CN103212701A - 一种多层隔热保温型浇包及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层隔热保温型浇包及其使用方法，适用于复杂薄壁铝合金铸件的真空加压铸造工艺。通过先进的隔热层设置对热量进行逐层隔离和反射，最大限度减小铝液的降温，满足真空浇注前主要工艺步骤的有序进行，降低铝合金吸氢、烧损、夹渣及浇不足的几率。同时，该浇包预热快、激冷作用小、加工方便且使用寿命长。其与真空加压铸造工艺的结合，极大提高了复杂薄壁铝合金铸件的成形质量及稳定性，在航空航天、汽车船舶以及国防相关领域推广价值较大。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于铝合金熔体浇注的多层隔热保温型浇包及其在铸造过程中的使用方法，特别适合于大尺寸或镶嵌结构复杂薄壁铝铸件。
背景技术
在航空航天、武器装备、汽车、船舶等领域，随着轻量化、精益化的趋势日益明显，零部件逐步向着复杂、整构、薄壁、集成方向发展，而其中的两类铸件——大型复杂薄壁铝合金铸件和镶嵌结构复杂薄壁铸件获得越来越广泛的应用。大型复杂薄壁铝合金铸件由于具有轮廓尺寸大（最大1.5m左右）、薄壁（最薄2.5mm左右）等特点而很难实现完整充型，镶嵌结构复杂薄壁铸件尽管尺寸相对较小，但由于壁厚较薄且内嵌异质结构，浇注时异质结构（如钢质管架，预热300℃左右）相对铝液温度（720℃左右）较低，同样容易出现浇不足现象。
真空加压铸造工艺通过真空条件下浇注、加压条件下凝固能够大幅提高铝液的充型能力，目前已在多种产品上实现应用。以150kg的浇包为例，通常从铝液熔炼结束并转入浇包、到将浇包吊装入浇注机，再到封闭舱门抽真空至设定真空度（约-0.08~-0.095MPa），需要约1.5min~2.5min，如果真空泵等设备能力不足，时间可能会进一步延长。常常出现浇注温度已到但真空度未到的情况，如果等待真空度达标，则可能出现浇不足甚至未浇先凝现象。
上述情况下，要保证铝液温度满足浇注需要，必然要大大提高合金熔炼温度，而过高的熔炼温度将使铝熔体吸氢量、烧损率急剧增加，恶化铸件质量，不利于生产成本的降低。
要解决上述问题，必须控制铝液的熔炼温度，而其核心就是改善浇包的隔热保温效果，减小铝液降温。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种真空加压铸造条件下用于铝液浇注的多层隔热保温型浇包。
本发明的目的是这样实现的，一种真空加压铸造条件下用于铝液浇注的多层隔热保温型浇包，其特征在于包括以下三个组成部分：剖面为多层复合结构的主体浇包（1）、可通过齿轮传动实现浇包旋转浇注的转轴（2）以及可实现熔体顶部隔热保温的浇包盖（3）。
上述主体浇包（1）外形呈杯形，由外向内依次为：不锈钢外壁（4）、纤维棉隔热层（5）、复合隔热层（6）、不锈钢内壁（7），各层呈紧密贴合状态。其中，上述复合隔热层包括：铝箔-纤维布复合层（8）和不锈钢箔-纤维布复合层（9），由外向内依次包裹在不锈钢内壁（7）上。
上述铝箔-纤维布复合层（8）由不同层数的0.025mm厚单面光软性铝箔（10）与13×14玻璃纤维布（11）按照“ABAB”的交替方式直接热压复合而成，复合时确保铝箔光亮面均朝向浇包中心。
上述不锈钢箔-纤维布复合层（9）由不同层数的0.03mm厚不锈钢箔（12）与13×14玻璃纤维布（11）同样按照“ABAB”的交替方式热压复合而成。
上述转轴（2）通过焊接与主体浇包（1）外壁连为一体，沿浇包中心面对称分布，一端通过齿轮（13）与浇注机传动装置连接，另一端支撑辅助转动的轴承（14），浇包借助该转轴在浇注过程中实现0~120°的可控速转动，从而保证铝液的平稳充型。
所述浇包盖（3）由薄不锈钢板加工、组焊而成，与上述主体浇包（2）口部内、外形吻合，一侧开口方便浇注，中心为复合隔热层，与浇包内部复合隔热层（6）完全相同，不锈钢箔-纤维布复合层位于下侧，且需确保浇包盖安装后铝箔光亮面均朝向浇包中心。同时，浇包盖侧壁设置挂钩（15），与浇包口部外壁固定环（16）配合实现浇注过程中浇包盖的牢固覆盖。
依据浇包的容量大小，浇包复合隔热层等结构的主要参数选择见表1。
表1 不同规格浇包的主要结构参数选择
注：(1+1)代表单层铝箔（或不锈钢箔）+单层纤维布。
本发明的另一个目的在于提供一种上述浇包用于复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造工艺下铝液浇注的使用方法。
本发明的另一个目的是这样实现的，一种上述多层隔热保温型浇包用于复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造工艺下铝液浇注的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，熔炼铝合金，熔炼量不小于实际需要量的1.5倍，同时在150~250℃干燥箱内预热主体浇包及浇包盖，预热时间15~30min；
第二步，取出主体浇包及浇包盖，在主体浇包内壁及浇包盖下底面均匀喷涂铝合金通用隔热保温涂料（17），涂层厚度约0.3~0.5mm，喷涂结束放回干燥箱继续预热至150~250℃保温；
第三步，裁剪5×5玻璃纤维布，制作与主体浇包内壁形状吻合的纤维布内衬（18），并用耐热石棉绳缝合好，待用；
第四步，精炼铝液，精炼结束后控制铝液温度在浇注温度以上50~60℃保温；
第五步，取出主体浇包，将纤维布内衬置于主体浇包内并调整形状至与内壁随形，口部通过主体浇包外壁铁丝加以固定；
第六步，将铸型吊入浇注机内适宜位置，同时利用天然气喷枪预热纤维布及主体浇包内壁，并快速安装主体浇包至浇注机相应的位置；
第七步，将不小于实际需要量1.2倍的铝液从熔炼炉内快速转入主体浇包，取出浇包盖固定在主体浇包上；
第八步，关闭浇注机舱门，抽真空并完成浇注。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明浇包具有先进的隔热保温效果。不锈钢箔和单面光铝箔对热量起到了逐层反射作用，且反射回的热量又能补给铝熔体，单面光铝箔可有效减少热量的逆反射，而外部纤维棉隔热层则进一步隔绝了热辐射，总而最大限度降低了热量向浇包外壁的扩展。同时，各金属箔之间仅有约0.1mm厚的玻璃纤维布，空气被分为微小的网格盲腔，导致热量的区域对流作用小，热传递慢。复合隔热层对铝液热辐射的影响示意图见图。
不锈钢箔位于靠铝液一侧，该区域属于高温区，利用不锈钢耐热、耐蚀、抗氧化的优势，调整不锈钢箔-纤维布复合层的层数，可以较好的将铝箔控制在低温区域，避免铝箔高温氧化现象的发生，从而使浇包获得最佳的长效隔热保温效果。
上述隔热效果能够保证复杂薄壁铝合金铸件浇注前有充足的时间完成铝液转移、舱门封闭、抽真空等系列工序，降温≤50℃，也使熔炼温度不至于过高而增加吸氢量、烧损率及铸件夹渣几率，从而最终获得稳定、优质的铸件。
2、本发明浇包可实现快速预热，且激冷作用小。传统隔热浇包内嵌单一的耐火砖层或厚大石棉层，由于二者导热系数均较低，很难在较短时间内预热至指定温度；实体钢浇包尽管预热快，但散热也快，激冷作用过大。本发明浇包借助内外壁钢板及内部多层金属层的导热优势，可以实现快速预热，且由于不锈钢内壁薄以及纤维棉层和纤维布的存在，激冷作用较小。
3、本发明浇包制造工序方便简单，经济耐用。主体浇包/浇包盖内部玻璃纤维棉层及复合隔热层质地柔软，经简单裁剪后沿浇包内壁周边环绕、压实并用细钢丝或石棉绳固定，组装后焊合内外壁即可。相比传统浇包中隔热效果较好的真空壁浇包，制备更加简单，使用寿命更长。
4、本发明浇包使用方法通过内壁喷涂及添加纤维布内衬的方法，可有效隔离不锈钢内壁与铝液的直接接触，大幅减弱内壁的腐蚀损耗，延长浇包使用寿命。
浇注结束后剩余铝与纤维布结为一体，可直接取出，避免了繁琐的浇包清理过程。同时，纤维布使内壁涂层不易被破坏，无需每次熔炼喷涂一次。
浇包内壁喷涂及纤维布的使用，进一步起到了隔热保温作用，可实现：浇包内铝液780℃外壁表面温度≤60℃，手触不烫，见图6。
5、该浇包与真空加压铸造工艺的结合，极大提高了复杂薄壁铝合金铸件的成形质量及稳定性，大大节约了生产成本，有利于获得优质的Ⅰ类铸件，从而解决困扰铸造领域多年的难题，在航空航天、汽车船舶以及国防相关领域推广应用价值较大。
附图说明
图1为本发明浇包的整体结构示意图。
图2为本发明主体浇包的侧壁剖面图。
图3为本发明主体浇包的复合隔热层结构示意图。
图4为本发明主体浇包使用过程中的侧壁剖面示意图。
图5为本发明主体浇包复合隔热层对铝液热辐射的影响示意图。
图6为本发明浇包使用过程中的主体浇包壁内外温度分布曲线。
1. 主体浇包; 2. 转轴; 3.浇包盖; 4. 不锈钢外壁; 5. 纤维棉隔热层; 6. 复合隔热层; 7. 不锈钢内壁；8. 铝箔-纤维布复合层; 9. 不锈钢箔-纤维布复合层; 10. 单面光铝箔; 11. 玻璃纤维布; 12. 不锈钢箔13. 齿轮; 14. 轴承; 15. 挂钩; 16. 固定环；17. 隔热保温涂层; 18. 纤维布内衬。
具体实施方式
实施例，本实施例以某大型复杂薄壁铝合金箱体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：1026 mm（长）×575 mm（宽）×872mm（高），主体壁厚2.8mm，内腔有大量凸台、筋及隔板，材料：ZL114A，包括浇注系统在内共需100kg铝。铸造工艺选择石膏型真空加压铸造工艺，浇包选择本发明中100~150kg多层隔热保温型浇包。
第一步，熔炼150kg铝合金，同时在200℃干燥箱内预热主体浇包及浇包盖，预热时间30min；
第二步，取出主体浇包及浇包盖，在主体浇包内壁及浇包盖下底面均匀喷涂铝合金通用隔热保温涂料（17），涂层厚度约0.3~0.5mm，喷涂结束放回干燥箱继续预热至200℃保温；
第三步，裁剪5×5玻璃纤维布，制作与主体浇包内壁形状吻合的纤维布内衬（18），并用耐热石棉绳缝合好，待用；
第四步，精炼铝液，精炼结束后控制铝液温度在（770~780）℃保温；
第五步，取出主体浇包，将纤维布内衬置于主体浇包内并调整形状至与内壁随形，口部通过主体浇包外壁铁丝加以固定；
第六步，将300℃左右的石膏铸型从焙烧炉吊入浇注机内适宜位置，同时利用天然气喷枪预热纤维布及主体浇包内壁，并借助行车快速安装主体浇包至浇注机相应的位置；
第七步，将120kg铝液从熔炼炉内快速转入主体浇包，取出浇包盖固定在主体浇包上；
第八步，关闭浇注机舱门，抽真空至舱内气压-0.04~-0.06MPa，同时借助测温装置监测铝液温度，待降温至710~720℃即可开始浇注。
Claims (8)
1.一种多层隔热保温型浇包，其特征在于包括以下三个组成部分：剖面为多层复合结构的主体浇包（1）、可通过齿轮传动实现浇包旋转浇注的转轴（2）以及可实现熔体顶部隔热保温的浇包盖（3）。
2.如权利要求1所述的一种多层隔热保温型浇包，其特征在于：所述主体浇包（1）外形呈杯形，由外向内依次为：不锈钢外壁（4）、纤维棉隔热层（5）、复合隔热层（6）、不锈钢内壁（7），各层呈紧密贴合状态。
3.如权利要求1-2所述的一种多层隔热保温型浇包，其特征在于：所述复合隔热层（6）包括：铝箔-纤维布复合层（8）和不锈钢箔-纤维布复合层（9），由外向内依次包裹在不锈钢内壁（7）上。
4.如权利要求1-2所述的一种多层隔热保温型浇包，其特征在于：所述铝箔-纤维布复合层（8）由不同层数的0.025mm厚单面光软性铝箔（10）与13×14玻璃纤维布（11）按照“ABAB”的交替方式直接热压复合而成，复合时确保铝箔光亮面均朝向浇包中心。
5.如权利要求3-4所述的一种多层隔热保温型浇包，其特征在于：所述不锈钢箔-纤维布复合层（9）由不同层数的0.03mm厚不锈钢箔（12）与13×14玻璃纤维布（11）同样按照“ABAB”的交替方式热压复合而成。
6.如权利要求1所述的一种多层隔热保温型浇包，其特征在于：优选地，所述转轴（2）通过焊接与主体浇包（1）外壁连为一体，沿浇包中心面对称分布，一端通过齿轮（13）与浇注机传动装置连接，另一端支撑辅助转动的轴承（14），浇包借助该转轴在浇注过程中实现0~120°的可控速转动，从而保证铝液的平稳充型。
7.如权利要求1所述的一种多层隔热保温型浇包，所述浇包盖（3）由薄不锈钢板加工、组焊而成，与上述主体浇包（2）口部内、外形吻合，一侧开口方便浇注，中心为复合隔热层，与浇包内部复合隔热层（6）完全相同，不锈钢箔-纤维布复合层位于下侧，且需确保浇包盖安装后铝箔光亮面均朝向浇包中心，
同时，浇包盖侧壁设置挂钩（15），与浇包口部外壁固定环（16）配合实现浇注过程中浇包盖的牢固覆盖。
8.一种如权利要求1-7所述多层隔热保温型浇包用于复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造工艺下铝液浇注的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，熔炼铝合金，熔炼量不小于实际需要量的1.5倍，同时在150~250℃干燥箱内预热主体浇包及浇包盖，预热时间15~30min；
第二步，取出主体浇包及浇包盖，在主体浇包内壁及浇包盖下底面均匀喷涂铝合金通用隔热保温涂料（17），涂层厚度约0.3~0.5mm，喷涂结束放回干燥箱继续预热至150~250℃保温；
第三步，裁剪5×5玻璃纤维布，制作与主体浇包内壁形状吻合的纤维布内衬（18），并用耐热石棉绳缝合好，待用；
第四步，精炼铝液，精炼结束后控制铝液温度在浇注温度以上50~60℃保温；
第五步，取出主体浇包，将纤维布内衬置于主体浇包内并调整形状至与内壁随形，口部通过主体浇包外壁铁丝加以固定；
第六步，将铸型吊入浇注机内适宜位置，同时利用天然气喷枪预热纤维布及主体浇包内壁，并快速安装主体浇包至浇注机相应的位置；
第七步，将不小于实际需要量1.2倍的铝液从熔炼炉内快速转入主体浇包，取出浇包盖固定在主体浇包上；
第八步，关闭浇注机舱门，抽真空并完成浇注。
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