材料成形装备及自动化：第二章??金属液态成形装备及自动化

1、EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 1目 录第一章 绪 论（2学时） 第二章 金属液态成形装备及自动化（10学时） 第三章 金属塑性成形装备及自动化（8学时） 第四章 金属连接成形装备及自动化（10学时） 第五章 高分子材料成形设备及自动化（2学时） 第六章 快速成形装备及控制（8学时）第七章 其它材料成形装备（2学时）第八章 热处理工业炉及其控制（2学时）第九章 材料加工中的环境保护装备（2学时）总结复习（2学时） EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 2第二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2.3 造型设备及自动化生产线2.4

2、 砂处理装备及自动检测系统2.5 铸件清理自动化2.6 压力铸造装备及自动化2.7 消失模精密铸造装备及生产线2.8 半固态成形装备EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 3铸造产品实例-汽车铸件EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 4铸造产品实例-电子电器EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 5铸造产品实例EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 62.1 概述液态金属成形俗称铸造，它是机械工业的基础，铸造成形的零件俗称铸件先进的铸造装备是生产高质量铸件的保障EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 7砂型铸造车间流程图E

3、AMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 8砂型铸造车间流程示意图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EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 9铸造设备的分类(1/3)序号铸造装备的分类主 要 装 备 名 称作 用 1熔化及浇注装备冲天炉熔化装备冲天炉、鼓风机、配料设备、加料设备铸铁（灰铁、球铁）的配料、加料及熔化 电炉熔化装备 电弧熔、感应电炉、电阻炉 各种金属炉料（钢、铁、铝）的熔化 浇注设备倾转式浇注机、气压式浇机、电磁浇注机 金属液的浇注 2砂型铸造装备 砂处理装备混砂机、松砂机、破碎机、筛分设备、旧砂再生机、烘干设备、旧砂冷却设备、磁分离

4、设备型砂、芯砂的混制与准备，旧砂的再生回用等造型装备震实造型机、压实造型机、震压实造型机、射压造型机、气流冲击造型机、静压造型机型砂、芯砂的紧实与造型制芯装备热芯盒射芯机、冷芯盒射芯机、壳芯机砂芯的制造、成形落砂装备振动落砂机、滚筒落砂机、振动输送落砂机、风动落砂机落砂、铸件与铸型的分离清理装备清理滚筒、喷丸清理、抛丸清理、抛喷丸联合清理、水力清砂设备、电液压清砂设备铸件表面清理EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 10铸造设备的分类(2/3)序号铸造装备的分类主 要 装 备 名 称作 用 3特种铸造装备压铸机冷室压铸机、热室压铸机、定量浇注机、取件机械手压力铸造成形熔模铸造装

5、备蜡料处理设备、制模设备、制壳设备、脱蜡设备、模壳焙烧设备熔模铸造成形低压铸造机立式低压铸造机、卧式低压铸造机、液面加压控制装置低压铸造成形离心铸造机卧式离心铸造机、离心铸管机离心铸造成形4运输定量装备 铸型输送机 连续式铸型输送机、脉动式铸型输送机、间歇式铸型输送机 铸型的输送，组成造型、浇注、冷却、落砂等工序的生产线 鳞板输送机Y31型鳞板输送机、BLT型鳞板输送机输送热铸件振动输送机矩形槽式振动输送机、管式振动输送机、螺旋槽式振动输送机输送砂粒、煤粉、粘土、焦碳等材料气力输送装置压送式气力输送装置、脉冲压送式气力输送装置、吸送式气力输送装置输送砂粒、煤粉、粘土等材料给料设备圆盘给料、螺旋

6、给料、带式给料、振动给料旧砂、型砂的定量给料定量设备容积法定量、称量法定量旧砂、型砂、焦碳、煤粉、粘土等材料的称量EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 11铸造设备的分类(3/3)序号铸造装备的分类主 要 装 备 名 称作 用 5检测与控制装备 冲天炉熔炼检测与控制设备风量检测仪、风压检测、炉气成分检测仪、铁液温度及成分检测仪、料位测量仪等冲天炉熔炼过程工艺参数的检测与控制炉前快速分析与检验设备比色计、光谱仪、碳硫测定仪、金属中含气量测定仪用于金属液的化学成份、碳硫含量、气体含量的测定型砂性能试验设备原砂性能测试设备、型砂常温性能测试设备、型砂高温性能测试设备型砂的常温及高温性

7、能的测试铸件无损探伤设备超声波探伤设备、射线探伤设备、磁粉探伤、渗透探伤设备铸件内部质量的无损检测6环保装备 除尘设备袋式除尘器、旋风除尘器、湿式除尘器灰尘及微粒的去除设备噪声防治设备消声器、隔声防噪噪声的降低与防治污水净化设备沉淀池、污水处理器污水净化与处理7其它附属装备材料准备设备锭料断裂机、搅拌机、球磨机、破碎机金属锭料的准备、涂料的准备、旧砂的破碎等起重运输设备电动平车、行车、起重机、悬挂抓斗物料的运输、抓取等远红外烘干炉电热远红外烘干炉型、芯的烘干EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 122.2 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

8、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 金属的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。 本节的内容：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。 EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 13送风O2+C=CO、CO2底焦熔化：1500，预热：400，出铁水排渣废气排出加料（石灰石-金属炉料-层焦）换热2.2.1 冲天炉熔化风口废气排出出水1、冲天炉熔化原理EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院

9、142、冲天炉的结构 一个完整的冲天炉由后炉、前炉和送风系统三部分组成。后炉炉底 由炉基，炉腿，炉底板及炉底门组成，起支撑炉体、炉顶和炉料的作用炉体 由炉底，炉缸和炉身组成，是冲天炉的熔炼部分炉顶 由烟囱和除尘器组成，起排除炉气和收集灰尘的作用前炉 由过桥和前炉炉体组成，起存储铁水，均匀成分和温度，减少增碳、增硫及使渣铁分离的作用送风系统 由风管、风箱和风口组成，起向炉内均匀平稳送风的作用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EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 153、冲天炉结构分类分 类说 明应 用按炉型分直线炉膛炉膛内经上下

10、一致多数冲天炉用之曲线炉膛炉膛内经上下有变化，一般是卡腰状，灯罩状或倒立花瓶状需强化燃烧或控制熔化率时按供风方式分侧 送 风风由炉膛侧壁送入炉内多数冲天炉用之中央送风风由炉心风嘴向四周呈放射状送风当焦炭质量差，块度小时混合送风中央送风与侧送风相结合的送风中大型冲天炉为改善中心燃烧并保证炉况顺行时按风温分冷 风常温空气直接送入炉内焦炭质量高或铸件质量要求一般热 风空气经预热后送入炉内。有炉胆热风和炉外热风之分为提高冲天炉的冶金效果或焦炭质量不高时按炉衬性质分酸 性用酸性耐火材料，如石英砂，耐火泥作炉衬绝大多数冲天炉用之碱 性用碱性耐火材料，如石灰石，白云石，镁砂作炉衬当需炉内脱硫时中 性用碳素砖

11、作炉衬或采用水冷无炉衬，后者靠炉壁的釉状凝渣起保护作用大型连续开炉的冲天炉用EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 16(1) 炉胆热风冲天炉结构特点： 换热结构是由放置在预热带的炉胆换热器和置于加料口上的管式换热器组合而成。它充分利用了炉气中的物理热和化学热，热风温度可达400以上，是熔炼可锻铸铁最理想的炉型。它的炉胆换热器结构特殊，热效率高，管式换热器是用优质锅炉管由特殊工艺弯制而成，无焊缝，寿命长。 炉顶部分炉 体炉底热风进口冷风进口EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 17炉胆换热器图进风口换热器热风管炉气EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学

12、院 18高效管式换热器EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 19(2) 炉外热风冲天炉特 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。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EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 20(3) 水冷壁无炉衬冲天炉主要结构特点：炉壁由耐热钢制造，无炉衬，设置喷水管；耗水量大；无盖式炉顶；水冷铜制风嘴，热风为外热式，空气预热500-6

13、00 C主要使用特点：用于大型流水作业，5-50t/h；连续工作15周，用于各种铸铁熔炼。EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 214、影响冲天炉热效率的结构因素（1）冲天炉的炉膛形状曲线形炉膛的优点： a 提高送风强度；b 改善炉中心的燃烧；c 提高熔化率EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 22卡腰冲天炉炉温高元素烧损少焦耗低能使用劣质焦炭EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 23(2) 冲天炉风口的面积风口面积 f = 主风口面积 + 辅助风口面积风口区炉膛面积：A 小风口： f /A=36% 大风口： f /A=1525%61714107

14、.541214761015.588高温区EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 24(3) 冲天炉的风口设置风口形状风口角度多排小风口多为圆形：风量小、送风均匀单排大风口多为矩形：风量大，送风均匀V2V1VV2V1VV2： 气流上升速度V1：送风速度V：风的实际速度V：风的实际速度水平推进，直指炉中心，削弱炉壁效应，有利于铁水过热V：风的实际速度偏上，导致炉壁效应，不利于铁水过热V：风的实际速度偏上，导致炉壁效应，加剧炉壁的侵蚀，造成中心燃烧“死区”：最好的结构是向下倾斜310，卡腰炉可达到3045EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 255、冲天炉系统及其辅助设

15、备加配料系统除尘系统熔化系统EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 26(1) 加料装置概述EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 27(2) 称量配料装置 炉料主要包括金属料（生铁、回炉料、废钢等）、焦炭和石灰石等。 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。底盘为锰钢。17823459电磁秤的结构原理 主要有电子秤、电磁吸盘及控制部分组成。1-控制屏2-小车卷扬机构3-荷重传感器4-电磁吸盘5-万向挂钩6-滑轮卷电缆装置7-电子称8-驾驶室9-行车EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 28(3) 冲天炉熔化的自动

16、化控制系统1) 影响因素金属炉料焦 炭鼓 风温 度成 分熔化速度铁液炉内尺寸风量、含氧量金属损耗金属、炉料炉渣成分风量、风压炉气成分、温度控制因素输出变量外界干扰因素监测 参数高温优质低耗EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 292）冲天炉熔化自动化控制的要求 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

17、）、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。EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 303) 冲天炉多参数监视和控制系统方案输入9个模拟量 炉气成分 炉气温度 热风温度 铁水温度 风量 风压 送风湿度 铁水成分 铁水重量3路输出控制 风量 空气湿度 风口面积（风压）EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 314) 实例1：冲天炉风量控制系统EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料

18、学院 32 实例2：冲天炉自动控制系统 EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 332.2.2 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。 这些炉子特别适用于熔化黑色金属（从钢到铸铁）来生产高质量的，在设定浇注温度最接近设定化学成分的合金。它们也能用来熔化有色金属（如铝）和重金属（如青铜，铜和黄铜）。在一些应用中，它们也可以起到贮存和处理的双重操作功用。EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 341. 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60Hz)、中频(6010KHz)和高频（高于10KHz）

19、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。EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 35(1) 感应电炉分类工频感应炉：它由50或60Hz电源供电，最大炉容达100吨。三倍频感应炉：它由150或180Hz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发电机组中频感应炉：由0.510KHz发电机组供电。可控硅中频感应炉：由0.510KHz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、小容量的碳素钢、合金钢、铸铁、铜、锌等金属的熔炼。高频感应炉： 采用电子管式3030

20、0KHz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。EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 36(2) 无芯坩埚式感应电炉断面结构图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EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 37(3) 感应熔化的优点高效，这是因为直接的能量转化，通过内部的热量传递对炉料进行加热（潜热） 温度控制准确高质量的冶金，灰铁和球墨铸铁，以及铁合金。由于熔池内铁液电、气、力学运动

21、从而具有快速准确的分析调节无炉渣的清洁铸件，无尘熔化在环境污染方面投资最小工作条件的切实改进基于已知的成本可以更好的有计划利用电能石墨加入的效率可达80，为了增加碳含量可以在合适的时间加入焦炭通过低成本的废钢或切屑，可达100%的将钢转化为铸铁在同一天可以生产几种类型的铸铁，这可以通过清空炉子并用冷装料重新开始EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 38(4) 感应炉熔炼的集中控制式自动化系统EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 392.2.3 自动浇注装备（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

22、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。 EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 40(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，如图所示。2）电磁泵的主要技术性能指标压头()间存在如下关系: 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，是处于磁隙间的金属液体长度。电磁泵工作原理EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院 413) 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