Mercury Marine 公司采用新除氣系統(tǒng)

Mercury Marine 公司是美國Brunswick 公司的下屬分公司，Mercury Castings鑄造廠是Mercury Marine 公司下屬廠，建在美國威斯康星州的Fond du Lac,于20世紀(jì)90年代建成，該廠是船用引擎和部件的全球領(lǐng)先制造商，除了生產(chǎn)高壓壓鑄機(jī)部件用于引擎之外，還加工生產(chǎn)娛樂、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和汽車工業(yè)的部件。目前，Mercury Castings鑄造廠有超過40臺壓鑄機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中，主要采用廢鋁作為原料，原鋁僅占5%。

在高壓壓鑄機(jī)的研究和開發(fā)方面，Mercury Marine 公司也處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)開發(fā)出來許多注冊專利的鋁合金，滿足用戶對引擎的性能、耐用性和可行性的需求。

Mercury Marine 公司在鑄造廠安裝了能降低孔隙性風(fēng)險的先進(jìn)超聲波除氣系統(tǒng)。

超聲波除氣

傳統(tǒng)的超聲波除氣研究可以追溯到20世紀(jì)70年代冷戰(zhàn)時期的蘇聯(lián)，利用高強(qiáng)度超聲在鋁水中生成空穴氣泡，這些空穴氣泡壽命非常短，在其存在的短時間里，其中一些空穴氣泡收集溶解的氫并飄浮到表面，另外有氧化物膜和重金屬氧化物被這種強(qiáng)壓力波打碎并在熔體里擴(kuò)散開來。盡管小型實(shí)驗(yàn)室顯示，在清理過程中采用這種除氣和清理是有效的，但對于工業(yè)生產(chǎn)，這一工藝技術(shù)并不太有效。

美國Southwire 公司在超聲波除氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)飛躍，使向鑄造廠和鍛造廠提供潔凈鋁金屬所必須擁有的耐用性和效率成為可能。

第一個技術(shù)飛躍是在強(qiáng)超聲波場引入吹洗氣體，第二個技術(shù)飛躍是開發(fā)出來陶瓷超聲波噴頭。

傳統(tǒng)吹洗除氣依靠幾種方法使氣體進(jìn)入熔體，但都不理想。現(xiàn)代方法是利用一個旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在熔體里散開氣泡，采用氫氣時達(dá)到最高效率。超聲波除氣系統(tǒng)引入吹洗氣體通過一強(qiáng)的聲波場，和傳統(tǒng)方法相比擁有3倍的效果。吹洗氣體在空穴氣泡破碎之前收集空穴氣泡，極大地增加了超聲波除氣效果。聲波場打碎吹洗氣泡，變成可能最小氣泡和收集鋁水中的夾雜物，氣泡表面積實(shí)現(xiàn)最大化，聲波場通過聲波流在向下運(yùn)動中分布這些氣泡，達(dá)到徹底處理鋁柱，超聲波除氣展示的效果和采用氫氣或氮?dú)獾男Ч粯印?/p>

研究開發(fā)陶瓷噴頭為超聲波除氣系統(tǒng)提供了耐用性。傳統(tǒng)的除氣系統(tǒng)中，超聲波通過鈦金屬噴頭進(jìn)入熔體，然而，在鋁熔體里，鈦金屬噴頭僅能使用九分鐘就因?yàn)榛瘜W(xué)浸蝕和機(jī)械磨損而不能用了；采用耐火材料金屬制成的噴頭，例如金屬及其合金，在最好情況下，使用時間稍長一些，可用12個小時，但成本太高。而Southwire 公司研究開發(fā)的陶瓷噴頭，性能達(dá)到最佳化，可使用超過500個小時，在連續(xù)使用期間，只需要每兩天對陶瓷噴頭進(jìn)行5分鐘清理和打磨。

減少孔隙

Mercury Castings鑄造廠擁有超過40臺高壓壓鑄機(jī)，配置有一座電動輻射靜置爐；鋁水采用大鋁水包，用叉車運(yùn)輸；有一座二次熔爐，可熔化所有類型鋁廢料，生產(chǎn)高壓壓鑄機(jī)所用注冊專利的鋁合金。在熔爐放流后，鋁水進(jìn)入靜置爐，達(dá)到穩(wěn)定溫度，裝備有一個2000磅大型鋁水包接收來自靜置爐的鋁熔體，然后送到旋轉(zhuǎn)除氣站（采用氮?dú)猓Ａ?分鐘，再送到鑄造機(jī)。

在熔體里空氣產(chǎn)生的孔隙由壓鑄機(jī)捕獲，這是壓鑄生產(chǎn)的一個主要擔(dān)憂，因?yàn)榭紫稌粼阼T造部件里，造成各種缺陷，特別具有挑戰(zhàn)的是因?yàn)榭紫度毕莶⒉唤?jīng)常被發(fā)現(xiàn)，直至和另一部件連接，如果在此階段后，進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)了孔隙缺陷，兩種部件都必須報(bào)廢。在Mercury Castings鑄造廠，一個報(bào)廢鋁組件成本超過一個單一的鋁鑄件的成本。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Mercury Castings鑄造廠引入了該超聲波除氣技術(shù)。

2016年5月， Mercury公司采用一個雙噴頭超聲波除氣系統(tǒng)，利用氮?dú)庋b在一臺高壓壓鑄機(jī)的浸漬井（dip well）對一個最普通的鋁鑄件進(jìn)行了兩天的試驗(yàn)，每個鑄造周期重量為15磅，通過實(shí)時溶解氫分析，確定工藝在超聲波除氣工作6小時后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這在本質(zhì)上更具有學(xué)術(shù)研究價值。

這一試驗(yàn)提供了一個統(tǒng)計(jì)值，展示鑄造體密度上升，X光分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。當(dāng)時沒有進(jìn)行正式的成本效益分析，因?yàn)樵囼?yàn)中所展示的效益是重要并且令人信服的。所以Mercury公司決定向前走一步，購買一臺雙頭超聲波除氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在工廠里移動，用于最需要減少孔隙的部件生產(chǎn)。

2018年4月，這一系統(tǒng)安裝在一臺高壓壓鑄機(jī)的浸漬井試車。超聲波除氣系統(tǒng)安裝在一臺生產(chǎn)AA 380.1合金的壓鑄機(jī)上，這一合金鑄件對孔隙十分敏感，并且在機(jī)加工之前要進(jìn)行涂漆和涂層工序，這表明如果部件顯示有孔隙缺陷，不能只經(jīng)過簡單重熔工序就能回收，其鑄造的和機(jī)加工增值工序在部件報(bào)廢時都損失了。此外，還有在內(nèi)部重熔部件之前，損失的時間和對環(huán)保負(fù)責(zé)任的去涂漆的花費(fèi)，所有這些加到一起，一種部件報(bào)廢成本約為25萬美元/年。

超聲波除氣系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行4天，起始H2值為0.20-0.25ml/100g，最低值為0.03ml/100g，這一低值表示H2水平在熔體中遠(yuǎn)遠(yuǎn)處于平衡狀態(tài)之下，因此在凝固時沒有產(chǎn)生氫氣孔隙的機(jī)會。

對沒有安裝超聲波除氣系統(tǒng)的鑄件的歷史數(shù)據(jù)和安裝超聲波除氣系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行4天的初步試驗(yàn)廢品率加以比較，廢品率從10%下降到1%，最少節(jié)省了約為19.2萬美元，這不包括機(jī)加工時間的節(jié)省或者節(jié)省浸漬過程工序的潛在優(yōu)勢。節(jié)省浸漬費(fèi)用12萬美元，機(jī)加工成本7.5萬美元，總共成本節(jié)省了38.7萬美元/年。

結(jié)論

通過采用先進(jìn)的超聲波除氣工藝技術(shù)，Mercury Castings鑄造廠能夠控制鋁鑄件中孔隙缺陷到一定限度，從而減少生產(chǎn)中報(bào)廢部件的數(shù)量，對于這一新技術(shù)的投資體現(xiàn)在已故Mercury Marine 公司前冶金學(xué)家、Ray Donabue 博士的聲明中：“我的工作是發(fā)現(xiàn)最好新技術(shù)，并帶到Mercury Marine 公司，這樣我們能制造更好的船用引擎。”