CN113414375B - 一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置及方法。该电磁低压铸造装置，包括板栅铸模和设置于板栅铸模底部的保温炉，所述板栅铸模的模腔与保温炉之间通过升液管连通，所述升液管的底部位于所述保温炉内的铅熔液液面以下，还包括将所述保温炉内的铅熔液经所述升液管压入所述模腔内的加压系统以及对所述模腔内的铅熔液施加电磁场的磁场发生装置。本发明考虑在板栅的低压铸造过程中施加电磁场，通过电磁场的晶粒细化作用和偏析减轻作用进一步提高板栅的耐蚀能力。
Description
技术领域
本发明属于铅酸电池板栅制备技术领域，尤其涉及一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置及方法。
背景技术
板栅是铅酸蓄电池主要组成部件，是电极的集电骨架，起传导、汇集电流并使电流分布均匀的作用，同时对活性物质起支撑作用，是活性物质的载体。由于栅板的外形和尺寸特征，同时考虑到生产成本，目前大部分的板栅采用普通水冷金属模铸造进行生产。该工艺将铅熔体简单浇到开放式水冷金属模具的沟槽内，在没有铅熔体补缩的条件下完成凝固。该工艺较为简单，生产效率较高(≤16片/min)，但由于板栅凝固过程中补缩严重不足，导致板栅上下表层一定厚度范围内存在严重的缩松缩孔缺陷，有些缩松缩孔延伸至板栅表面，形成类似表面显微裂纹的缺陷。另外，由于合金元素的存在，导致凝固组织中存在较为严重的显微偏析及化合物夹杂。上述凝固缺陷都会导致板栅的耐蚀性下降，从而严重影响铅酸电池的使用寿命。因此，必须改进铅酸板栅的铸造方法，提高其凝固过程中的补缩能力。另一方面，需采取措施减轻和消除板栅中的偏析现象。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置及方法。本发明利用低压铸造补缩能力强、充型过程平稳、充型压力和充型速度便于控制、铸造过程卷气倾向小的优势，生产出内部结晶组织优良、无铸造缺陷的板栅，同时利用电磁震荡力细化枝晶、减轻偏析的作用进一步优化板栅的结晶组织，提高其耐蚀性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置，包括板栅铸模和设置于板栅铸模底部的保温炉，所述板栅铸模的模腔与保温炉之间通过升液管连通，所述升液管的底部位于所述保温炉内的铅熔液液面以下，还包括将所述保温炉内的铅熔液经所述升液管压入所述模腔内的加压系统以及对所述模腔内的铅熔液施加电磁场的磁场发生装置。
具体的，所述保温炉为密闭容器，所述加压系统包括加压管和压力气源，所述加压管的一端与所述压力气源连通，另一端与所述保温炉上位于所述铅熔液液面上方的压缩气体进口连通。
具体的，所述压力气源为空气。
具体的，还包括脉冲电源，所述脉冲电源的一个电极与所述保温炉内的铅熔液接触，另一个电极与所述板栅铸模接触。
具体的，脉冲电源频率为10～50Hz，峰值电流密度为0.1～0.5A/mm2，占空比为10～20％
具体的，所述磁场发生装置包括至少一个稳恒磁场线圈，所述稳恒磁场线圈施加流电后产生稳恒磁场，所述模腔位于所述稳恒磁场中。
具体的，所述稳恒磁场线圈的数量为四个，分别布置在所述板栅铸模的四周。
具体的，所述稳恒磁场的磁场强度为30～100mT，磁场方向为水平方向。
具体的，还包括对所述板栅铸模进行预热的预热装置，所述板栅铸模上还设有对模腔进行冷却的冷却流道。
一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，包括如下步骤：
步骤1、将铅熔液置入保温炉内后；
步骤2、开启加压系统，利用加压系统对铅熔液进行充型加压，使铅熔液按照设定充型速度充型，同时开启磁场发生装置对充型的铅熔液施加电磁场；
步骤3、到达设定充型时间后，对铅熔液进行保压，使铅熔液按照设定保压压力和设定保压时间进行保压；
步骤4、到达保压时间后，对铅熔液进行泄压，使不参与充型的铅熔液泄压回流；
步骤5、对参与充型的铅熔液进行冷却凝固，形成铸件。
原理及优势
本发明利用低压铸造补缩能力强、充型过程平稳、充型压力和充型速度便于控制、铸造过程卷气倾向小的优势，生产出内部结晶组织优良、无铸造缺陷的板栅。同时利用电磁力细化枝晶、减轻偏析的作用进一步优化板栅的结晶组织，提高其耐蚀性。
采用上述装置及工艺方法生产的铅酸电池板栅与普通水冷模生产的板栅相比，缩松缩孔缺陷消失，微观偏析显著减轻，组织中未发现明显的黑色偏析相。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的电磁低压铸造装置结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的板栅铸模结构示意图；
其中：1、板栅铸模；101、底板；102、顶板；103、侧板；104、中间板；2、保温炉；3、升液管；4、加压系统；5、磁场发生装置；6、压缩气体进口；7、脉冲电源；8、电阻预热箱；9、电极；10、进液口；11、排气孔；12、测温热电偶；13、循环冷却水系统；14、模腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1，一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造装置，包括板栅铸模1和设置于板栅铸模1底部的保温炉2，板栅铸模1的模腔14与保温炉2之间通过升液管3连通，升液管3的底部位于保温炉2内的铅熔液液面以下，该电磁低压铸造装置还包括将保温炉2内的铅熔液经升液管3压入模腔内的加压系统4以及对模腔内的铅熔液施加电磁场的磁场发生装置5。
本实施例利用低压铸造补缩能力强、充型过程平稳、充型压力和充型速度便于控制、铸造过程卷气倾向小的优势，生产出内部结晶组织优良、无铸造缺陷的板栅。同时利用电磁力细化枝晶、减轻偏析的作用进一步优化板栅的结晶组织，提高其耐蚀性。
在一些实施例中，保温炉2为密闭容器，加压系统4包括加压管和压力气源，加压管的一端与压力气源连通，另一端与保温炉2上位于铅熔液液面上方的压缩气体进口6连通；其中，压力气源为空气。
本实施例中，通过压缩气体进口6向保温炉2内通过压力气体，使得保温炉2内铅熔液液面上方的气压大于板栅铸模1内的气压，通过气压差的作用将符合温度要求的液态铅熔液注入板栅铸模1内，压力气源采用空气，成本低，而且铅熔液在空气中迅速氧化，表面会形成一层氧化铅薄膜，保持内层不再氧化。
在一些实施例中，该电磁低压铸造装置还包括脉冲电源7，脉冲电源7的一个电极9与保温炉2内的铅熔液接触，另一个电极9与板栅铸模1接触，磁场发生装置5包括至少一个稳恒磁场线圈，稳恒磁场线圈施加流电后产生稳恒磁场，模腔位于稳恒磁场中。本实施例中，通过使铸坯置于电磁场中，同时向铸坯通入脉冲电流，使该电流与磁场相互作用，在铸坯内产生振荡波动，从而打碎枝晶，进一步细化晶粒。
具体的，脉冲电源7频率为10～50Hz，峰值电流密度为0.1～0.5A/mm2，占空比为10～20％，稳恒磁场线圈的数量为四个，分别布置在板栅铸模1的四周，稳恒磁场的磁场强度为30～100mT，磁场方向为水平方向。磁场方向与线圈中电流方向有关，四个线圈中的电流方向应该能保证整个水平方向上的磁场方向一致，避免由于电流方向设置不对导致的磁场强度相互抵消的现象。
在一些实施例中，该电磁低压铸造装置还包括对板栅铸模1进行预热的预热装置，预热装置可以采用电阻预热箱8，板栅铸模1整体置入电阻预热箱8内，由于板栅模腔尺寸较小，很容易发生铅熔体提前凝固而造成冷隔缺陷，通过在充型前对板栅铸模1进行预热，可以防止出现提前凝固现象。但预热温度也不能过高，防止在泄压后出现局部热节，通过板栅凝固组织变化情况适当调整铸模预热温度。
参见图1和图2，具体的，板栅铸模1包括底板101、顶板102、两块侧板103和中间板104，两块侧板连接在底板101和顶板102的两端之间，中间板104设置在两块侧板103之间，侧板103与对应的中间板104之间以及相邻的两中间板104之间均形成有模腔，在每个模腔的底部设有三个与升液管3连通的进液口10，顶部设有至少一个与排气孔11，在中间板104中部沿长度方向钻有弯折延伸的通孔，作为冷却流道，冷却流道中通入的冷媒可以为冷却水。此外，在板栅铸模1上还可以设置对模腔进行冷却的冷却流道，在保温炉2以及板栅铸模1上还可以设置用于测温的测温热电偶12。
参见图1和图2，一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，包括如下步骤：
步骤1，铅合金熔炼：
采用电阻熔炼炉，将纯铅熔化，并分别按正极板栅和负极板栅的化学成分加入中间合金，获得化学成分符合相应标准的铅熔液，熔体温度保持在500～530℃；
步骤2，板栅铸模1组装及预热：
将底板101、顶板102、两块侧板103和中间板104组合后，将上述板栅铸模1放入箱式预热电阻炉中，并将板栅铸模1底部上的进液口10与升液管3的升液口对接，板栅铸模1整体固定于保温炉2的上方，将冷却流道的进出口与循环冷却水系统13对应接口对接，但不开启冷却水系统，铸模预热温度为300℃；
步骤3，开启脉冲电源7及磁场发生装置5；
步骤4，预热电阻炉停止加热，开始板栅浇注：
将铅熔液倒入保温坩埚内，待铅熔液温度稳定在500～530℃后开启压缩空气，进行充型及保压，压力设置为3个阶段：第1阶段：0-10s，升液压力增加到7kPa；第2阶段：10～20s，充型压力增加到40kPa；第3阶段：20～300s，以40kPa持续保压，保压阶段开启冷却水；
步骤5，泄压，关闭冷却水、脉冲电源7、磁场发生装置5，并取出板栅。
本发明考虑在板栅的低压铸造过程中施加电磁场，通过电磁场的晶粒细化作用和偏析减轻作用进一步提高板栅的耐蚀能力。利用上述方法制备的板栅，表面光滑，无毛刺等宏观缺陷；凝固组织中无缩孔缩松缺陷，微观偏析较普通水冷模铸造大大减轻，无明显的化合物夹杂；板栅耐蚀性良好。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，其特征在于：采用如下装置，该装置包括板栅铸模(1)和设置于板栅铸模(1)底部的保温炉(2)，所述板栅铸模(1)的模腔与保温炉(2)之间通过升液管(3)连通，所述升液管(3)的底部位于所述保温炉(2)内的铅熔液液面以下，还包括将所述保温炉(2)内的铅熔液经所述升液管(3)压入所述模腔内的加压系统(4)以及对所述模腔内的铅熔液施加电磁场的磁场发生装置(5)；还包括脉冲电源(7)，所述脉冲电源(7)的一个电极与所述保温炉(2)内的铅熔液接触，另一个电极与所述板栅铸模(1)接触；所述磁场发生装置(5)包括四个稳恒磁场线圈，四个所述的稳恒磁场线圈分别布置在所述板栅铸模(1)的四周，四个所述的稳恒磁场线圈施加电流后产生稳恒磁场，所述模腔位于所述稳恒磁场中；所述稳恒磁场的磁场强度为30~100mT，磁场方向为水平方向，四个稳恒磁场线圈中的电流方向保证整个水平方向上的磁场方向一致；还包括对所述板栅铸模(1)进行预热的预热装置，所述预热装置为箱式预热电阻炉，所述板栅铸模(1)上还设有对模腔进行冷却的冷却流道；包括如下步骤：
步骤1，铅合金熔炼：
采用电阻熔炼炉，将纯铅熔化，并分别按正极板栅和负极板栅的化学成分加入中间合金，获得化学成分符合相应标准的铅熔液，熔体温度保持在500~530℃；
步骤2，板栅铸模（1）组装及预热：
将底板（101）、顶板（102）、两块侧板（103）和中间板（104）组合后，将上述板栅铸模（1）放入箱式预热电阻炉中，并将板栅铸模（1）底部上的进液口（10）与升液管（3）的升液口对接，板栅铸模（1）整体固定于保温炉（2）的上方，将冷却流道的进出口与循环冷却水系统（13）对应接口对接，但不开启冷却水系统，铸模预热温度为300℃；
步骤3，开启脉冲电源（7）及磁场发生装置（5）；
步骤4，预热电阻炉停止加热，开始板栅浇注：
将铅熔液倒入保温坩埚内，待铅熔液温度稳定在500~530℃后开启加压系统，利用加压系统的压力气源进行充型及保压，压力设置为3个阶段：第1阶段：0-10 s，升液压力增加到7kPa；第2阶段：10~20 s，充型压力增加到40 kPa；第3阶段：20~300 s，以40 kPa持续保压，保压阶段开启冷却水；
步骤5，泄压，关闭冷却水、脉冲电源（7）、磁场发生装置（5），并取出板栅。
2.根据权利要求1所述的铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，其特征在于：所述保温炉(2)为密闭容器，所述加压系统(4)包括加压管和压力气源，所述加压管的一端与所述压力气源连通，另一端与所述保温炉(2)上位于所述铅熔液液面上方的压缩气体进口(6)连通。
3.根据权利要求2所述的铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，其特征在于：所述压力气源为空气。
4.根据权利要求1所述的铅酸电池板栅的电磁低压铸造方法，其特征在于：所述脉冲电源(7)的频率为10~50Hz，峰值电流密度为0.1~0.5A/mm2，占空比为10~20%。
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