0 形 宽m m 3 7 8 0 尺 高m m 4 8 0 0 寸 2 2 3 型砂配置 型砂处理线按工艺流程分为旧砂回收、旧砂处理、混砂及型砂输送等4 个系统，共有 2 0 昆明理t 大学硕十学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产 艺装备 w m 8 0 混砂机、电子配料秤、气压供水、a s k 8 0 双盘冷却器、提升机、胶带机、型砂性能检 测仪、螺旋给料机等设备，处理能力8 0 t h 。设有旧砂、粘土、煤粉、型砂、新砂、废砂 等储料斗，每个料斗上下限分别设有料位计，显示并控制料位高度。 该线设控制室集中控制，克服了铸造环境恶劣，影响电气元件难常运行的弊病。控制 方法分为手动与自动两种：手动用于设备的调试和维修，自动用于正常生产。该控制系统 将专家系统技术引入型砂质量实时控制系统中。在工艺思想上兼顾组分控制与性能控制两 个方面。根据预防性控制理论，将造型线的型板号与砂处理工部的物料补加建立一对应 关系；同时，充分考虑在线性能检测值与目标值的差别。该系统采用了先进的人： 智能技 术，使得相关模块具有自优化功能。其框图如图2 2 所示。 称量装置 重量设定，称量 在线检测 日砂湿度、型砂温度 在线检测 紧实度、湿剪强度 手动 输入 数据 存储 中央控制室 测量值烹l 反馈l 测量值 专家系统 预防性控制 图形统计 自动优化 人工智能 输出 计算机辅助监控 结果分析 图2 2 型砂辅助质量控制系统框图 混砂系统配有两台配料电子秤和三台螺旋给料机，二台胶带给料机。电子秤根据工艺 要求每台称量配置两种料。一台配制煤粉和膨润土，另台配制新砂和旧砂。该电子秤具 有自动调零和零位自动跟踪功能，自动累计定量给料和配料次数；配套使用的机械部分为 一称量斗。煤粉和膨润土称量斗采用碟阀自锁式气动门，新旧砂称量采用双门自锁式气动 门。其结构合理、密封性好。各种原材料的配比数设定后，型砂混制即可进入自动控制操 作。 型砂水分自动控制系统用于对混制过程中的湿型砂直接进行水分控制，使混制好的型 砂达到设定的含水量。系统中包括湿度、温度、流量三种类型的传感器。其中，湿度传感 2 l 昆明理t 大学硕士学位论文第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 器直接固定在混砂机内，用于混砂机内型砂水分的测量。温度传感器直接固定在混砂机内， 测量混制过程的砂温，测量结果用于监测型砂温度变化以及对水分测量值进行修正。流量 传感器安装在加水管路中，主要用于加水量的计量，同时还能检测管路中水流情况，实现 无水报警等功能。水分加入通过控制电磁阀的丌关来实现。 系统工作时首先通过湿度传感器、温度传感器测得所要混制型砂的初始水分含量和 温度值，根据型砂温度等因素对湿度传感器的影响关系，计算出型砂水分测量的修正系数， 并根据型砂性能自动检测仪在线检测的紧实度值与目标值的差，按一定的关系精确计算作 为调整水分补加量的依据。然后在实际检测型砂水分含量的同时向混砂机中加水，直至达 到所需要的水分，其控制系统框图如图2 3 所示。 型砂湿度 和紧实率 标准值 加曼：温度上上旧砂湿度 加水量 图2 3 型砂水分控制系统框图 该系统设有两路加水，粗加水时同时打开两路水管，采用流量传感器定量进行快速加 水，精加水时只开小流量水阀，利用流量传感器定量，电磁阀控制水的启停。 该系统能适时地监控型砂性能的变化情况。实现了整个砂处理系统闭环控制。 2 2 4 制芯、清理 2 2 4 1 制芯 工艺技术分析 目前在国内外比较普遍应用的制芯方法有三种：呋蝻树脂砂热芯盒制芯、覆膜砂制芯 及三乙胺冷芯盒法制芯，三种制芯方法工艺都较成熟，惟有原辅材料性能不同，工艺操作 上各有不同特点，各方法的优缺点也略显不同。根据生产实践，对三种制芯方法在不同生 产阶段表现出的不同性能做一对比，并对生产铸件的重要度给于评价，见表2 5 【“】。 从表2 5 中可以看出：覆膜砂制芯较好，冷芯盒次之，呋喃树脂砂热芯盒制芯第三。 昆驸埋工大学硕士学位论文 第二章4 i o o q b 缸盖结 旬特点及生产t 艺装备 表2 。5 不同制芯方法性能对比 项 评价评分 性麓 目 冷芯盒热芯盒覆膜砂理想值 冷芯盒热芯盒覆膜砂 对原砂质量要求 高中稍离3 l21 ，5 树脂加入量( ) 1 4 1 52 33 55 4 3 2 芯砂流动性 稍好差好 32i3 眇 芯砂存放性h 2h3h 好 311 53 制芯强度m p a 2 32 5 3 53 4422 53 小计2 01 2 1 3 芯盒温度室温 2 1 0 2 5 02 4 0 2 6 0553 2 5 硬化时间盎1 03 0 7 0 6 0 9 0331 51 起芯强度m p a 0 8 10 5 0 802 0 5321 5 1 制 制芯周期 3 0 7 0 s 3 0 9 0 s 3 m i n432 52 芯 生产的灵活性 好差差5 322 污染与腐蚀性高中中 5l33 小计2 5 1 71 3 51 1 5 吸湿性敏感中不敏感 4l2 4 库存时间天 2 35 77 一一1 03 l23 对涂料要求商中低 31 23 砂对排气要求低中高3 211 芯 溃敞性能好 中稍差21 5 105 单位体积重量 1 4 01 4 0 1 4 0522 4 k g d m 3 小计2 0 8 ，51 01 5 5 铸铸件表面质量好蘸好 8535 件 清理强度 轻 由 轻1 21 0 71 0 铸件粘砂倾向中中低 422 4 铸件气孔倾向 低多低5 424 铸件变形倾向少少 中33 32 昆明理工夫学硕士学位论文 第二章4 1 0 0 q b 缸盖结构特点及生产工艺装备 楚否易出毛刺少多 中32l1 5