CN114453572B - 一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺，铸造系统包括保温炉、浇铸装置和模具。保温炉两侧有相同大小的管道，管道采用耐铝液腐蚀的钛铝中间合金球阀门控制流速。浇铸装置由两层过滤网、两块阻流板、储液槽、浇铸通道和保温材料硅藻土组成。浇注模具为双浇冒口模具，上模和下模分别设有油冷系统；上模由3块组成，之间通过插销连接，两端设有半圆形吊装孔。本发明在在熔炼过程中充分避免了铁的掺杂、在浇铸时进一步过滤了熔体、降低了熔体的杂质，通过模具的油冷系统和铸造工艺实现了顺序凝固、减少了铸件的气孔、缩松缩孔、冷隔等缺陷，且缩短了铝基牺牲阳极的生产周期，降低生产成本、提高生产效率，促进了企业的竞争力。

Description

一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺

技术领域

本发明涉及铝合金铸造技术领域，特别涉及一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺。

背景技术

腐蚀是我国工业发展所面临的一大阻碍，每年由于金属腐蚀所造成的损失占我国GNP的4%，全世界每年由于材料腐蚀（主要是钢铁氧化）造成的损失约占全球GDP的3%，为地震、水灾、台风等灾害损失总和的6倍。美国每年腐蚀损失达3000亿美元，人均1100美元。我国腐蚀损失约占国民生产总值的4%，因腐蚀报废的钢铁数量约为当年产量的25%-30%。因腐蚀造成的跑、冒、滴、漏等还会严重污染环境,影响人类的生态环境。据美国国家统计局分析统计 报告认为:只要利用好现今的防腐技术，可降低腐蚀损失费用25%~30%，上述损失中约有15%应用目前已有的防腐技术就可避免。这充分说明，采取有效措施避免或减缓各类腐蚀具有重大意义。除提高材料本身的抗腐蚀性能外，防腐涂料和阴极保护是两种基本的腐蚀控制方法。

防腐涂料由于材料成本较高，且不利于环保，在金属铸造工业上的应用并不广泛。

牺牲阳极材料防腐是作为可应用领域最广的防腐蚀方法，在我国受到广泛运用。牺牲阳极法阴极保护是用比钢铁的对地电位还要低的金属如镁合金、铝合金和锌合金制成的阳极与被保护物连接，以阳极的腐蚀为代价，使被保护物不被腐蚀。其中由于铝基牺牲阳极理论容量高、电流效率大、价格低廉成为三种主流牺牲阳极材料之一。

目前，小规格的铝基牺牲阳极技术成熟，但大规格铝基牺牲阳极的铸造存在技术上的困难。主要困难如下：

1.铝基牺牲阳极在腐蚀的过程易形成氧化膜钝化，无法进一步腐蚀，降低了电流效率；

2.传统的铸造方式下，铸件内部夹渣多，采用单浇冒口无油冷系统铸造时，无法实现顺序凝固，铁芯下方最后凝固，造成铸件气孔、缩松、缩孔等铸造缺陷多，无法满足性能要求；

3.传统成分晶粒粗大，枝晶偏析严重，易引起晶间腐蚀，降低阳极的电化学性能；

4.高温浇铸时吸气量大、凝固收缩大，但表面质量好，低温浇铸时缩松缩孔少，却流动性差、易出现冷隔。

为此需要设计一种新式的大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺，以解决上述问题。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中大规格铝基牺牲阳极的铸造存在的不足，提供了一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺，能够生产大规格、缺陷少、表面质量好、电化学性能好的铝基牺牲阳极。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统，包括保温炉、浇注装置和浇注模具，其特征在于：

所述保温炉两侧设有带有球阀的不锈钢弯管，不锈钢弯管的模锻朝向浇注装置；

所述浇注装置设置在保温炉下方，包括储液槽、浇注通道、过滤网和阻流板，浇注装置设置在浇铸模具的浇冒口上方；

所述浇注模具由上模和下模拼接而成，上模设有两个浇冒口，上模由三块模板通过插销连接，上模的两端的模板上安装有半圆形的吊装孔。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述不锈钢弯管的内壁有氧化锌镀层，不锈钢弯管由两个相同的半管道通过螺栓固定拼接；所述球阀为耐铝液腐蚀的钛铝中间合金球阀门。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述浇注装置的材质为石墨，浇注装置由两个镜像对称的半体通过螺栓连接而成，储液槽设置在不锈钢弯管的端口下方，储液槽下方为浇注通道，浇注通道的上下两端分别设置一级过滤网和二级过滤网，浇注通道的中心设有阻流板。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述一级过滤网和二级过滤网为陶瓷过滤网，一级过滤网的滤网孔径大于二级过滤网的滤网孔径；所述阻流板为半圆形，其横截面积占通道的一半，与水平方向夹角为30°。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述浇注装置的内部填充材料为硅藻土，其耐热温度高、导热系数小、价格低廉。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述浇注模具的上下模分别设有上模油冷系统和下模油冷系统，下模中插有钢芯。

基于上述的大规格铝基牺牲阳极铸造系统，其铸造工艺为：

S1，准备工作，对所用工具和浇铸装置打磨除锈，在表面涂水玻璃并烘干，模具内表面喷涂氮化硼，将工具在200℃预热，模具和浇铸装置在300℃预热；

S2，配料，合金成分如下：Zn:2%~5%，In：0.01%~0.05%，Sn:0.02%~0.07%，Mg：0.5%~0.7%，Gd：0.1%~0.15%，Ti：0.05%，RE：0.1%~0.15%，Al：余量。低于0.5%的成分均采用中间合金的形式加入；

S3，熔炼，采用倾转式熔炼炉熔炼；将炉温升至780℃，熔炼炉升温至400℃时加入预热好的铝锭，升温至780°时加入其余组分，充分搅拌金属液，使混合均匀；

S4，除渣除气，加入熔体质量分数0.6%铝合金专用除渣除气剂进行精练，精炼时将精炼剂用钟罩压入合金液底部；精炼5~8分钟，浮出渣子后，用扒渣器撇去浮渣；炉温设置为750℃，向熔炼炉中采用旋转吹

气法吹入氩气，除气十分钟，除气结束后，静置10分钟，便于气泡析出；

S5，熔体检测，在熔炼炉的中心和边部分别取样做成分分析和炉前含气量检测，当中间和边部的样品成分一致且含气量低于标准时开始浇注；

S6，浇铸，倾转熔炼炉，将熔体缓慢倒入保温炉中；打开球阀门，控制两端流速合适且相同；打开油冷循环系统，浇铸速度为2kg/s。

S7，脱模，合金基本冷却后，采用行车吊取脱模；

S8，整理检验包装，采用机加工整理浇冒口处，抽样检查成分和铸造缺陷，合格后包装入库。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种铝基牺牲阳极的成分，该成分的铸件具有两次间距小、晶粒细小、电容量大和电流效率高的优点；通过添加稀土和浇铸装置的两次过滤，极大的降低了熔体中的杂质，增加了熔体的流动性，避免低温浇铸出现冷隔；在模具内壁喷涂氮化硼起到了润滑的作用，提高了铸件的表面质量；通过阻流板和过滤网降低浇铸的流速，避免出现紊流和铸造缺陷。

（2）采用双浇冒口浇铸和上下模油冷系统，实现了大规格铸件的顺序凝固，提高了浇铸压力，减少了内部缺陷。

附图说明

图1为本发明大规格铝基牺牲阳极铸造系统的纵向剖面图；

图2为本发明大规格铝基牺牲阳极铸造系统的铸造模具的爆炸结构示意图；

图3为本发明大规格铝基牺牲阳极铸造工艺的工艺流程图。

图中，

1、上模，2、下模，3、钢芯，4、储液槽，5、一级过滤网，6、二级过滤网，7、螺纹孔，8、吊装孔，9、阻流板，10、上模油冷系统，11、下模油冷系统，12、保温炉，13、球阀，14、不锈钢弯管，15、插销，16、下模出油管，17、下模进油管，18、上模出油管，19、上模进油管，20、插孔。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1-图3为本发明的第一种具体实施例，该实施例为一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统和铸造工艺，用于生产大规格、缺陷少、表面质量好、电化学性能好的铝基牺牲阳极。

成分设计：Zn:2%~5%，In：0.01%~0.05%，Sn:0.02%~0.07%，Mg：0.5%~0.7%，Gd：0.1%~0.15%，Ti：0.05%，RE：0.1%~0.15%，Al：余量。以上成分均基于其在常温下在铝中的最大固溶度和最低作用含量确定。Zn能降低铝合金钝化作用，在4.5%以下使得电位负移；In能使得电位负移并提升电流效率，含量过高影响性能；Sn在小于0.07%时，能溶于Al形成固溶体，和锌、铟具有协同效应；Gd 镉能促进Zn的均匀分布，较少Zn、In的偏析；稀土能除气除渣，有效净化熔体。另外，Si、Fe、Cu对铝基牺牲阳极性能副作用较大，应避免掺入。

准备工作：对所用工具和浇铸装置打磨除锈，在表面涂水玻璃并烘干，避免Fe元素的掺入；模具内表面喷涂氮化硼，以提高铸件的表面质量；浇铸系统通过螺纹孔7固定，模具上模通过插孔20和插销15组装；将工具在200℃预热，模具和浇铸装置在300℃预热。

配料：合金成分如下：Zn:2%~5%，In：0.01%~0.05%，Sn:0.02%~0.07%，Mg：0.5%~0.7%，Gd：0.1%~0.15%，Ti：0.05%，RE：0.1%~0.15%，Al：余量。低于0.5%的成分均采用中间合金的形式加入。铝锭在控制成本的前提下，采用低Fe重熔铝锭。

熔炼：将石墨坩埚内表面清理干净，检查坩埚是否有裂纹，并检查循环水和电盘，是否正常符合开炉条件；确定符合后，首先试通电，通电后立马断开，确定电路正常，先送水。后开电盘，预热坩埚。预热坩埚时，温度应阶梯上升，不宜升温过快。熔炼炉升温至400℃时加入预热好的铝锭，升温至780°时加入其余组分，充分搅拌金属液，使混合均匀。

除渣除气：加入熔体质量分数0.6%铝合金专用除渣除气剂进行精练，精炼时需将精炼剂用钟罩压入合金液底部。精炼5~8分钟，浮出渣子后，用扒渣器撇去浮渣；炉温设置为750℃，向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气十分钟，除气结束后，静置10分钟，便于气泡析出。

熔体检测：在熔炼炉的中心和边部分别取样做成分分析和炉前含气量检测，当中间和边部的样品成分一致且含气量低于标准时开始浇注。成分分析采用拉曼成分分析仪检测，含气量检测通过基于第一气泡法的铝液炉前快速定量测氢仪测定。

浇铸：倾转熔炼炉，将熔体缓慢倒入保温炉12中。打开保温炉12两侧的球阀门13，铝液通过不锈钢管14注入储液槽中，流速通过阀门可调节，注意两侧铝液流速相同。熔体被倾注在储液槽4内，经过一级过滤网5去除部分尺寸较大的杂质；随即进入浇铸通道，浇铸通道内焊接有与水平方向呈30°的半圆形阻流板9，熔体流速降低后通过二级过滤网6注入模具。一般情况下，一级过滤网孔径为3mm，二级过滤网为1mm；浇铸速度约为2kg/s。浇铸开始时便打开油冷系统，为避免局部冷速过大造成裂纹，油冷循环液为200℃的淬火油；其中下模进油管17和上模进油管19为进油管道，下模出油管16和上模出油管18为出油管道。

脱模：合金基本冷却后，采用行车吊钩，吊取吊装孔8脱模。

整理检验包装：采用机加工整理浇冒口处，抽样检查成分和铸造缺陷，合格后包装入库。

本发明的第二种具体实施例为，采用单浇冒口浇铸，无浇铸系统，无油冷系统，其余与实施例一相同。

综合生产检验和模流模拟结果表明，铸造系统的硅藻土起到了良好的保温作用，避免了储液槽和浇铸通道内的液体温降过大，导致铸锭浇不足或冷隔等缺陷。两级过滤网有效降低了熔体中杂质的含量，且能使熔体通过过程中枝晶破碎，对晶粒细化有一定的作用。浇铸通道相当于增加了浇冒口的高度，增加了浇铸压力，增大了补缩能力。实例一浇铸时，由于两级过滤网降低了杂质含量，提升了熔体的流动性，使其在较低浇铸温度下避免出现冷隔和浇不足的缺陷。双浇冒口的设置和油冷系统的冷却作用，使得铸件最中间和两端的位置先凝固，由于下方油冷面积更大且与熔体接触更早，因此钢芯下方熔体早于上方熔体凝固；因此铸件整体凝固实现了浇冒口由远及近的顺序凝固。保温炉和球阀门实现了熔体流速大小的可调节，避免了人工浇铸忽快忽慢和两侧流速不一样的情况。

实例二的传统的单冒口浇铸凝固时，铁芯下侧的金属液最后凝固，当得不到金属液补充时，体积收缩造成缩松缩孔，且缩松缩孔在沿钢芯下侧长度方向均匀分布，没有实现顺序凝固。由于铸件横向方向长度过长，单浇冒口时横向温度梯度小，很难实现顺序凝固，铸件上表面质量差。在浇铸过程中，由于两侧不是顺序凝固，导致两侧的气体难已排出，且金属液流速快，金属液在型腔内易形成紊流，将气体卷入，形成气泡。实例二没有两级过滤系统，导致铸锭中夹杂严重，铸件性能恶化。

本发明提供的一种适用于大规格铝基牺牲阳极的铸造系统和铸造工艺，通过以上铸造系统和铸造工艺，极大地降低了冷隔、气孔、缩松缩孔等铸造缺陷，可用于生产缺陷少、表面质量好、实际电容量大、电流效率高的大规格铝基牺牲阳极。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种大规格铝基牺牲阳极铸造系统，包括保温炉（12）、浇注装置和浇注模具，其特征在于：

所述保温炉（12）两侧设有带有球阀（13）的不锈钢弯管（14），不锈钢弯管（14）的模锻朝向浇注装置；

所述浇注装置设置在保温炉（12）下方，包括储液槽（4）、浇注通道、过滤网和阻流板（9），浇注装置设置在浇铸模具的浇冒口上方；所述浇注装置的材质为石墨，浇注装置由两个镜像对称的半体通过螺栓连接而成，储液槽（4）设置在不锈钢弯管（14）的端口下方，储液槽（4）下方为浇注通道，浇注通道的上下两端分别设置一级过滤网（5）和二级过滤网（6），浇注通道的中心设有阻流板（9）；所述一级过滤网（5）和二级过滤网（6）为陶瓷过滤网，一级过滤网（5）的滤网孔径大于二级过滤网（6）的滤网孔径；所述阻流板（9）为半圆形，其横截面积占通道的一半，与水平方向夹角为30°；

所述浇注模具由上模（1）和下模（2）拼接而成，上模（1）设有两个浇冒口，上模（1）由三块模板通过插销连接，上模（1）的两端的模板上安装有半圆形的吊装孔（8）。

2.根据权利要求1所述的大规格铝基牺牲阳极铸造系统，其特征在于：

所述不锈钢弯管（14）的内壁有氧化锌镀层，不锈钢弯管（14）由两个相同的半管道通过螺栓固定拼接；所述球阀（13）为耐铝液腐蚀的钛铝中间合金球阀门。

3.根据权利要求1所述的大规格铝基牺牲阳极铸造系统，其特征在于：

所述浇注装置的内部填充材料为硅藻土。

4.根据权利要求1所述的大规格铝基牺牲阳极铸造系统，其特征在于：

所述浇注模具的上下模分别设有上模油冷系统（10）和下模油冷系统（11），下模（2）中插有钢芯（3）。

5.一种基于权利要求1所述的大规格铝基牺牲阳极铸造系统的铸造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1，准备工作，对所用工具和浇铸装置打磨除锈，在表面涂水玻璃并烘干，模具内表面喷涂氮化硼，将工具在200℃预热，模具和浇铸装置在300℃预热；

S2，配料，合金成分如下：Zn:2%~5%，In：0.01%~0.05%，Sn:0.02%~0.07%，Mg：0.5%~0.7%，Gd：0.1%~0.15%，Ti：0.05%，RE：0.1%~0.15%，Al：余量；

低于0.5%的成分均采用中间合金的形式加入；

S3，熔炼，采用倾转式熔炼炉熔炼；将炉温升至780℃，熔炼炉升温至400℃时加入预热好的铝锭，升温至780°时加入其余组分，充分搅拌金属液，使混合均匀；

S4，除渣除气，加入熔体质量分数0.6%铝合金专用除渣除气剂进行精练，精炼时将精炼剂用钟罩压入合金液底部；精炼5~8分钟，浮出渣子后，用扒渣器撇去浮渣；炉温设置为750℃，向熔炼炉中采用旋转吹气法吹入氩气，除气十分钟，除气结束后，静置10分钟，便于气泡析出；

S5，熔体检测，在熔炼炉的中心和边部分别取样做成分分析和炉前含气量检测，当中间和边部的样品成分一致且含气量低于标准时开始浇注；

S6，浇铸，倾转熔炼炉，将熔体缓慢倒入保温炉中；打开球阀门，控制两端流速合适且相同；打开油冷循环系统，浇铸速度为2kg/s；

S7，脱模，合金基本冷却后，采用行车吊取脱模；

S8，整理检验包装，采用机加工整理浇冒口处，抽样检查成分和铸造缺陷，合格后包装入库。

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