材料成形装备及自动化-教学课件-ppt-作者-樊自田-第2章(1)

材料成形装备及自动化精品课程第2讲铸造产品实例-汽车铸件（1）液态金属成形俗称“铸造”，它是机械工业的基础.（2）先进的铸造装备是生产高质量铸件的保障（3）分类：（表2-1，重点读一读）a.可分为“重力作用下的铸造成形”和“非重力作用下的铸造成形”。b.也可分为“砂型铸造”（占80~90%）和“特种铸造”。1）砂型铸造（根据粘结剂不同）通常可分为粘土砂型铸造、树脂砂型铸造、水玻璃砂型铸造、覆膜砂型（壳型）铸造等；2）特种铸造通常是指所有的非砂型铸造，包括：压力铸造、离心铸造、低压铸造、金属型铸造、熔模铸造、挤压铸造等等。3）消失模铸造目前通常被归纳为特种铸造，但按其工艺性质和过程特点更应归纳为砂型铸造。第2章金属液态成形装备及自动化2.1概述(4)铸造设备的分类1）熔化、浇注装备：冲天炉熔化装备、电炉熔化装备、浇注设备2）砂型铸造装备：砂处理装备、造型装备、制芯装备、落砂装备、清理装备3）特种铸造装备：压铸机、熔模铸造装备、低压铸造机、离心铸造机等第2章金属液态成形装备及自动化2.1概述4）运输定量装备：铸型输送机、鳞板输送机、振动输送机、气力输送装置、给料设备、定量设备5）检测与控制装备：冲天炉熔炼检测与控制设备、炉前快速分析与检验设备、型砂性能试验设备、铸件无损探伤设备6）环保装备：除尘设备、噪声防治设备、污水净化设备7）其它附属装备材料准备设备、起重运输设备、远红外烘干炉第2章金属液态成形装备及自动化2.1概述浇注工部熔化工部造型工部落砂工部自动造型生产线冲天炉工频炉精品课程（6）本章的主要内容（共分5讲）介绍液态成形工艺过程中的主要装备及其自动化。具体内容包括：砂型铸造1）熔化、浇注装备及控制--获得高质量金属液、将金属液浇入铸型（不同金属，有哪些熔化炉？）2）砂处理装备及自动检测系统--砂型铸造中，获得高性能型砂（作用是什么？）3）造型（制芯）设备及自动化生产线--砂型铸造中，获得高性能型（芯）（有哪些主要方法？）4）铸件落砂与清理装备及自动化--砂型铸造中，铸件与铸型分离、铸件清理（常用设备及方法）特种铸造5）压力铸造装备及自动化--金属型，也可有砂芯及砂处理，高速、高压6）低压铸造装备及自动化--金属型，也可有砂芯及处理，反重力、低压（压缩空气）7）消失模精密铸造装备及生产线--散砂造型，有砂处理系统，泡沫模样8）半固态成形装备及生产线--金属型，金属液温度在固－液之间（比较四种特种铸造与砂型铸造的区别？）///第2章金属液态成形装备及自动化2.1概述2.2金属熔化及浇注装备熔化是金属液态成形的首要环节，其任务是提供高质量的金属液体。根据合金材料可选择不同的金属熔化方法：1）铸铁合金广泛采用冲天炉熔化2）铸钢常用电弧炉或感应电炉熔炼3）铝合金常用电阻炉或油气炉熔化等金属熔化装备一般应包括三大部分：熔化炉、辅助装备（如配料加料装备等）、浇注装备。本节内容：铁合金熔化用冲天炉、感应电炉熔炼装备及其自动化、自动浇注装备及其应用。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化（1）冲天炉结构（炉内热风冲天炉）它由炉底、炉体和炉顶三部分组成。炉底起支撑作用，炉体是冲天炉的主要工作区域，炉顶排出炉气。第2章金属液态成形装备及自动化炉顶部分烟囱高度炉体炉底有效高度炉缸进风除尘器烟囱进风口出渣口出铁口炉底板支柱加料口冲天炉的熔化过程空气经鼓风机升压后送入风箱；然后由各风口进入炉内，与底焦层中的焦炭发生燃烧反应，生成大量的热量和CO、CO2等气体高温炉气向上流动，使底焦面上的第一批金属炉料熔化。熔化后的液滴在下落过程中被进一步加热，温度上升（达1500℃以上）。高温液体汇集后由出铁口放出；而炉渣则由出渣口排出。冲天炉常用于铸铁的熔化。焦炭在炼铁中的作用：1.提供热源C+O2=CO2+能量2.还原剂CO2+C=CO3CO+Fe2O3=2Fe(产品)+3CO23.焦炭强度高，做骨架作用，支撑铁矿在火中燃烧。第2章金属液态成形装备及自动化冲天炉熔化时原材料包括：生铁、回炉料（废铸件等）、焦炭、石灰石、硅铁、锰铁等石灰石的作用：总的来说，石灰石有造渣、调节炉渣成分的作用。生铁中，含有氧化物SiO2等，其熔点很高，不可能在高炉中熔化，一般它们在高炉中反应生成一些非常粘稠的物质，造成渣铁不分，难以流动。石灰石中含有CaO、MgO能与SiO2，反应生成CaSiO3、MgSiO3，其在高炉中足以熔化形成流动性良好的炉渣（固态），同时按密度与铁水分开（铁水相对密度6.8~7.8，炉渣2.8~3.0）达到渣铁分离流畅，高炉正常生产的目的。此外，石灰石可以脱硫，调节炉渣碱度。第2章金属液态成形装备及自动化2）热风冲天炉（炉外热风冲天炉）热风冲天炉：为提高炉内空气的燃烧效率，将空气加热后再送入冲天炉内。其结构图见下页。特点：1）一个热风装置配两台冲天炉；2）设置有金属热交换器，由燃烧塔4和交换器5组成。3）燃烧塔设有火焰稳定装置和冷却装置。4）热风温度稳定、波动小。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化1-排风口2-冲天炉3-进风管4-燃烧塔5-热交换塔6-电磁阀7-冷却塔8-除尘器9-抽风机10、13-冷却风机11-主风机12-燃烧用风机加配料系统除尘系统熔化系统第2章冲天炉系统及其辅助设备（2）称量配料装置焦炭和石灰石等常用电子磅秤直接称量，振动给料机输送；金属料则采用电磁秤配料。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化电磁吸盘：是在铸钢的钟盖内设有电磁线圈，下面用锰钢的非磁性底板盖住。电磁盘的吸力与线圈的电流、匝数及被吸材料的性质和块度有关。电子秤的基本原理：是利用荷重传感器因载荷变化而产生的应变信号大小来计算出载重量。控制部分：为计算机控制，可根据前一次的称量误差在下一次称料时预予自动补偿。（3）加料装置：常见的爬式加料机结构简图2-4（4）冲天炉熔化的自动化系统1）影响因素金属炉料焦炭鼓风炉渣成分送风压力炉气成分、温度控制因素温度成分熔化速度铁液炉内尺寸风量、含氧量金属损耗金属、炉料输出变量外界干扰因素监测参数高温优质低耗第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化2）冲天炉熔化自动化控制的要求必须对影响冲天炉熔炼效果的因素及指标实施实时监控，并进行实时调整。必须是全面达到高温、优质、低消耗三项技术经济指标，即铁水化学成分准确稳定、铁水温度达到要求，同时又要是冲天炉在最佳工作状态下运行，即焦炭燃烧效率高而消耗低，元素烧损少，生产率稳定。影响熔炼过程的因素很多，包括冶金因素（原材料来源、配比、预处理以及化学成分波动）、炉子结构因素（风口、焦铁比、铁料块度、焦炭质量及鼓风温度等）。所谓冲天炉熔化过程的控制，是在一定炉子结构，以一定的原材料及其配比条件下，调节各种工艺因素，以达到铁水化学成分及温度的基本要求，并且保证炉子在最佳状态下工作。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化3）冲天炉多参数监视和控制系统方案同时输入9个模拟量炉气成分、炉气温度、热风温度、铁水温度、风量、送风湿度、铁水成分、风压及铁水重量4路输出控制图2－7冲天炉熔炼过程监控系统方案图第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化4路输出控制：1）由测定的铁水温度值与给定的铁水温度进行比较，当温度出现偏差时，输出通道输出开关量信号开大供氧气路，以此控制铁水温度；2）通过测定炉气成分控制送风量；3）通过测定送风湿度控制干燥器的功率，以此来控制送风湿度；4）通过热分析法测定铁水的及含量及铁水重量与给定的铁水成分比较，根据比较偏差，按铁水重量计算出炉前应补加的硅铁量。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.1冲天炉熔化2.2.2电炉熔化2.2.2电炉熔化铁合金常用的熔化电炉，有：三相交流电弧炉、感应电炉、电阻炉（不讲）。（1）三相交流电弧炉电弧炉结构图：1-支腿;2-炉体;3-炉盖;4-除尘;5-电极;6-炉盖开启旋转机构;7-电缆;8-变压器原理：利用电极和炉料之间产生高温电弧使金属料熔化。一般用碳素电极或石墨电极。电弧发生在电极与被熔炼的炉料之间，炉料受电弧直接加热。电弧长度靠电极升降调节。为提高熔炼质量，大型电弧炉在炉底装有电磁搅拌器，驱使炉内熔螎金属沿一定方向循环。50吨以上的电弧炉常装有炉体回转机构，炉体能左右旋转一定角度，使炉料受热均匀，金属液出炉时炉体可以倾斜。三相电弧炉广泛用于炼钢。第2章金属液态成形装备及自动化第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化2.2.2电炉熔化(2)坩埚感应电炉利用电磁感应原理熔化金属的工业炉。感应炉采用的交流电源有工频(50或60赫)、中频(60～10000赫)和高频（高于10000赫）3种。感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化有芯感应炉（图1）有铁芯穿过感应器，如同一个带铁芯的变压器，用工频电源供电。有芯感应炉主要用于各种铸铁、黄铜、青铜、锌等金属的连续熔炼和保温，电效率达90％以上，能利用废炉料，溶炼成本低，最大炉容达270吨。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化无芯感应炉（图2）无铁芯穿过感应器。无芯感应炉又有多种类型。①.工频感应炉：它由50或60赫电源供电，最大炉容达100吨。②.三倍频感应炉：它由150或180赫三倍频发生器供电，最大炉容达20吨。工频和三倍频感应炉主要用于各种铸铁和铜合金等大容量的金属熔炼和保温，也可用于钢水的精炼和保温。③.发电机组中频感应炉：由500～10000赫发电机组供电。④.可控硅中频感应炉：由500～10000赫可控硅变频器供电，最大炉容达20吨。后两种中频感应炉主要用于中、小容量碳素钢、合金钢、铸铁、铜、锌等金属熔炼。⑤.高频感应炉：采用电子管式30000～300000赫的高频发生器供电，主要用于50千克以下的小容量特殊金属的熔炼，也是实验室的一种熔炼设备。第2章金属液态成形装备及自动化无芯坩埚式感应电炉感应炉断面结构图：1-出水口；2-炉盖；3-作业面板；4-冷却水；5-感应线圈粘接剂；6-炉体；7-铁芯；8-感应线圈；9-耐火材料；10-金属液；11-耐火砖；12-倾转油缸；13-支架第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化电炉熔化保温、浇包浇注（3）感应炉熔炼的集中控制式自动化系统第2章金属液态成形装备及自动化2.2.2电炉熔化集中控制式自动化系统的优点1）运行优化，节能省电；2）熔液出炉温度偏差小，质量稳定；3）可防止升温过高，安全可靠；4）自动化程度高，不会因操作者的不同而引起熔液质量的波动5）熔化效率提高；6）炉衬的使用寿命长；7）改善劳动环境。为确保安全自动运行，本系统还设有安全自动监视装置、耐火砖损耗检测装置及物料搭棚状况检测装置。（1）自动浇注机的类型及特点基本功能包括：浇注时的定位与同步、浇注流量控制、浇注速度控制、金属液补充及保温、安全保护等。国内外常用的自动浇注机主要有：电磁泵式浇注机、气压包式浇注机、倾转式浇注机等。第2章金属液态成形装备及自动化2.2.3自动浇注装备（2）电磁泵的工作原理及电磁泵式自动浇注机1）电磁泵的原理：通入电流的导电流体在磁场中受到洛仑兹力的作用，使其定向移动，如图2-11所示。2）电磁泵的主要技术性能指标－压头(ΔＰ)间存在如下关系:ΔＰ是压头；Jx是垂直于磁感应强度和金属液体流动方向上的电流密度；By是垂直于电流和金属液体流动方向上的磁感应强度，Ｌ是处于磁隙间的金属液体长度。图2-11电磁泵工作原理第2章金属液态成形装备及自动化2.2.3自动浇注装备3）电磁泵自动浇注机的结构由电磁泵和浇注流槽组成。电磁泵的效率通常很低，如何提高电磁泵的效率,对于电磁泵的推广应用是一个十分重要的课题。电磁泵的效率受诸多因素的影响，泵体流槽结构、直流电极是关键结构因素。优点是：容易调节浇注速度和浇注量；容易实现自动化；此外电磁力对熔渣不起作用，因