淺談喂絲技術在球墨鑄鐵生產中的應用

王樹寶, 孫永功, 郭文申

1.中國重汽集團濟南鑄鍛中心 山東濟南 250200

2.上海歐區愛國際貿易有限公司 上海 201821

1 序言

隨著科技的發展，互聯網、大數據、智能、綠色制造等正影響著傳統的制造企業。鑄造作為傳統的生產方式，也在發生翻天覆地的變化，改革升級成為必然。在環保、成本、人工及工作環境、生產效率、產品質量追溯等眾多壓力下，鑄造企業正向“智能制造、綠色鑄造” 轉型升級。

喂絲技術具有排放低、人工操作簡單、加入量準確、自動智能化以及效益明顯等優點，因此越來越受到眾多鑄造企業的青睞，紛紛將喂絲技術應用于球墨鑄鐵生產中，可獲得較大的經濟效益。筆者根據喂絲技術實際應用中的經驗總結，將喂絲技術在實際生產應用中的關鍵點予以闡述。

2 喂絲設備運行的連續性

喂絲設備運行的連續性是將喂絲技術應用于實際生產的基礎。要想保證設備運行的穩定性，設備必須具備穩定的運行速度、合理的喂絲輪設計、低的喂絲阻力，以及快速連續的換絲方式等特性。

2.1 穩定的運行速度

將喂絲線以穩定的速度連續不斷地送入鐵液包進行穩定的處理是整個處理系統的關鍵之一。良好的喂絲過程應是在短時間內達到設定的喂絲速度，然后進行穩定地喂絲，喂絲過程接近完畢后以極短的時間停止，喂絲速度與時間的關系如圖1所示。

要想實現這一過程，必須選用可靠的PLC控制系統及程序編程，同時喂絲電動機運行過程平穩可靠。

圖1 喂絲速度與時間的關系

2.2 合理的喂絲輪設計

喂絲機通過主動輪和從動輪配合進行喂絲線的輸送，主從動輪之間存在一定的壓緊力或者一定的間距，喂絲線從主動輪、從動輪之間通過。兩者之間一般采用以下三種壓緊方式：

1）彈簧下壓機構，通過彈簧給予主動輪一定的壓緊力，可以通過壓緊彈簧的活動螺母的螺紋進給量進行調整，從而達到對喂絲線壓緊力調整的效果。

2）氣缸壓下的壓絲機構，通過作用于喂絲輪壓緊的氣缸氣壓的調節，來調整對喂絲線的壓緊力。

3）采用機械的固定方式，兩個喂絲輪之間間距固定，通過螺紋進給量調節間距。

根據筆者的經驗，采用前兩種壓緊方式較好，兩個喂絲輪之間承受一定的力，通過調整力的大小來調整喂絲輪之間的壓緊力，這種壓緊方式對喂絲線的適應性較好，可一定程度彌補喂絲線質量波動帶來的喂絲過程故障。

除此之外，為了避免喂絲過程中滑線，建議主動輪、從動輪外圈選用弧形齒狀的壓絲輪，增大喂絲線和兩個喂絲輪之間的摩擦力，并且建議喂絲輪選用高強度、高硬度且耐磨性好的材質，以提高喂絲輪的使用壽命（日常生產時，定期對壓輪圓周的齒狀結構進行清理，防止齒狀結構被其他物質填充而達不到增加摩擦力的效果）。為了解決因滑線（主動輪轉動，但是受阻力大的影響，喂絲線不前進，從動輪不轉，主動輪在喂絲線表面空轉）而帶來的定量不準的情況，建議喂絲長度傳感器安裝在從動輪上，能準確地計算喂絲長度，當出現滑線時，可以據此從動輪反饋的數據信號及時進行報警，以方便操作者及時處理，同時由于從動輪的轉動與喂絲線的前進相互同步，能準確反映實際的喂絲加入量。

2.3 較低的喂絲阻力

1）根據喂絲電動機的擺放位置和喂絲線通過喂絲電動機的走向將喂絲機分為水平式和垂直式兩大類。水平式的設計在實際使用過程中喂絲阻力大，并且進入鐵液的角度變化大，給入射角的控制帶來難度。垂直式的設計在應用中喂絲阻力小，喂絲線角度可控（喂絲線垂直于鐵液面）。鑒于以上原因，推薦使用垂直式設計。

2）整個喂絲過程中的阻力多數來自于喂絲線與導向管或者導向圈之間的摩擦阻力。減少喂絲線與導向管之間的摩擦力是保證喂絲順暢的關鍵。喂絲過程中喂絲線呈螺旋狀從線卷內抽出，存在螺旋扭曲，可以通過增加導向輪組結構（建議選用滾輪結構）釋放扭曲。喂絲線通過喂絲機輸送，然后經導向管進入鐵液，導向管不宜有弧度，不能存在接口，且正確安裝導向管，導向管的直徑建議設計成35～50mm。

2.4 快速連續的更換喂絲線方式

當一捆喂絲線使用完畢后，能否快速連續地進行喂絲線的更換影響到整個生產過程的連續性。而目前國內的喂絲線沒有預留接頭，一般更換喂絲線的時候，需提前將兩捆喂絲線進行焊接處理，而焊接不但耗時、耗力，并且喂絲過程中容易在接頭處斷開或者在喂絲機壓輪處滑線、斷開，極大地影響了生產的連續性，為此我們根據實際的使用經驗對此進行了改進。由于喂絲線選用φ13mm的規格，我們利用φ16mm外徑、壁厚為1mm、長度為50～80mm的銅管將兩捆喂絲線的接頭進行連接，使用壓線鉗將銅管和喂絲線同時壓緊（見圖2），銅具有良好的延展性，可保證接頭順利通過喂絲機壓輪。

圖2 銅管與喂絲線的連接

3 球化過程的穩定性

球化過程的穩定是保證球化質量的前提。喂絲技術質量控制的特點是自動化控制，加入量精準，人為影響因素少，理應容易實現球化效果穩定。但是在實際使用過程中，由于關鍵工序點失控、原材料出現波動等，總會不間斷地出現金相組織達不到技術要求的情況，從而給質量控制帶來隱患。為了達到高的球化質量，建議從以下幾點進行控制。

3.1 適當的處理溫度

處理溫度往往引不起企業的關注，而恰恰這一參數不僅影響到球化質量，還關系到孕育效果的好壞。

Mg的有效性是球化能否成功的關鍵，而根據Mg的沸點及鎂蒸氣的特點，隨著鐵液溫度的升高，Mg在鐵液中的逃逸速度越快，停留時間越短，有效性也就越低。如果處理溫度過高，要想獲得同樣的球化效果，必須加入更多的喂絲線，與之相應的煙氣、鎂光也越強烈，并且嚴重增加熔煉能耗及原材料成本。通過總結有效率與處理溫度的關系，從球化及成本的角度來說，建議處理溫度小于1480℃。

喂絲處理過程中的孕育處理過程必須有石墨形核的質點，我們認為只有鱗石英才能作為石墨的形核質點。由SiO2相變轉變圖可知，當溫度高于1470℃時，呈現α-方石英形態， 在溫度1470℃時轉變為鱗石英，只有在此溫度以下，才具有石墨形核的質點，因此從孕育處理的過程來說，我們建議處理溫度小于1470℃。

鑒于以上兩個原因，建議處理溫度控制在1470℃以下。

3.2 合理的喂絲速度及入射角

合理的喂絲速度及入射角是確定球化線開始反應位置的關鍵。當球化線在靠近包底的位置開始反應時，鎂蒸氣上升距離長，與鐵液的作用時間也長，并且鐵液翻騰效果好。而生產過程中，處理鐵液的液面深度、鐵液溫度、喂絲線的鋼帶等因素都會影響到喂絲速度的設定。喂絲速度過快，喂絲線觸及包底之后折回，達不到在包底附近反應的效果，而喂絲速度過慢，喂絲線在鐵液的中上部反應，大大降低了Mg的有效率。除此之外，入射角也會影響球化線的反應位置，喂絲線進入鐵液應與鐵液表面垂直。當入射角不佳時（見圖3），喂絲線易觸及包壁，導致喂絲線折返嚴重甚至出現喂絲線在導向管管口集聚的設備故障。

圖3 不合理的入射角

3.3 包芯線的質量穩定

每個廠家應根據自己的產品及工藝，結合喂絲線廠家的生產狀況確定自己的規格。規格包括每米喂絲線重、填充料的料重、料重的波動范圍以及填充料的成分。除此之外還要嚴格規定喂絲線的接口、框架牢固，喂絲線咬口緊合，以及喂絲過程中不能漏料等。

3.4 其他因素

喂絲處理過程中，球化處理是一個變質的過程，而孕育處理是形核的過程。而實際的生產過程中兩種喂絲線的加入量肯定存在差異，兩個過程的處理完成時間點也不同，這也是影響球墨鑄鐵質量的一個因素。生產過程中，孕育處理過程應晚于球化處理完成或與球化處理過程同時完成，只有這樣才能緩解球墨鑄鐵的白口傾向及增加形核質點，改善石墨球數量及大小。 除此之外，球化線的加入量也應根據硫含量的不同而精確控制，其加入量與硫含量的變化呈非等差關系，硫含量越高，一定硫含量變化下的球化線加入量的變化值就越大。

4 環保、智能

粉塵、煙氣、強光等一直困擾傳統球墨鑄鐵生產環境，而這些缺點，與目前的環保政策相悖。而喂絲球化只要設計合理的包蓋及與之相匹配的除塵系統，就可以極大地改善工人的工作環境，并且通過除塵系統對粉塵、煙氣進行處理，達到減排的環保要求。但是除塵的風量需匹配合適，風量過大對球化有一定的負面影響，并且大量的粉塵被吸出富集在管道壁，而風量過小會影響除塵效果。

相比于傳統制造，智能制造是眾多企業轉型升級的趨勢。喂絲技術以PLC控制技術為基礎，輔助以電腦軟件控制，不僅實現了自動化控制，大大降低了工人的勞動強度，還可以遠程監控，并且適時存儲、匯總、整合數據，對生產過程中的溫度、包芯線規格、喂絲線參數予以記錄保存。不僅如此，還可輔助以其他軟件，將化學成分等同時記錄存儲，從而形成產品的信息數據庫。通過整個過程的實施，實現了對產品的生產過程、質量管理甚至倉儲物流的監控和管理，使生產過程向智能化升級。

5 結束語

喂絲球化技術是一種操作簡單、易于控制、環保的球墨鑄鐵處理工藝，眾多企業紛紛將喂絲技術應用于生產。筆者根據生產過程中的經驗，從喂絲技術的設備選用、生產過程控制、質量控制的問題點和對策以及后續的智能升級進行闡述，希望對廣大的鑄造工作者有一定的借鑒和幫助。