淺談喂絲技術(shù)在球墨鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)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(qū)愛國際貿(mào)易有限公司 上海 201821

1 序言

隨著科技的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能、綠色制造等正影響著傳統(tǒng)的制造企業(yè)。鑄造作為傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，也在發(fā)生翻天覆地的變化，改革升級成為必然。在環(huán)保、成本、人工及工作環(huán)境、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量追溯等眾多壓力下，鑄造企業(yè)正向“智能制造、綠色鑄造” 轉(zhuǎn)型升級。

喂絲技術(shù)具有排放低、人工操作簡單、加入量準(zhǔn)確、自動智能化以及效益明顯等優(yōu)點，因此越來越受到眾多鑄造企業(yè)的青睞，紛紛將喂絲技術(shù)應(yīng)用于球墨鑄鐵生產(chǎn)中，可獲得較大的經(jīng)濟效益。筆者根據(jù)喂絲技術(shù)實際應(yīng)用中的經(jīng)驗總結(jié)，將喂絲技術(shù)在實際生產(chǎn)應(yīng)用中的關(guān)鍵點予以闡述。

2 喂絲設(shè)備運行的連續(xù)性

喂絲設(shè)備運行的連續(xù)性是將喂絲技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)的基礎(chǔ)。要想保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性，設(shè)備必須具備穩(wěn)定的運行速度、合理的喂絲輪設(shè)計、低的喂絲阻力，以及快速連續(xù)的換絲方式等特性。

2.1 穩(wěn)定的運行速度

將喂絲線以穩(wěn)定的速度連續(xù)不斷地送入鐵液包進(jìn)行穩(wěn)定的處理是整個處理系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。良好的喂絲過程應(yīng)是在短時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的喂絲速度，然后進(jìn)行穩(wěn)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(guān)系如圖1所示。

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

圖1 喂絲速度與時間的關(guān)系

2.2 合理的喂絲輪設(shè)計

喂絲機通過主動輪和從動輪配合進(jìn)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(gòu)，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(jìn)給量進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到對喂絲線壓緊力調(diào)整的效果。

2）氣缸壓下的壓絲機構(gòu)，通過作用于喂絲輪壓緊的氣缸氣壓的調(diào)節(jié)，來調(diào)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(jìn)給量調(diào)節(jié)間距。

根據(jù)筆者的經(jīng)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(diào)整力的大小來調(diào)整喂絲輪之間的壓緊力，這種壓緊方式對喂絲線的適應(yīng)性較好，可一定程度彌補喂絲線質(zhì)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(zhì)，以提高喂絲輪的使用壽命（日常生產(chǎn)時，定期對壓輪圓周的齒狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行清理，防止齒狀結(jié)構(gòu)被其他物質(zhì)填充而達(dá)不到增加摩擦力的效果）。為了解決因滑線（主動輪轉(zhuǎn)動，但是受阻力大的影響，喂絲線不前進(jìn)，從動輪不轉(zhuǎn)，主動輪在喂絲線表面空轉(zhuǎn)）而帶來的定量不準(zhǔn)的情況，建議喂絲長度傳感器安裝在從動輪上，能準(zhǔn)確地計算喂絲長度，當(dāng)出現(xiàn)滑線時，可以據(jù)此從動輪反饋的數(shù)據(jù)信號及時進(jìn)行報警，以方便操作者及時處理，同時由于從動輪的轉(zhuǎn)動與喂絲線的前進(jìn)相互同步，能準(zhǔn)確反映實際的喂絲加入量。

2.3 較低的喂絲阻力

1）根據(jù)喂絲電動機的擺放位置和喂絲線通過喂絲電動機的走向?qū)⑽菇z機分為水平式和垂直式兩大類。水平式的設(shè)計在實際使用過程中喂絲阻力大，并且進(jìn)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(shè)計在應(yīng)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(shè)計。

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

2.4 快速連續(xù)的更換喂絲線方式

當(dāng)一捆喂絲線使用完畢后，能否快速連續(xù)地進(jìn)行喂絲線的更換影響到整個生產(chǎn)過程的連續(xù)性。而目前國內(nèi)的喂絲線沒有預(yù)留接頭，一般更換喂絲線的時候，需提前將兩捆喂絲線進(jìn)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(chǎn)的連續(xù)性，為此我們根據(jù)實際的使用經(jīng)驗對此進(jìn)行了改進(jìn)。由于喂絲線選用φ13mm的規(guī)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(jìn)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(wěn)定性

球化過程的穩(wěn)定是保證球化質(zhì)量的前提。喂絲技術(shù)質(zhì)量控制的特點是自動化控制，加入量精準(zhǔn)，人為影響因素少，理應(yīng)容易實現(xiàn)球化效果穩(wěn)定。但是在實際使用過程中，由于關(guān)鍵工序點失控、原材料出現(xiàn)波動等，總會不間斷地出現(xiàn)金相組織達(dá)不到技術(shù)要求的情況，從而給質(zhì)量控制帶來隱患。為了達(dá)到高的球化質(zhì)量，建議從以下幾點進(jìn)行控制。

3.1 適當(dāng)?shù)奶幚頊囟?/h3>

處理溫度往往引不起企業(yè)的關(guān)注，而恰恰這一參數(shù)不僅影響到球化質(zhì)量，還關(guān)系到孕育效果的好壞。

Mg的有效性是球化能否成功的關(guān)鍵，而根據(jù)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(yīng)的煙氣、鎂光也越強烈，并且嚴(yán)重增加熔煉能耗及原材料成本。通過總結(jié)有效率與處理溫度的關(guān)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(zhì)點，我們認(rèn)為只有鱗石英才能作為石墨的形核質(zhì)點。由SiO2相變轉(zhuǎn)變圖可知，當(dāng)溫度高于1470℃時，呈現(xiàn)α-方石英形態(tài)， 在溫度1470℃時轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英，只有在此溫度以下，才具有石墨形核的質(zhì)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(yīng)位置的關(guān)鍵。當(dāng)球化線在靠近包底的位置開始反應(yīng)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(chǎn)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(shè)定。喂絲速度過快，喂絲線觸及包底之后折回，達(dá)不到在包底附近反應(yīng)的效果，而喂絲速度過慢，喂絲線在鐵液的中上部反應(yīng)，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(yīng)位置，喂絲線進(jìn)入鐵液應(yīng)與鐵液表面垂直。當(dāng)入射角不佳時（見圖3），喂絲線易觸及包壁，導(dǎo)致喂絲線折返嚴(yán)重甚至出現(xiàn)喂絲線在導(dǎo)向管管口集聚的設(shè)備故障。

圖3 不合理的入射角

3.3 包芯線的質(zhì)量穩(wěn)定

每個廠家應(yīng)根據(jù)自己的產(chǎn)品及工藝，結(jié)合喂絲線廠家的生產(chǎn)狀況確定自己的規(guī)格。規(guī)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(yán)格規(guī)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(zhì)的過程，而孕育處理是形核的過程。而實際的生產(chǎn)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(zhì)量的一個因素。生產(chǎn)過程中，孕育處理過程應(yīng)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(zhì)點，改善石墨球數(shù)量及大小。 除此之外，球化線的加入量也應(yīng)根據(jù)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(guān)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(huán)保、智能

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

相比于傳統(tǒng)制造，智能制造是眾多企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的趨勢。喂絲技術(shù)以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，輔助以電腦軟件控制，不僅實現(xiàn)了自動化控制，大大降低了工人的勞動強度，還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且適時存儲、匯總、整合數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程中的溫度、包芯線規(guī)格、喂絲線參數(shù)予以記錄保存。不僅如此，還可輔助以其他軟件，將化學(xué)成分等同時記錄存儲，從而形成產(chǎn)品的信息數(shù)據(jù)庫。通過整個過程的實施，實現(xiàn)了對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程、質(zhì)量管理甚至倉儲物流的監(jiān)控和管理，使生產(chǎn)過程向智能化升級。

5 結(jié)束語

喂絲球化技術(shù)是一種操作簡單、易于控制、環(huán)保的球墨鑄鐵處理工藝，眾多企業(yè)紛紛將喂絲技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)。筆者根據(jù)生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗，從喂絲技術(shù)的設(shè)備選用、生產(chǎn)過程控制、質(zhì)量控制的問題點和對策以及后續(xù)的智能升級進(jìn)行闡述，希望對廣大的鑄造工作者有一定的借鑒和幫助。