蓄電池板柵連鑄機研制

李萬全 高長銀 劉 江 譚澤富

1.重慶三峽學院，重慶，404000 2.鄭州航空工業(yè)管理學院，鄭州，450015

0 引言

蓄電池板柵是鉛酸蓄電池的基本組成結構之一，約占蓄電池總質量的20%～30%［1］。在蓄電池的生產過程中，基本的板柵制造技術有傳統(tǒng)的重力鑄造、拉網(wǎng)式、連鑄式3種。我國蓄電池行業(yè)的板柵生產主要采用鑄板機重力鑄造技術［2］，生產效率低，資源能源消耗大，污染嚴重，并且難以制造1mm以下的薄型板柵，產品國際市場競爭力低。拉網(wǎng)式板柵制造技術是20世紀70年代發(fā)展起來的板柵制造技術，生產效率高，可生產出薄型板柵，缺點主要在生產技術方面，即采用在壓延的鉛帶上連軋切口，左右拉伸成網(wǎng)時必須使用鉛帶，極耳加工時間長，加工過程有碎屑產生，板柵結構設計受限制，活性物質的附著性能與重力鑄造板柵相比較差。目前，拉網(wǎng)式板柵制造技術在歐美等國得到了廣泛應用，我國在20世紀90年代引進該技術，但使用效果不理想［3］。蓄電池板柵連鑄連軋是20世紀80年代后期開始采用的板柵制造技術，它的生產效率可達重力鑄造的12倍以上。板柵連鑄機模具主要由動模和定模組成［4－5］，熔融鉛液由熔鉛爐通過輸鉛管不間斷通入定模中，充滿動模表面連續(xù)板柵型腔，板柵在動模表面成形鑄出。其中，負極板柵可直接用于蓄電池生產，板柵脫模后經卷取機卷成板卷以便運輸或儲存；正極板柵需要經過連軋工序，包括粗軋、壓花兩次軋制，軋制完成后進行卷取。該過程具有生產性能好、質量穩(wěn)定、可生產薄型板柵、板柵結構設計靈活、鉛合金收得率高等優(yōu)點，其缺點是模具成本高，對鉛液的壓力、動模旋轉速度、系統(tǒng)張力要求非常嚴格。目前，國際上蓄電池板柵連鑄連軋設備主要由美國Wirtz公司生產，國內尚無相關技術及設備制造能力。本文主要研究連鑄機的設計原理。

1 連鑄機結構設計

1.1 連鑄機設計參數(shù)

鉛板柵最大寬度為400mm，厚度范圍為0.6～5.0mm，動模旋轉線速度為14～36m／min。

1.2 基本結構

連鑄機的基本結構如圖1所示，蓄電池板柵連鑄動模在電動機帶動下保持定速旋轉，熔鉛爐內的鉛液經輸鉛泵加壓后通過輸鉛管輸入定模，進入定模內部澆注腔從而充滿動模表面板柵型腔。動模與定模之間的間隙由模具間隙調節(jié)機構進行調節(jié)。脫模后的板柵經張力輥后送入夾送機，產生板柵連續(xù)脫模所需的張力，并對連續(xù)板柵進行校直。

圖1 連鑄機三維結構圖

1.3 連鑄機動模設計

動模結構如圖2所示。動模輥筒表面加工有連續(xù)板柵型腔，如圖3所示，型腔表面光潔度要求較高，拔模斜度設置為10°～15°。試驗證明，拔模斜度過小會造成板柵脫模困難，對板柵結構造成損壞，需要停機對型腔進行清理，因此必須選擇較大的拔模斜度。

圖2 動模剖面圖

圖3 動模連續(xù)板柵型腔結構圖

動模的溫度控制對板柵的成形極為重要，必須嚴格控制在設定的溫度范圍內。系統(tǒng)采用模溫機對動模溫度進行有效控制。為保證恒溫導熱油進入動模內部，動模主軸設計為內置軸承的空心軸，軸承內圈安裝有供回油管路，模溫機輸出的導熱油經供液管、供液口進入動模內部，充入由輥筒、端蓋、空心軸、內筒和密封結構形成的空腔內，冷卻后的導熱油經回液口進入回液管返回模溫機。在動模旋轉過程中，供液系統(tǒng)保持靜止。內筒結構為密封的空心圓筒，動模內部安裝內筒的主要作用是降低動模內部液體容量，既可以實現(xiàn)快速加熱，又可降低模溫機加熱功率；同時，可在工作過程中降低動模的總質量，降低電動機功率。

模溫機加熱功率的計算需要分別考慮動模模具和加熱油的加熱功率。

動模輥筒長度為590mm，直徑為470mm，壁厚為55mm，內部為中空，動模質量為358kg，模具內部中空的容積為0.056m3。動模模具需要在0.5h內加熱到200℃。

動模材料為鋼質，質量熱容c1＝0.46 kJ／（kg·K）。設室溫為25℃，溫度差為ΔT1，動模質量為m1，達到工作溫度需要的時間為t。則動模模具的加熱功率P1按下式計算：

輥筒內導熱油的質量熱容c2＝2100 J／（kg·K），密度ρ＝0.85kg／m3，溫度差為ΔT2，輥筒內部中空容積為V，則加熱功率P2的計算公式為

通過計算模具加熱功率為18.3kW，導熱油加熱功率為11.1kW。該計算中熱效率均取100%，未計加熱過程中的熱量損失及動模金屬升溫及物料經過輥筒所帶走的熱損失。一般按經驗取1.5倍的安全系數(shù)，則動?？偧訜峁β蕿?/p>

因此，動?？偧訜峁β蕿?4.1kW，實際選擇48kW。

1.4 連鑄機定模設計

定模結構如圖4、圖5所示。鉛液經輸鉛管進入定模的輸鉛棒內，輸鉛棒為一中空圓管，朝向澆注腔一側開有一排小孔（圖6），鉛液在輸鉛泵壓力作用下噴入澆注腔并充滿輸鉛棒與定模內腔之間的空間，鉛液填充旋轉的動模表面型腔并迅速凝固形成板柵。輸鉛棒頂端開有出鉛口，多余的鉛液由出鉛口噴入回鉛管，輸鉛管頂部套有一支撐環(huán)（圖5），支撐環(huán)底部開有一缺口，澆注腔內多余的鉛液通過缺口流出，進入回鉛管返回熔鉛爐。定模背部開有垂直于輸鉛管的盲孔，孔內插有熱電偶對定模溫度進行監(jiān)控。

定模溫度采用在定模后部開設3個貫通的加熱管道，并用電加熱或恒溫液體加熱的控制方式，把溫度控制在很小的溫度范圍內，要求定模內部的鉛液溫度盡可能保持均一。同時在定模底部靠近動模處開有貫通的冷卻管路，對動模和定模接觸區(qū)的底部進行冷卻，保證板柵脫離模具時充分凝固。

圖4 定模三維結構

圖5 定模視圖

圖6 輸鉛棒

為防止鉛液在壓力作用下向定模上方溢出，在定模上部開有一條氣體保護管路，管路面對動模方向開有一排噴氣孔，噴出高溫高壓保護氣體，既可以阻止鉛液向上流動，還可以起到隔絕空氣、減小鉛液蒸發(fā)及氧化的作用，考慮到生產成本，采用氮氣作為保護氣體。同時，在定模澆口上部設有與動模板柵型腔邊框配合的筋條，對相對較粗大板柵邊框腔進行封閉。

2 樣機試制

在蓄電池板柵連鑄機研制過程中，成功地試制了連鑄機樣機一臺，并進行了板柵連鑄試驗。試驗采用鉛鈣合金作為鉛液原料，動模旋轉線速度為15～36m／min，熔鉛爐鉛液溫度為450～500℃，動模溫度為80～180℃，定模溫度為200～350℃，冷卻水溫度為60～85℃［6］。經驗證，連鑄機結構設計原理合理，成功獲得了連續(xù)鑄造板柵樣品，如圖7所示。但由于動模連續(xù)板柵型腔質量不高、未找到適當?shù)囊后w脫模劑、板柵制造工藝尚處于摸索階段等原因，導致板柵質量不高，有待于進一步改進。

圖7 連鑄板柵試制樣品

3 結束語

本文研制了一種蓄電池板柵連鑄機，設計采用輥筒式動模與內置輸鉛棒定模相配合的一種生產方式來試制蓄電池板柵。輥筒式動模表面具有柵格狀型腔，內部安裝有加熱循環(huán)系統(tǒng)；定模內部分別安裝有加熱與冷卻系統(tǒng)，其主要作用是為動模提供充型的鉛液，同時對成形的板柵進行冷卻。試驗證明，隨著動模旋轉，蓄電池板柵在動模表面型腔內連續(xù)成形，鉛液在模具內凝固較好，成功獲得蓄電池板柵樣品。

［1]伊廷鋒，霍慧彬，胡信國.鉛蓄電池板柵材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電池工業(yè)，2006，11（4）：267－272.

［2]柴樹松.汽車蓄電池的生產方式［J］.蓄電池，2001（2）：30－32.

［3]隗玉林，郭生歡，丁毅，等.拉網(wǎng)式板柵的制造及常見故障［J］.電池，2007，37（2）：152－154.

［4]王景川.對擴展式和連鑄式板柵系統(tǒng)的分析［J］.蓄電池，2000（2）：29－32.

［5]Cattaneo E，Stumpf H，Tillmann H G，et al.Continuous Casting of Lead－antimony Alloys［J］.Journal of Power Sources，1997，67：283－289.

［6]徐國榮.板柵模具設計中的幾個問題［J］.蓄電池，2003（1）：45－47.