李萬全 高長(zhǎng)銀 劉 江 譚澤富

1.重慶三峽學(xué)院，重慶，404000 2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州，450015

0 引言

蓄電池板柵是鉛酸蓄電池的基本組成結(jié)構(gòu)之一，約占蓄電池總質(zhì)量的20%～30%［1］。在蓄電池的生產(chǎn)過程中，基本的板柵制造技術(shù)有傳統(tǒng)的重力鑄造、拉網(wǎng)式、連鑄式3種。我國(guó)蓄電池行業(yè)的板柵生產(chǎn)主要采用鑄板機(jī)重力鑄造技術(shù)［2］，生產(chǎn)效率低，資源能源消耗大，污染嚴(yán)重，并且難以制造1mm以下的薄型板柵，產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力低。拉網(wǎng)式板柵制造技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的板柵制造技術(shù)，生產(chǎn)效率高，可生產(chǎn)出薄型板柵，缺點(diǎn)主要在生產(chǎn)技術(shù)方面，即采用在壓延的鉛帶上連軋切口，左右拉伸成網(wǎng)時(shí)必須使用鉛帶，極耳加工時(shí)間長(zhǎng)，加工過程有碎屑產(chǎn)生，板柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限制，活性物質(zhì)的附著性能與重力鑄造板柵相比較差。目前，拉網(wǎng)式板柵制造技術(shù)在歐美等國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)在20世紀(jì)90年代引進(jìn)該技術(shù)，但使用效果不理想［3］。蓄電池板柵連鑄連軋是20世紀(jì)80年代后期開始采用的板柵制造技術(shù)，它的生產(chǎn)效率可達(dá)重力鑄造的12倍以上。板柵連鑄機(jī)模具主要由動(dòng)模和定模組成［4－5］，熔融鉛液由熔鉛爐通過輸鉛管不間斷通入定模中，充滿動(dòng)模表面連續(xù)板柵型腔，板柵在動(dòng)模表面成形鑄出。其中，負(fù)極板柵可直接用于蓄電池生產(chǎn)，板柵脫模后經(jīng)卷取機(jī)卷成板卷以便運(yùn)輸或儲(chǔ)存；正極板柵需要經(jīng)過連軋工序，包括粗軋、壓花兩次軋制，軋制完成后進(jìn)行卷取。該過程具有生產(chǎn)性能好、質(zhì)量穩(wěn)定、可生產(chǎn)薄型板柵、板柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、鉛合金收得率高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是模具成本高，對(duì)鉛液的壓力、動(dòng)模旋轉(zhuǎn)速度、系統(tǒng)張力要求非常嚴(yán)格。目前，國(guó)際上蓄電池板柵連鑄連軋?jiān)O(shè)備主要由美國(guó)Wirtz公司生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)尚無相關(guān)技術(shù)及設(shè)備制造能力。本文主要研究連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)原理。

1 連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 連鑄機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

鉛板柵最大寬度為400mm，厚度范圍為0.6～5.0mm，動(dòng)模旋轉(zhuǎn)線速度為14～36m／min。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

連鑄機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，蓄電池板柵連鑄動(dòng)模在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下保持定速旋轉(zhuǎn)，熔鉛爐內(nèi)的鉛液經(jīng)輸鉛泵加壓后通過輸鉛管輸入定模，進(jìn)入定模內(nèi)部澆注腔從而充滿動(dòng)模表面板柵型腔。動(dòng)模與定模之間的間隙由模具間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。脫模后的板柵經(jīng)張力輥后送入夾送機(jī)，產(chǎn)生板柵連續(xù)脫模所需的張力，并對(duì)連續(xù)板柵進(jìn)行校直。

圖1 連鑄機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

1.3 連鑄機(jī)動(dòng)模設(shè)計(jì)

動(dòng)模結(jié)構(gòu)如圖2所示。動(dòng)模輥筒表面加工有連續(xù)板柵型腔，如圖3所示，型腔表面光潔度要求較高，拔模斜度設(shè)置為10°～15°。試驗(yàn)證明，拔模斜度過小會(huì)造成板柵脫模困難，對(duì)板柵結(jié)構(gòu)造成損壞，需要停機(jī)對(duì)型腔進(jìn)行清理，因此必須選擇較大的拔模斜度。

圖2 動(dòng)模剖面圖

圖3 動(dòng)模連續(xù)板柵型腔結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)模的溫度控制對(duì)板柵的成形極為重要，必須嚴(yán)格控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用模溫機(jī)對(duì)動(dòng)模溫度進(jìn)行有效控制。為保證恒溫導(dǎo)熱油進(jìn)入動(dòng)模內(nèi)部，動(dòng)模主軸設(shè)計(jì)為內(nèi)置軸承的空心軸，軸承內(nèi)圈安裝有供回油管路，模溫機(jī)輸出的導(dǎo)熱油經(jīng)供液管、供液口進(jìn)入動(dòng)模內(nèi)部，充入由輥筒、端蓋、空心軸、內(nèi)筒和密封結(jié)構(gòu)形成的空腔內(nèi)，冷卻后的導(dǎo)熱油經(jīng)回液口進(jìn)入回液管返回模溫機(jī)。在動(dòng)模旋轉(zhuǎn)過程中，供液系統(tǒng)保持靜止。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)為密封的空心圓筒，動(dòng)模內(nèi)部安裝內(nèi)筒的主要作用是降低動(dòng)模內(nèi)部液體容量，既可以實(shí)現(xiàn)快速加熱，又可降低模溫機(jī)加熱功率；同時(shí)，可在工作過程中降低動(dòng)模的總質(zhì)量，降低電動(dòng)機(jī)功率。

模溫機(jī)加熱功率的計(jì)算需要分別考慮動(dòng)模模具和加熱油的加熱功率。

動(dòng)模輥筒長(zhǎng)度為590mm，直徑為470mm，壁厚為55mm，內(nèi)部為中空，動(dòng)模質(zhì)量為358kg，模具內(nèi)部中空的容積為0.056m3。動(dòng)模模具需要在0.5h內(nèi)加熱到200℃。

動(dòng)模材料為鋼質(zhì)，質(zhì)量熱容c1＝0.46 kJ／（kg·K）。設(shè)室溫為25℃，溫度差為ΔT1，動(dòng)模質(zhì)量為m1，達(dá)到工作溫度需要的時(shí)間為t。則動(dòng)模模具的加熱功率P1按下式計(jì)算：

輥筒內(nèi)導(dǎo)熱油的質(zhì)量熱容c2＝2100 J／（kg·K），密度ρ＝0.85kg／m3，溫度差為ΔT2，輥筒內(nèi)部中空容積為V，則加熱功率P2的計(jì)算公式為

通過計(jì)算模具加熱功率為18.3kW，導(dǎo)熱油加熱功率為11.1kW。該計(jì)算中熱效率均取100%，未計(jì)加熱過程中的熱量損失及動(dòng)模金屬升溫及物料經(jīng)過輥筒所帶走的熱損失。一般按經(jīng)驗(yàn)取1.5倍的安全系數(shù)，則動(dòng)?？偧訜峁β蕿?/p>

因此，動(dòng)?？偧訜峁β蕿?4.1kW，實(shí)際選擇48kW。

1.4 連鑄機(jī)定模設(shè)計(jì)

定模結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。鉛液經(jīng)輸鉛管進(jìn)入定模的輸鉛棒內(nèi)，輸鉛棒為一中空?qǐng)A管，朝向澆注腔一側(cè)開有一排小孔（圖6），鉛液在輸鉛泵壓力作用下噴入澆注腔并充滿輸鉛棒與定模內(nèi)腔之間的空間，鉛液填充旋轉(zhuǎn)的動(dòng)模表面型腔并迅速凝固形成板柵。輸鉛棒頂端開有出鉛口，多余的鉛液由出鉛口噴入回鉛管，輸鉛管頂部套有一支撐環(huán)（圖5），支撐環(huán)底部開有一缺口，澆注腔內(nèi)多余的鉛液通過缺口流出，進(jìn)入回鉛管返回熔鉛爐。定模背部開有垂直于輸鉛管的盲孔，孔內(nèi)插有熱電偶對(duì)定模溫度進(jìn)行監(jiān)控。

定模溫度采用在定模后部開設(shè)3個(gè)貫通的加熱管道，并用電加熱或恒溫液體加熱的控制方式，把溫度控制在很小的溫度范圍內(nèi)，要求定模內(nèi)部的鉛液溫度盡可能保持均一。同時(shí)在定模底部靠近動(dòng)模處開有貫通的冷卻管路，對(duì)動(dòng)模和定模接觸區(qū)的底部進(jìn)行冷卻，保證板柵脫離模具時(shí)充分凝固。

圖4 定模三維結(jié)構(gòu)

圖5 定模視圖

圖6 輸鉛棒

為防止鉛液在壓力作用下向定模上方溢出，在定模上部開有一條氣體保護(hù)管路，管路面對(duì)動(dòng)模方向開有一排噴氣孔，噴出高溫高壓保護(hù)氣體，既可以阻止鉛液向上流動(dòng)，還可以起到隔絕空氣、減小鉛液蒸發(fā)及氧化的作用，考慮到生產(chǎn)成本，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。同時(shí)，在定模澆口上部設(shè)有與動(dòng)模板柵型腔邊框配合的筋條，對(duì)相對(duì)較粗大板柵邊框腔進(jìn)行封閉。

2 樣機(jī)試制

在蓄電池板柵連鑄機(jī)研制過程中，成功地試制了連鑄機(jī)樣機(jī)一臺(tái)，并進(jìn)行了板柵連鑄試驗(yàn)。試驗(yàn)采用鉛鈣合金作為鉛液原料，動(dòng)模旋轉(zhuǎn)線速度為15～36m／min，熔鉛爐鉛液溫度為450～500℃，動(dòng)模溫度為80～180℃，定模溫度為200～350℃，冷卻水溫度為60～85℃［6］。經(jīng)驗(yàn)證，連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理合理，成功獲得了連續(xù)鑄造板柵樣品，如圖7所示。但由于動(dòng)模連續(xù)板柵型腔質(zhì)量不高、未找到適當(dāng)?shù)囊后w脫模劑、板柵制造工藝尚處于摸索階段等原因，導(dǎo)致板柵質(zhì)量不高，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

圖7 連鑄板柵試制樣品

3 結(jié)束語

本文研制了一種蓄電池板柵連鑄機(jī)，設(shè)計(jì)采用輥筒式動(dòng)模與內(nèi)置輸鉛棒定模相配合的一種生產(chǎn)方式來試制蓄電池板柵。輥筒式動(dòng)模表面具有柵格狀型腔，內(nèi)部安裝有加熱循環(huán)系統(tǒng)；定模內(nèi)部分別安裝有加熱與冷卻系統(tǒng)，其主要作用是為動(dòng)模提供充型的鉛液，同時(shí)對(duì)成形的板柵進(jìn)行冷卻。試驗(yàn)證明，隨著動(dòng)模旋轉(zhuǎn)，蓄電池板柵在動(dòng)模表面型腔內(nèi)連續(xù)成形，鉛液在模具內(nèi)凝固較好，成功獲得蓄電池板柵樣品。

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