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板柵鑄造問題分析

發表時間:2017-10-19 16:25

  在電池制造行業中,板柵氣孔是困擾很多企業的問題,雖然嘗試過很多辦法,但都沒有得到有效的控制。以下是我的個人分析,僅供大家參考。
  首先來分析氣孔發生位置:氣孔主要集中在極耳上及板柵下??诳蚪钌?。
  為什么氣孔會集中在這兩處地方呢? 1、極耳處空間加大,存有的空氣多,合金凝固之前不能完全排氣;2.、下??诳蚪顨饪?,主要是因為液鉛倒入模具后下沉,上部空氣被下壓到下???,造成排氣不及時產生氣孔。
  雖然模具上都有排氣道的設計,但是現在模具上的排氣道都是和板柵上的豎框筋十字相交,線的排氣道變成排氣點,實際有效排氣利用率不足15%,最終導致模具內大量空氣不能排除,致使板柵產生氣孔。面對這個無法改變的現實,要解決板柵氣孔的辦法,只有推遲合金鉛的凝固時間才能得到改進。
  辦法1:根據板柵氣孔情況,逐步提高模具溫度,到達推遲合金鉛凝固時間,留出更多的時間用來排氣。
  辦法2:下??跍囟纫m當高于上??跍囟?,隨著液鉛的下沉,空氣會聚集在下???,所以要留出更多的時間來排氣,推遲液鉛的凝固。
  以上兩種解決辦法并不會十分有效,同時還會影響澆鑄產量,員工執行難度較大。根據國家環保政策要求,到今年12月低,正板鉛銻鎘合金禁止使用,必須使用鉛鈣合金的要求,正板板柵氣孔問題就會更多。
  要有效改進氣孔的問題,必須徹底顛覆現有的模具排氣道的設計。根據現有排氣道利用率只有15%問題來進行改進。
  辦法1:每片板柵的極耳上必須有排氣道開口,有效提高極耳處的排氣效率。
  辦法2:所有排氣道要改在框筋上,把原有十字交叉點的排氣改成線的排氣,并于豎框筋交叉,把排氣道上排氣眼百分之百的利用起來,下??诳蚪畋仨氂信艢獾缽目蚪钌线^。
  排氣道設計在框筋上,本人因為工作原因,沒有機會嘗試,有性趣的同道中人,可以嘗試一下。同時麻煩您告知試驗結果。

一種抑制閥控蓄電池板柵氣孔生成的方法及板柵模具,用于解決抑制閥控蓄電池板柵氣孔生成氣孔問題。其方法為:a、板柵原料鉛鈣錫鋁合金熔化溫度480510;b、板柵模具加熱溫度為180230;c、脫模劑配比為軟木粉3035、硅酸鈉1018,膨潤土5、水1000;模具噴涂;d、合金澆鑄。本發明對板柵模具結構進行改進,增設氣道、加大澆注口及減小板柵過渡圓角部位的圓弧半徑R

摘要:本文根據筆者的實際經驗,對鉛鈣板柵合金澆鑄過程中常見的渣多、片子發軟、斷筋、縮孔、氣孔、脆裂等缺陷進行了分析,并提出了針對性的解決方案。最終指出的是:板柵的生產澆鑄過程中,對熔鉛鍋內的合金溫度和板柵澆鑄溫度的控制、對生產工藝的科學制定和嚴格執行等環節都是至關重要,這有助于保證產品質量、提高生產效率和節支增效。

關鍵詞:鉛鈣合金;鑄造缺陷;澆鑄溫度

內容:板柵生產是蓄電池制造的一個重要環節,一個企業的板柵生產量往往非常大,每月都在幾百萬以上。極板生產過程中合金成品率每提高1%,每月直接節約的生產成本就在幾萬以上,因此極板生產的廢品率以及合金利用率的控制是極板生產過程中應主要控制的項目之一,生產工藝、工裝設備、人員操作等因素對極板成品率都有著非常重要的影響u】。在本文中,筆者作為板柵合金原材料的供應商,經常出差解決有關合金澆鑄過程中的缺陷問題,并在這一售后服務過程中積累了一些經驗。由于板柵合金重力澆鑄過程的專業書籍以及文獻報道很少,因此筆者將一些常見的問題加以總結,僅供業內人士參考,希望不足之處給予指正。

板柵的制造方法主要有:鑄造、沖壓、拉網、連鑄、壓鑄幾種,國內目前大多采用的是鑄造板柵,包括單模自動鑄板機鑄造和人工澆鑄。板柵材料目前采用的主要有鉛銻合金、低銻合金和鉛鈣合金口J。鉛鈣合金作為第一代免維護蓄電池的板柵材料,逐漸成為人們的首選,目前其市場占有量已達到了71--80%。由于鉛鈣合金冷卻范圍窄、鉛鈣合金比鉛銻合金難制得多,所以鑄造鉛銻合金的技術不能用于鉛鈣合金。在鉛鈣合金板柵的生產澆鑄過程中,制造商們經常碰到的問題是渣多、片子發軟、斷筋、脆裂等問題,并誤認為是原材料的問題,而正常、完整的板柵是不缺、不斷、不裂。經筆者的現場處理發現:多數問題的出現是由于板柵生產工藝不合理或未嚴格執行生產工藝所致。1、熔鉛爐中產渣較多

第九屆全國鉛酸蓄電池學術年會論文全集鉛鈣合金澆鑄過程中,隨著時間的延長,熔鉛鍋中將出現一層粘稠狀的銀白色渣,時間再長一點時將有部分黃色的干渣出現。這層渣主要成分為A1、CaO、AI、PbO、Pt,3Ca及夾雜的鉛合金等組成的混合物,由于這些氧化物都比鉛合金輕,因而都浮在合金液表面。正常情況下這層渣起到了隔絕氧氣防止合金液迸一步氧化的作用,其產生量不會隨時間的變化而加劇。鉛鈣合金產渣率因合金中錫含量不同而異,一般在5%--.10%,但由于一些不正當操作,導致了合金渣多的現象。

1.1、產渣原因

板柵生產過程中,鈣的損耗是正常的,造渣也是正常的,但有時會出現熔鉛鍋內渣變多變厚的非正常情況,究其原因主要涉及澆鑄工藝、設備、原料等因素,且主要是因為合金液溫度控制不合理或采用過多回爐料造成的。合金澆鑄過程中,熔鉛鍋內溫度過高或過低都會造成渣多,分別形成高溫氧化渣析出渣,因此,為控制產渣率、節支增效,必須合理的制定生產工藝并嚴格控制執行。1.1.1澆鑄溫度不當

1)高溫氧化合金液      

溫度過高時,合金液表面會浮有一層黃色粉末狀干渣,并夾雜一些合金液,稱為高溫氧化渣,主要成分為CaO,這層渣隨時間延長而變厚,是由于鈣的高溫氧化造成的。鈣的化學性質活潑。極易氧化,盡管有保護劑和保護措施,但其在配置、使用時的氧化損耗還是很大的,在一般情況下,損耗率為15%~20%。若合金鍋中溫度過高,勢必加劇了鈣的氧化燒損,致使合金表面干浮渣越來越多,實際生產過程中,這種高溫造渣的情況并不多見,且主要發生在一些采用手工澆鑄的小企業。手工澆注過程中,浮于合金表面的鋁被逐漸的撇掉,從而造成了鋁含量的減少,起不到保護作用,進而導致了鈣的燒損造渣。還有個別企業的工人為了提高一次噴模的澆片數量,隨意提高鍋內合金溫度,其目的是使處于澆鑄過程的模具冷卻變慢;另外工人們認為高溫形成的干渣不象濕渣那樣粘稠,從而使手工操作時舀取合金變得輕松方便。而這些做法的最終結果就是合金中鈣合金中鈣含量的燒損和成分的不均勻。

2)低溫析出

澆鑄溫度過低時,合金液表面會出現一層粘稠狀的銀白色濕渣,稱為低溫析出渣,其主要成分為AI、PbCa及少量的CaO、A1,若合金液溫度過低,這層渣也會越來越多,浮在合金液上,而且比氧化渣要多的多,這主要是由于低溫導致Al和Pb3Ca的析出造成的。鋁在鉛中的溶解度隨溫度的降低而降低,由鉛鋁相圖可以看出,鋁在熔融鉛中的溶解度極小,在固態鉛中近乎是零,鋁加入鉛中將產生明顯的密度偏析。鉛鈣合金中的鋁含量~般為o.02%~o.03%。正常澆鑄溫度下,鋁以不飽和的形態存在于合金中,若溫度過低,鋁便會析出,浮在合金液表面起到造渣作用。另外需注意的是:經驗表明,鋁析出的同時會將合金中的鈣一起帶入渣中。

室溫下,鈣在合金中的溶解度為0.Ol%,且以Pb3Ca的形式存在。PbCa的熔點為660X〕,在合金鍋內恒溫的情況下(非澆鑄時的快速冷卻),合金液溫度過低勢必會造成Ca的析出,它們浮在合金液表面,加劇了渣的產生。

總之,低溫情況下舢和PbCa的析出會造成惡性循環,像具有吸附性一樣,使合金渣越來越多。這樣一來,表面就出現所謂的銀白色的粘渣。造成合金液中鈣含量的降低,其實這一過程不是鈣的燒損過程,而是鉛鈣化合物析出造渣的過程。另外需注意的是。負極的渣要比正極的渣多,因為負極中沒有錫,而正極中的錫可以與鈣形成SnCa化合物,從而增大了鈣的溶解度。

3)澆鑄溫度的討論

澆鑄溫度是板柵生產中的一個非常重要的參數,它決定了板柵的生產效率和產渣率。關于此溫度問題,目前許多企業是各抒已見,他們都有自己的規定。筆者認為,正常的板柵澆鑄溫度應因合金成分不同(如鋁含量)而異,一般應控制在520C左右,在這個溫度段下,合金的產渣量是最小的,板柵的成分是穩定的,而且也是經過實踐檢驗的(目前各大企業基本上都在采用這一溫度)。需說明的是:產渣率不等于鈣的燒損率,即鈣的澆損率高可能導致渣多,但渣多不一定說明鈣的燒損率高。

但有些企業對鈣的氧化燒損存在偏見,他們認為:鈣在高溫容易燒損,所以澆鑄過程中不能超過500C,而且也曾有一位客戶,向筆者問了一個問題——什么溫度下鈣最不容易燒損?并指出:他們對不同溫度下鈣燒損率曲線的研究表明48012時鈣的燒損率最低。其實,眾所周知的是:鉛鈣合金中含有鋁,它在一定程度上解決了鈣的燒損問題。圖1為鋁對鈣的氧化速率的影響圖圖l鋁對鈣的氧化速度的影響從圖l中我們可以看出:在有鋁存在的情況下,鉛鈣合金經過24h后,其燒損量微第九屆全國鉛酸蓄電池學術年會論文全集乎其微,鈣含量可以在36h基本不變化。因此,我們在生產過程中不要特意地去強調鈣的高溫燒損問題,只要不是反反復復的固態鉛合金重熔,在正常的澆鑄溫度下,鈣的燒損不像想象的那么厲害。相反的是,如果溫度過低,必將導致Pb3Ca的析出。誠然,400多度也可以澆鑄,但我們不得不懷疑此時澆鑄成品中合金成分的穩定性和均勻性問題,而且更重要的是,此時低溫造渣的鈣遠遠大于高溫燒損的鈣,可以說這是顧此失彼。

1.1.2回爐料處理不當

1)一些企業將邊角料等廢板柵集中回爐,導致新舊料比例失衡,而冶金學中規定新舊料的使用比例應保持在6:4以上。另外,資料表明:鉛鈣合金在凝固重熔時,其損耗率為30%左右。上述原因最終導致了合金渣多的現象。

2)手工操作過程中,工人一般將廢板柵直接扔到熔鉛爐中,板柵浮在渣面上,此時板柵中鉛先熔化,然后透過渣和鋁保護層進入合金液中,而鈣元素卻很難通過渣和致密的氧化鋁保護層,所以就聚集在渣中,致使渣越來越多。最好的手工操作方式是使用勺子將廢板柵攪拌一下,壓人到合金液中,確保邊角料、廢板柵等能在合金液中熔化。

1.1.3設備問題

1)溫度計問題      一些小企業(尤其是手工澆鑄的企業)采用的溫度計大多為工業溫度計,誤差較大,實際溫度比測量溫度一般高出60C左右,因而工人在不知情的情況下導致了高溫澆鑄。

2)熔鉛鍋問題手工澆鑄的企業主要采用燃煤爐或油爐,由于煤、油等燃料燃燒的不可控性,易造成熔鉛鍋內合金液溫度的忽高忽低,最終導致了合金造渣過多。

3)抽鉛泵問題采用機械鑄板的企業,要注意抽鉛泵的可靠性。個別企業未注意此問題,結果使抽鉛泵偏心運轉,帶出的合金液加劇了合金渣的產生。1.1.4原材料問題

關于鉛鈣合金原材料質量的問題一直是個供需雙方爭論的問題。板柵生產商反映的是原材料質量的不穩定性,且主要體現在合金渣多上,他們指出:鑄板生產工藝不變、操作人員不變,唯一改變的就是原材料的批次,所以認為熔鉛鍋內渣多是原材料的問題,甚至懷疑原材料供應商所采用的原料有問題。而作為原材料供應商也強調指出:鉛鈣合金是個非常成熟的產品,合金生產原料未變、合金生產工藝未變等。所以就渣多問題供需雙方都在努力尋找其他的非上述原因,在此也希望業內人士能給予~些指導意見。

1.2、     渣多的處理方法

嚴格控制合金澆鑄溫度,嚴格執行板柵生產工藝;合理利用廢舊邊角料等回爐料;采用科學準確的溫度測量工具,確保熔鉛鍋內合金液溫度的準確性;定時撩取熔鉛鍋內的合金渣,一般為每班1~2次。

1.3、合金渣的處理

為達到清潔生產的目的,鑄板生產時產生的鉛合金渣(灰)應集中密閉堆放,不得露天放置,然后集中售往正規的廢鉛回收單位進行處理,鉛渣若處理不當可能會發生燃燒和爆炸。另外需注意的是:鉛鈣與鉛銻合金的渣灰不能混合放置,否則他們將會發生如下反應:

Ca+Sb+AsCaSb+CaAs+0+HAs+SbH

上式中的生成物都是劇毒。會嚴重的危害人們的健康口

有些單位為節約成本,對鉛渣自行高溫重熔,然后加入鉛鈣母合金調配工作合金,其實這種做法往往是得不償失,筆者不贊成這種方式,其一、非專業的合金生產技術和設備,造成合金成分的不均勻和不穩定,影響產品質量;其二、高溫冶煉的環保設施不到位,造成一定的環境污染。

2、板柵發軟

板柵發軟在一般企業中并不多見,業內人士對此都有一定的認識,只是一些小企業對此可能缺乏了解。

2.1原因

板柵發軟主要是合金中鈣含量過低,鈣是鉛鈣合金的主要硬化劑。目前鉛鈣合金中的鈣添加量一般為O.08%~0.12%,為了使板柵達到應有的硬度,鈣的含量至少應在0.06%以上。鈣在一定條件下與鉛形成PbCa化合物。這種化合物的細晶粒沉淀使合金具有一定的強度和沉淀硬化性。       328.5時鈣在鉛中的溶解度為0.1%,在室溫下,鈣在鉛中的溶解度為0.0l%,此時它以亞顯微相從a相中沉淀出來,當鈣含量為0.06%~0.15%時,這些均勻的沉淀提高了合金的硬度;當鈣含量高于o.07%時,平衡狀態下的組織為含少量鈣的鉛固溶體基體上分布的PI)3Ca化合物;在含鈣量約0.1%時可達強度及硬度的最大值。另外,鉛鈣合金的時效硬化非常明顯。所以,板柵澆注過程中,首先應控制鈣含量,為了獲得快速時效硬化的板柵,控制鈣的含量極其重要,一旦鈣含量降得過低時,板柵將呈現出混合不穩定的顆粒狀態分布,板柵硬化不了,而且易被腐蝕。

造成鈣含量低的主要原因是板柵澆鑄過程中鈣元素的流失,這主要包括鉛鈣合金重熔時的鈣燒損(鉛鈣合金在凝固重熔時,其損耗率為30%左右),以及澆鑄過程中的高溫燒損和低溫造渣。這在上面已經談過,且光譜數據顯示:一般造渣較多的合金中鈣和鋁的含量較低。

2.2處理方法

此問題的常用處理方法是按比例加人適量的鉛鈣母合金,母合金中鈣含量一般在1.O%~L5%之間.一般是每班次加入一次母鈣比較合適,加入量可根據母鈣量計算即可。  有條件的公司,可定時檢測合金液中鈣的含量,并做出及時的調整,從而可有效的指導生產、確保產品質量的穩定。小公司很難做到鈣含量的實時檢測,對鍋中鈣含量的判斷只能憑經驗進行。一般是憑手感,不同鈣含量板柵的初始硬度不同,當板柵澆鑄完畢并冷卻至室溫后,拿起來在手中拗,憑手感硬度來判斷鈣含量,另外鈣含量足夠高的話,扔到工作臺上時會有金屬聲音。

3、板柵斷筋、縮孔、氣孔

影響板柵澆鑄質量的四大要素為:模溫、液溫、模具質量、及脫模劑,板柵斷筋及產生縮孔或氣孔主要是由于上述原因造成的,包括模溫和液溫造成的綜合鑄片溫度過低,全金流動性下降,凝固過快;斷筋處模具排氣不暢:一次噴模后的澆鑄時間過長,導致脫模劑耗盡造成的合金流動性變低等。熟練工人對此問題一般比較熟知,一解解決方法是采取提高模具溫度、重新噴模、修模具、疏通排氣孔等措施,其中主要的是控制合金溫度、模具溫度及過冷度。因為鑄板質量和鑄板速度是板柵制造中的兩個環節,控制合金溫度和模具溫度是板柵制造的關鍵。根據板柵要求的厚度不同和合金成分的不同,調節合金鍋的溫度和模具溫度,尤其是鑄板一開始模具溫度一定要達到要求的范圍,澆注合金的速度要快,定模時間應該短,減少模具溫度的變化。另外,要使板柵不至于出現裂紋、縮孔等缺陷,而又能獲得耐腐蝕性能好的細晶粒合金,就必須適當的控制合金的冷卻速度,也就是控制好模具的溫度。過冷度是與合金溫度、模具溫度和冷卻速度有關的物理量。在鑄板中我們要求的是晶核生長速度快,晶體生長速度慢,晶體細小,這就要控制合理的冷卻速度。所以,要澆注強度和耐腐蝕性能較好的板柵,除了控制好合金和模具的溫度以外,還要掌握好適當的過冷度,這些要在實踐中體會。

4、板柵片子脆裂

鉛鈣板柵發生脆裂的情況一般少見,這主要是由于鉛鈣合金中混進了其他雜質。而鉛鈣合金生產過程中,絕對不能混入雜質,特別是銻,應控制在0.001%以下,因為銻與鈣生成CaSb浮渣,會對板柵造成顯著的不良影響另外,鉛合金中的非金屬元素如S等也會造成板柵的脆裂。所以,板柵生產過程中一定要按清潔生產的要求采取相應的措施,做到現場的整潔有序、邊角料分類堆放、原材料分類標識等。

澆鑄溫度過低有可能導致脆裂。筆者曾碰到個問題,現場鉛鈣合金熔鉛爐中銻等雜質元素并未超標,但偶爾還出現脆裂的現象,脆裂處可見大的顆粒,像是晶界斷裂,后經分析認為是澆鑄溫度過低所致。澆鑄溫度過低時,合金中高熔點的CaSb化合物部分析出,浮在合金液表面,而手工操作過程中將表面的合金舀起鑄片。從而導致了局部Ca含量過高,而Ca含量在0.15%~0.31%時,合金晶粒粗大,并有非均相結構存在。這種結晶的鑄件發脆口。

5、案例分析

案例l

江蘇溧陽某蓄電池廠現場情況:熔鉛鍋內表面粘渣很多、很厚,呈粘稠狀,將渣全部撩清后,保溫靜置30min后,沒有渣出現,隨后開始繼續澆鑄,不到lh表面粘渣又很多。

原因分析:原材料、澆鑄工藝等正常,抽鉛泵偏心運轉,不斷濺出鉛液,濺出部分即成為渣。

解決辦法:更換抽鉛泵中軸后,問題得到解決。

案例2

安徽廣德某蓄電池廠現場情況:鉛鈣合金粘渣多,剛澆鑄出來的片子就出現局部斷裂、發脆現象。

原因分析:1)該廠工藝規定鉛鈣合金澆注溫度450~500C;

2)現場中鉛鈣合金和鉛銻合金在同一現場;

3)鉛鈣合金取樣分析后的數據顯示銻含量為0.0037%,已經超標。

解決辦法:提高板柵澆鑄溫度,將鉛鈣合金和鉛銻合金的生產現場嚴格隔離,嚴格區分不同合金的邊角料、回爐料。

案例3江西鷹潭某蓄電池廠現場情況:鉛鈣合金干渣多。

原因分析:1)采用手工澆鑄,且工人澆片不熟練;

2)燃煤爐溫度控制忽高忽低;

3)工業熱電偶測量值與實際值存在較大誤差,實際溫度超過620。

解決辦法:加強工人的培訓;調節加煤量,減少合金液溫度的波動;采用科學的溫度測量儀器。


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