V法低壓鑄造技術在GIS鋁合金罐體生產中的應用

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

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V法低壓鑄造技術在GIS鋁合金罐體生產中的應用

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

摘要：利用V法低壓鑄造技術進行GIS鋁合金罐體鑄造，經過多次論證與試驗，利用V法低壓鑄造技術成功澆鑄500 kV超高壓GIS鋁合金罐體零件，并在研究大批量連續生產方式上取得了突破。

關鍵詞：V法低壓鑄造技術；造型；鋁合金；GIS罐體；大批量生產；連續生產

隨著低壓鑄造、V法造型在鑄造生產中的推廣應用，近年來國內開始研究兩種方法的結合，即V法低壓鑄造技術，并取得了一定成果。由于V法造型的特殊性，想要利用這種技術進行大規模生產，還存在一定難度，目前僅能進行小批量生產且效率不高。山東大恒能源科技集團有限公司長期以來一直在發電及輸變電行業投入大量人力物力進行技術革新。經過多次論證與試驗，利用V法低壓鑄造技術成功澆鑄500 kV超高壓GIS鋁合金罐體零件，并在研究大批量連續生產方式上取得了突破。

1　低壓鑄造概況

低壓鑄造是近代出現的一種鑄造方法，它須要借助低壓鑄造設備來實現，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，使金屬液在空氣的壓力下，經由升液管進入鑄型內來完成澆鑄的過程。低壓鑄造設備在國內的應用越來越廣泛，特別是汽車行業、高壓輸變電行業、航空航天及軍工等行業。許多有色金屬鑄造企業正漸漸將低壓鑄造轉變為自己的主要鑄造生產手段。

低壓鑄造與傳統的重力鑄造相比具有以下優點：

(1)金屬液由于在壓力下充型和結晶，可以顯著提高鑄件的內部質量；

(2)實現了順序凝固和壓力補縮，減少了澆冒口體積，提高了金屬利用率；

(3)由于進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，控制精度高、工藝參數重復性好、操作簡單方便，實現了澆鑄過程的高度可控制性，從而提高了鑄件的成品率。

鑒于低壓鑄造的眾多優點，特別是鋁合金鑄件，采用低壓鑄造手段進行生產的比例在逐年擴大。

2　V法造型概述

V法造型即真空密封造型，又稱為“負壓造型”或“減壓造型”，國外取英文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，然后依靠真空泵抽出密封空間內的空氣形成負壓，在負壓的作用下使干砂緊實成型。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為“21世紀鑄造新技術”，與傳統的造型技術相比，V法造型的優點非常之明顯。①V法造型采用無粘結劑和添加物的干砂造型，因此便省去了有關粘合劑、附加物和混砂設備，同時因為其落砂方便且舊砂回用率高（95%以上），也可省去相應的落砂及舊砂再生設備；②V法造型造出的鑄型硬度高且均勻，拔模容易，同時型腔表面光潔、輪廓清晰、尺寸準確，可以提高鑄件質量；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，金屬利用率高，并且在V法造型中，金屬流動性好，充填能力強，可以造出薄壁鑄件和復雜形狀的鑄件……總而言之，其眾多的優點使V法造型成為了真正綠色環保的鑄造工藝。

3　試驗用低壓鑄造機主要技術指標

JS455型低壓鑄造機由工作平臺、保溫爐、液壓系統、氣控系統、電控系統和其它輔助設備等部分組成。工作時合完箱的砂型放置在工作平臺上，平臺可延豎直方向上下移動；保溫爐在工作平臺下，可由液壓缸驅動延水平方向移動；保溫爐與砂型澆口靠帶有保溫套的升液管連接。

表1　JS455型低壓鑄造機技術參數

本機核心部分是氣控系統，又稱為液面加壓系統，它的作用就是控制整個的澆鑄過程，其中可以設定五段的“時間-壓力”參數，分別對應“升液”“充型”“結殼”“增壓”“保壓”這幾個階段。通過對氣控系統參數的不同設定，可產生不同的加壓工藝規程，如“穩壓結晶”“急速增壓”“結殼后升壓結晶”等，以適應不同鑄型的鑄造需求。

4　利用V法低壓鑄造進行大批量生產時進行的幾點改進

⑴V法造型澆鑄完畢后，塑料薄膜被高溫融化，負壓逐漸消失，此時移動砂箱，由干砂形成的鑄型便會自行潰散，這是V法造型的優點之一。但在低壓澆鑄時，砂箱放在工作平臺上且采用的是由下向上的澆鑄方式，砂型潰散便會使大量干砂遺留在平臺上，甚至由升液管落入保溫爐內。這樣一來，不光清理起來非常麻煩，影響連續生產，還會導致鋁液內夾雜雜質，使鑄件產生缺陷。針對這一問題，在下箱的底面上加一塊擋砂板，以防止澆鑄完畢移開砂箱時有干砂掉落。擋砂板在下型的澆口處留有跟澆口尺寸相當的圓孔，便于鋁液的澆鑄。

圖1　排氣道

⑵砂型使用低壓澆鑄時，砂箱上型不能開明冒口，為了排出型腔內的空氣，一般解決方法是使用尖銳細長的金屬針扎氣孔。而V法造型要靠塑料薄膜密封，以產生負壓空間，故無法扎氣孔。為順利排氣，造上型時在型腔的最高點和易憋氣的位置埋入了金屬排氣道。實際使用的排氣道如圖1所示，是由兩條鋁合金長條合并，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，又可延長氣道并對鋁液形成一定阻力，使鋁液進入氣道后迅速凝固，不至于沖出氣道，發生危險。

⑶低壓鑄造屬于壓力鑄造范疇，在這種澆鑄方式下進入型腔的鋁液是由一定壓力驅動的，故分型面的密封應比重力鑄造更加嚴密。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，輕則在鑄件上出現較大的飛邊，重則發生“跑火”現象，因此在試驗時采用了三層密封：分型面處放置多道石棉繩；砂箱結合面鋪設一圈浸過涂料的石棉布條；砂箱外接縫處抹上耐火泥。另外，為使砂箱能夠壓緊，在上下箱側面的對應位置分別設置了多個側耳，采用螺栓螺母壓緊上下箱，進一步提高生產的安全性。

⑷低壓鑄造的液面加壓系統由PLC控制，如果電路發生故障或者其他原因造成氣壓超調，則鋁液有可能沖破上型，發生“冒頂”。為防止萬一，在上箱上面壓了一塊大小與砂箱相當的6 mm厚的花紋鋼板，這樣既可以保證安全，又不會阻礙排氣道排出型腔內的氣體。

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接后等待時間過長，澆口處的塑料薄膜便會融化，以至負壓消失，砂型潰散。為此，造型時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法造型離不開負壓氣源，所以造型區、澆鑄區和落砂區均限制在一定范圍內，這也是V法低壓鑄造技術應用到大批量生產時的瓶頸。為解決這個問題，在試驗時對工位布置進行了仔細的研究。

圖2　結構示意圖

一種布置方式是直線布置，保溫爐可延直線運動，并可以進行升降。通過這種方式在幾個工位之間進行連續澆鑄（如圖3）。

圖3　直線布置方式

另一種布置方式是環形布置，保溫爐固定不動。通過吊裝砂箱的方式在一個澆鑄工位上進行連續澆鑄（如圖4）。

圖4　環形布置方式

5　試生產過程簡介

(1)將保溫爐移出工作平臺，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上，并使用T型槽螺栓與螺母將下箱在工作平臺上固定牢固。

(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)將上箱反轉后與下箱合箱，并在上下箱對應的側耳處使用螺栓螺母壓緊，最后在外側接縫處抹上耐火泥。

(5)升起工作平臺，將保溫爐移入，當保溫爐到位后降下工作平臺，使升液管與澆口對接，此時按下設備上的“澆鑄”按鈕進行澆鑄。

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

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

圖5　試驗現場

圖6　試驗鑄件

6　結論

通過多次試驗，穩定了澆鑄參數以及補償壓力等問題，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置、物流轉換、生產流程和操作維護方面均優于環形布置方案，因此可作為V法低壓鑄造連續生產的首選方案。舊砂利用率高是V法低壓鑄造的一個優勢，但因為都是干砂，整個鑄造現場臟亂的現象比較嚴重，將落砂區和造型區進行合理規劃，改善現場工作環境也是提高操作人員生產效率的有效措施。

參考文獻

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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

作者簡介：畢建峰（1981—），男，工程師，從事發電及輸變電行業相關設備設計及生產.

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：TG249.6；

文獻標識碼：A；

文章編號:1 006-9 658（201 6）01- 0049- 03

稿件編號:1510- 1106