过滤器技术在大型铸铁件上的应用方案

赵远明，刘党库，王军，张科峰

过滤器技术在大型铸铁件上的应用方案

赵远明，刘党库，王军，张科峰

【摘要】主要介绍陶瓷过滤器在大型球墨铸铁、灰铸铁件上应用的必要性、可行性，并列举几个典型方案，最后论述使用过滤器的综合经济效益。

一、概述

金属液过滤技术已经广泛应用于中小铸铁件领域，特别是汽车、液压件领域，过滤器的作用也得到广大铸造工作者的认可，使用方法也比较成熟，为我国汽车铸件质量的提升起到了很重要的作用。但是，在大型铸铁件领域，只有个别几家铸造企业应用，还没有得到普遍推广，究其原因应该有几个方面：主要是对过滤的效果、安全性、方法、成本及效益的认识不清楚；大型铸铁件生产成本高，生产周期长，一个夹杂物在某些关键部位的出现就有可能导致整个铸件的报废。如果夹杂缺陷是在机加工时才发现，会导致铸件加工成本的增加。因此，都希望能把大型铸铁件的夹杂废品率降至最低，而铁液过滤是关键环节，我公司根据多年的设计经验和多个案例，在此与大家分享。

二、使用过滤器的必要性

（1）铁液前期熔化、包内处理形成的渣不能在造渣过程中完全脱除。

（2）浇注系统冲刷掉的渣易进入铸件。

（3）铁液充型不平稳造成紊流形成的二次氧化渣。

（4）铁液冲刷型芯造成的涂料、砂粒脱落渣。

三、大型铸铁件使用过滤器的可行性分析

1. 适用范围

大型铸铁件一般是指几吨以上的铸件，目前有最大60t球墨铸铁件过滤应用的案例，主要在大型风电件、注塑机件、机床件上使用。

2. 适用的过滤器类型

适用于大型铸铁件的过滤器主要有碳化硅泡沫陶瓷、氧化铝直孔、碳质泡沫陶瓷和氧化锆泡沫陶瓷过滤器。

3. 各种过滤器尺寸及安全过滤量的确定

（1）碳化硅泡沫陶瓷过滤器及直孔过滤器 由于大型铸件浇注时间长，铁液落差大，对过滤器冲击力也很大，因此过滤器的厚度一般选择30～40mm，单位平方厘米过流量不超过3kg铁液，主要是单层加厚泡沫陶瓷过滤器，采用10ppi孔径。有些采用直孔加泡沫陶瓷两层方式，考虑到过滤效果，一般不单独采用直孔过滤。

（2）碳质过滤器 因其耐火度较高（1650℃），高温性能好，所以过滤器厚度一般在25～35mm，单位平方厘米过流量可放大至5～6kg。碳质过滤器不需预热，且蓄热系数非常低、重量轻，有利于金属液的快速启动，从而消除了熔融金属在过滤过程中凝固的风险，但由于碳在有氧环境下会产生氧化反应，所以要通过小批量验证后才能确定方案。

（3）锆质过滤器 耐火度达1700℃，化学稳定性好，所以其承受的铁液量更高，一般选择厚度为25～30mm，孔径10ppi，单位平方厘米过流量可达到6～8kg。

四、过滤器应用案例

1. 碳化硅泡沫过滤器在球墨铸铁件上应用案例

工艺方案：

球墨铸铁件浇注重量3.5t，浇注温度1350℃，浇注时间65s；过滤器平放于横浇道，如图1所示；平放8片 FCF-2B，规格200mm×100mm×25mm （10ppi），如图2所示；铁液从过滤节下面通过陶瓷管底注入型腔下箱模样。

工艺优点：

（1）有利于渣在横浇道上浮，避免影响浇注速度或堵塞过滤器。

（2）铁液经过过滤器后流动相对平稳，防止二次氧化渣的产生。

（3）过滤器均布，每片过滤器流过的铁液较均匀，避免个别过滤器承受过量流量。

2. 碳化硅泡沫陶瓷过滤器在大型风电铸件上的应用案例

风电轮毂：球墨铸铁，浇注温度1360℃，浇注重量9.8t，浇注时间170s，双直浇道，采用12片FCF-2B过滤器，规格150mm×150mm×40mm （10ppi），通过12根陶瓷管底注入型腔，如图3所示。

结果分析：铸件充型平稳，夹杂缺陷明显减少；单片过滤器可承受800kg铁液流量，吨铸件过滤器材料成本低；减少过滤节数量，铸件工艺出品率达85%。

3. 碳质泡沫陶瓷过滤器在大型球墨铸铁件上的应用案例

工艺方案：球墨铸铁，浇注温度1350℃，铸件重量11.5t，浇注重量13t，过滤器型号FCF-1S-10 150mm×150mm×30 （10ppi），10片，通过陶瓷管底注，浇注时间210s。图4为浇注系统局部示意。

结果分析：由于铁液通过均布的多个内浇道底注入型腔，充型平稳，铁液又经过过滤、整流，铸件无夹渣缺陷，由于采用碳质过滤器比采用碳化硅过滤器减少7片，也就是减少了过滤节浪费的铁液量，铸件工艺出品率达到89%。

4. 氧化锆集成过滤节在大型铸铁件上的应用案例

集成过滤节（见图5）内预置氧化锆泡沫陶瓷过滤器，在使用时只需对接陶瓷管即可，放置位置灵活，不占用型板空间，可降低砂铁比。氧化锆过滤器耐火度高，高温强度高，耐冲击性好，并且氧化锆不易与各种合金反应，在过滤器不堵塞的情况下，可过滤尽可能多的铁液，比传统过滤节操作简便，成本低。集成过滤包如图6所示。

5. 双层组合过滤器在大型铸铁件上的应用

工艺方案：铸件材质QT350-23，重量3.9t，浇注铁液4.5t，浇注温度1350～1360℃。

图1　过滤器放置

图2　FCF-2B过滤片

图　3

图4　浇注系统局部示意

图5　J150集成过滤节

型号规格为碳质泡沫陶瓷过滤器1 5 0 m m×

150m m×22m m+直孔过滤器150mm×150mm×22mm（6组），如图7所示。

双层过滤存在的问题：直孔过滤器是为增加支撑强度作用，过滤、吸附及整流效果不如泡沫过滤器，分层的支撑强度不如整体过滤器支撑强度高，因下层一旦变形垮塌（见图8），泡沫过滤器也很难再支撑，所以现在很多铸造厂使用加厚的泡沫陶瓷过滤器（见图9），使用安全，效果也更好。

6. 碳化硅过滤器在大型消失模铸铁件上的应用案例

工艺方案：汽车模具铸件，材质HT300，铸件净重16t，浇注铁液16.9t，

造型材料为呋喃树脂砂，浇注温度1 3 4 0～1 3 6 0℃，过滤器型号F C F - 2 B，150mm×150mm×40(10ppi)，过滤器片数18片，如图10、图11所示。

五、结语

（1）过滤器在大型铸铁件上的应用已探索出成熟的方案，效果明显，可降低废品率，减少修补量，减小加工余量，改善铸件表面质量，提高力学性能。

（2）针对不同的铸件需选择不同的方案，可设计模拟。

（3）设计时尽量使每片过滤器流经的铁液量均衡，尽量减小铁液对过滤器的冲击力，过滤器平放于横浇道，过滤器支撑台10～12mm，较大尺寸过滤器可采用陶瓷片支撑，以提高使用安全系数。

（4）采用开放式浇注系统，直浇道:横浇道:内浇道=1:（1.1 ～1.2）:（1.3～1.4），铁液进入型腔的线速度控制在0.5～0.7m/s。

（5）企业在选择应用过滤器时，工艺应验证后再转到批量生产。

图6　Q75集成过滤包

图　7

图　8

图　9

图　10

图　11

20150128

作者简介：赵远明、刘党库、王军、张科峰，济南圣泉集团股份有限公司。