板栅铸造问题分析

　　在电池制造行业中，板栅气孔是困扰很多企业的问题，虽然尝试过很多办法，但都没有得到有效的控制。以下是我的个人分析，仅供大家参考。
　　首先来分析气孔发生位置：气孔主要集中在极耳上及板栅下模口框筋上。
　　为什么气孔会集中在这两处地方呢? 1、极耳处空间加大，存有的空气多，合金凝固之前不能完全排气;2.、下模口框筋气孔，主要是因为液铅倒入模具后下沉，上部空气被下压到下模口，造成排气不及时产生气孔。
　　虽然模具上都有排气道的设计，但是现在模具上的排气道都是和板栅上的竖框筋十字相交，线的排气道变成排气点，实际有效排气利用率不足15%，最终导致模具内大量空气不能排除，致使板栅产生气孔。面对这个无法改变的现实，要解决板栅气孔的办法，只有推迟合金铅的凝固时间才能得到改进。
　　办法1：根据板栅气孔情况，逐步提高模具温度，到达推迟合金铅凝固时间，留出更多的时间用来排气。
　　办法2：下模口温度要适当高于上模口温度，随着液铅的下沉，空气会聚集在下模口，所以要留出更多的时间来排气，推迟液铅的凝固。
　　以上两种解决办法并不会十分有效，同时还会影响浇铸产量，员工执行难度较大。根据国家环保政策要求，到今年12月低，正板铅锑镉合金禁止使用，必须使用铅钙合金的要求，正板板栅气孔问题就会更多。
　　要有效改进气孔的问题，必须彻底颠覆现有的模具排气道的设计。根据现有排气道利用率只有15%问题来进行改进。
　　办法1：每片板栅的极耳上必须有排气道开口，有效提高极耳处的排气效率。
　　办法2：所有排气道要改在框筋上，把原有十字交叉点的排气改成线的排气，并于竖框筋交叉，把排气道上排气眼百分之百的利用起来，下模口框筋必须有排气道从框筋上过。
　　排气道设计在框筋上，本人因为工作原因，没有机会尝试，有性趣的同道中人，可以尝试一下。同时麻烦您告知试验结果。

一种抑制阀控蓄电池板栅气孔生成的方法及板栅模具，用于解决抑制阀控蓄电池板栅气孔生成气孔问题。其方法为：a、板栅原料铅钙锡铝合金熔化温度480～510℃；b、板栅模具加热温度为180～230℃；c、脱模剂配比为软木粉30～35、硅酸钠10～18，膨润土5、水1000；模具喷涂；d、合金浇铸。本发明对板栅模具结构进行改进，增设气道、加大浇注口及减小板栅过渡圆角部位的圆弧半径R等

摘要:本文根据笔者的实际经验，对铅钙板栅合金浇铸过程中常见的渣多、片子发软、断筋、缩孔、气孔、脆裂等缺陷进行了分析，并提出了针对性的解决方案。最终指出的是：板栅的生产浇铸过程中，对熔铅锅内的合金温度和板栅浇铸温度的控制、对生产工艺的科学制定和严格执行等环节都是至关重要，这有助于保证产品质量、提高生产效率和节支增效。

关键词：铅钙合金；铸造缺陷；浇铸温度

内容：板栅生产是蓄电池制造的一个重要环节，一个企业的板栅生产量往往非常大，每月都在几百万以上。极板生产过程中合金成品率每提高１％，每月直接节约的生产成本就在几万以上，因此极板生产的废品率以及合金利用率的控制是极板生产过程中应主要控制的项目之一，生产工艺、工装设备、人员操作等因素对极板成品率都有着非常重要的影响ｕ】。在本文中，笔者作为板栅合金原材料的供应商，经常出差解决有关合金浇铸过程中的缺陷问题，并在这一售后服务过程中积累了一些经验。由于板栅合金重力浇铸过程的专业书籍以及文献报道很少，因此笔者将一些常见的问题加以总结，仅供业内人士参考，希望不足之处给予指正。

板栅的制造方法主要有：铸造、冲压、拉网、连铸、压铸几种，国内目前大多采用的是铸造板栅，包括单模自动铸板机铸造和人工浇铸。板栅材料目前采用的主要有铅锑合金、低锑合金和铅钙合金口Ｊ。铅钙合金作为第一代免维护蓄电池的板栅材料，逐渐成为人们的首选，目前其市场占有量已达到了７１”－－８０％。由于铅钙合金冷却范围窄、铅钙合金比铅锑合金难制得多，所以铸造铅锑合金的技术不能用于铅钙合金。在铅钙合金板栅的生产浇铸过程中，制造商们经常碰到的问题是渣多、片子发软、断筋、脆裂等问题，并误认为是原材料的问题，而正常、完整的板栅是不缺、不断、不裂。经笔者的现场处理发现：多数问题的出现是由于板栅生产工艺不合理或未严格执行生产工艺所致。１、熔铅炉中产渣较多

第九届全国铅酸蓄电池学术年会论文全集铅钙合金浇铸过程中，随着时间的延长，熔铅锅中将出现一层粘稠状的银白色渣，时间再长一点时将有部分黄色的干渣出现。这层渣主要成分为Ａ１_２０_３、ＣａＯ、ＡＩ、ＰｂＯ、Ｐｔ，３Ｃａ及夹杂的铅合金等组成的混合物，由于这些氧化物都比铅合金轻，因而都浮在合金液表面。正常情况下这层渣起到了隔绝氧气防止合金液迸一步氧化的作用，其产生量不会随时间的变化而加剧。铅钙合金产渣率因合金中锡含量不同而异，一般在５％’－－．１０％，但由于一些不正当操作，导致了合金渣多的现象。

1.1、产渣原因

板栅生产过程中，钙的损耗是正常的，造渣也是正常的，但有时会出现熔铅锅内渣变多变厚的非正常情况，究其原因主要涉及浇铸工艺、设备、原料等因素，且主要是因为合金液温度控制不合理或采用过多回炉料造成的。合金浇铸过程中，熔铅锅内温度过高或过低都会造成渣多，分别形成高温氧化渣析出渣，因此，为控制产渣率、节支增效，必须合理的制定生产工艺并严格控制执行。１．１．１浇铸温度不当

１）高温氧化合金液      

温度过高时，合金液表面会浮有一层黄色粉末状干渣，并夹杂一些合金液，称为高温氧化渣，主要成分为ＣａＯ，这层渣随时间延长而变厚，是由于钙的高温氧化造成的。钙的化学性质活泼。极易氧化，尽管有保护剂和保护措施，但其在配置、使用时的氧化损耗还是很大的，在一般情况下，损耗率为１５％～２０％。若合金锅中温度过高，势必加剧了钙的氧化烧损，致使合金表面干浮渣越来越多，实际生产过程中，这种高温造渣的情况并不多见，且主要发生在一些采用手工浇铸的小企业。手工浇注过程中，浮于合金表面的铝被逐渐的撇掉，从而造成了铝含量的减少，起不到保护作用，进而导致了钙的烧损造渣。还有个别企业的工人为了提高一次喷模的浇片数量，随意提高锅内合金温度，其目的是使处于浇铸过程的模具冷却变慢；另外工人们认为高温形成的干渣不象湿渣那样粘稠，从而使手工操作时舀取合金变得轻松方便。而这些做法的最终结果就是合金中钙合金中钙含量的烧损和成分的不均匀。

２）低温析出

浇铸温度过低时，合金液表面会出现一层粘稠状的银白色湿渣，称为低温析出渣，其主要成分为ＡＩ、Ｐｂ_３Ｃａ及少量的ＣａＯ、Ａ１_２０_３，若合金液温度过低，这层渣也会越来越多，浮在合金液上，而且比氧化渣要多的多，这主要是由于低温导致Ａｌ和Ｐｂ3Ｃａ的析出造成的。铝在铅中的溶解度随温度的降低而降低，由铅铝相图可以看出，铝在熔融铅中的溶解度极小，在固态铅中近乎是零，铝加入铅中将产生明显的密度偏析。铅钙合金中的铝含量～般为ｏ．０２％～ｏ．０３％。正常浇铸温度下，铝以不饱和的形态存在于合金中，若温度过低，铝便会析出，浮在合金液表面起到造渣作用。另外需注意的是：经验表明，铝析出的同时会将合金中的钙一起带入渣中。

室温下，钙在合金中的溶解度为０．Ｏｌ％，且以Ｐｂ３Ｃａ的形式存在。Ｐｂ_３Ｃａ的熔点为６６０Ｘ〕，在合金锅内恒温的情况下（非浇铸时的快速冷却），合金液温度过低势必会造成Ｃａ的析出，它们浮在合金液表面，加剧了渣的产生。

总之，低温情况下舢和Ｐｂ_３Ｃａ的析出会造成恶性循环，像具有吸附性一样，使合金渣越来越多。这样一来，表面就出现所谓的银白色的粘渣。造成合金液中钙含量的降低，其实这一过程不是钙的烧损过程，而是铅钙化合物析出造渣的过程。另外需注意的是。负极的渣要比正极的渣多，因为负极中没有锡，而正极中的锡可以与钙形成Ｓｎ_３Ｃａ化合物，从而增大了钙的溶解度。

３）浇铸温度的讨论

浇铸温度是板栅生产中的一个非常重要的参数，它决定了板栅的生产效率和产渣率。关于此温度问题，目前许多企业是各抒已见，他们都有自己的规定。笔者认为，正常的板栅浇铸温度应因合金成分不同（如铝含量）而异，一般应控制在５２０”Ｃ左右，在这个温度段下，合金的产渣量是最小的，板栅的成分是稳定的，而且也是经过实践检验的（目前各大企业基本上都在采用这一温度）。需说明的是：产渣率不等于钙的烧损率，即钙的浇损率高可能导致渣多，但渣多不一定说明钙的烧损率高。

但有些企业对钙的氧化烧损存在偏见，他们认为：钙在高温容易烧损，所以浇铸过程中不能超过５００”Ｃ，而且也曾有一位客户，向笔者问了一个问题——什么温度下钙最不容易烧损？并指出：他们对不同温度下钙烧损率曲线的研究表明４８０１２时钙的烧损率最低。其实，众所周知的是：铅钙合金中含有铝，它在一定程度上解决了钙的烧损问题。图１为铝对钙的氧化速率的影响图图ｌ铝对钙的氧化速度的影响从图ｌ中我们可以看出：在有铝存在的情况下，铅钙合金经过２４ｈ后，其烧损量微第九届全国铅酸蓄电池学术年会论文全集乎其微，钙含量可以在３６ｈ基本不变化。因此，我们在生产过程中不要特意地去强调钙的高温烧损问题，只要不是反反复复的固态铅合金重熔，在正常的浇铸温度下，钙的烧损不像想象的那么厉害。相反的是，如果温度过低，必将导致Ｐｂ３Ｃａ的析出。诚然，４００多度也可以浇铸，但我们不得不怀疑此时浇铸成品中合金成分的稳定性和均匀性问题，而且更重要的是，此时低温造渣的钙远远大于高温烧损的钙，可以说这是顾此失彼。

１．１．２回炉料处理不当

１）一些企业将边角料等废板栅集中回炉，导致新旧料比例失衡，而冶金学中规定新旧料的使用比例应保持在６：４以上。另外，资料表明：铅钙合金在凝固重熔时，其损耗率为３０％左右。上述原因最终导致了合金渣多的现象。

２）手工操作过程中，工人一般将废板栅直接扔到熔铅炉中，板栅浮在渣面上，此时板栅中铅先熔化，然后透过渣和铝保护层进入合金液中，而钙元素却很难通过渣和致密的氧化铝保护层，所以就聚集在渣中，致使渣越来越多。最好的手工操作方式是使用勺子将废板栅搅拌一下，压人到合金液中，确保边角料、废板栅等能在合金液中熔化。

１．１．３设备问题

１）温度计问题      一些小企业（尤其是手工浇铸的企业）采用的温度计大多为工业温度计，误差较大，实际温度比测量温度一般高出６０”Ｃ左右，因而工人在不知情的情况下导致了高温浇铸。

２）熔铅锅问题手工浇铸的企业主要采用燃煤炉或油炉，由于煤、油等燃料燃烧的不可控性，易造成熔铅锅内合金液温度的忽高忽低，最终导致了合金造渣过多。

３）抽铅泵问题采用机械铸板的企业，要注意抽铅泵的可靠性。个别企业未注意此问题，结果使抽铅泵偏心运转，带出的合金液加剧了合金渣的产生。１．１．４原材料问题

关于铅钙合金原材料质量的问题一直是—个供需双方争论的问题。板栅生产商反映的是原材料质量的不稳定性，且主要体现在合金渣多上，他们指出：铸板生产工艺不变、操作人员不变，唯一改变的就是原材料的批次，所以认为熔铅锅内渣多是原材料的问题，甚至怀疑原材料供应商所采用的原料有问题。而作为原材料供应商也强调指出：铅钙合金是—个非常成熟的产品，合金生产原料未变、合金生产工艺未变等。所以就渣多问题供需双方都在努力寻找其他的非上述原因，在此也希望业内人士能给予～些指导意见。

1.2、     渣多的处理方法

严格控制合金浇铸温度，严格执行板栅生产工艺；合理利用废旧边角料等回炉料；采用科学准确的温度测量工具，确保熔铅锅内合金液温度的准确性；定时撩取熔铅锅内的合金渣，一般为每班１～２次。

1.3、合金渣的处理

为达到清洁生产的目的，铸板生产时产生的铅合金渣（灰）应集中密闭堆放，不得露天放置，然后集中售往正规的废铅回收单位进行处理，铅渣若处理不当可能会发生燃烧和爆炸。另外需注意的是：铅钙与铅锑合金的渣灰不能混合放置，否则他们将会发生如下反应：

Ｃａ＋Ｓｂ＋Ａｓ—ＣａＳｂ＋ＣａＡｓ＋０_２＋Ｈ_２０—Ａｓ_２０_３＋ＳｂＨ_３

上式中的生成物都是剧毒。会严重的危害人们的健康口

有些单位为节约成本，对铅渣自行高温重熔，然后加入铅钙母合金调配工作合金，其实这种做法往往是得不偿失，笔者不赞成这种方式，其一、非专业的合金生产技术和设备，造成合金成分的不均匀和不稳定，影响产品质量；其二、高温冶炼的环保设施不到位，造成一定的环境污染。

２、板栅发软

板栅发软在一般企业中并不多见，业内人士对此都有一定的认识，只是一些小企业对此可能缺乏了解。

２．１原因

板栅发软主要是合金中钙含量过低，钙是铅钙合金的主要硬化剂。目前铅钙合金中的钙添加量一般为Ｏ．０８％～０．１２％，为了使板栅达到应有的硬度，钙的含量至少应在０．０６％以上。钙在一定条件下与铅形成Ｐｂ_３Ｃａ化合物。这种化合物的细晶粒沉淀使合金具有一定的强度和沉淀硬化性。       ３２８．５℃时钙在铅中的溶解度为０．１％，在室温下，钙在铅中的溶解度为０．０ｌ％，此时它以亚显微相从ａ相中沉淀出来，当钙含量为０．０６％～０．１５％时，这些均匀的沉淀提高了合金的硬度；当钙含量高于ｏ．０７％时，平衡状态下的组织为含少量钙的铅固溶体基体上分布的ＰＩ）３Ｃａ化合物；在含钙量约０．１％时可达强度及硬度的最大值。另外，铅钙合金的时效硬化非常明显。所以，板栅浇注过程中，首先应控制钙含量，为了获得快速时效硬化的板栅，控制钙的含量极其重要，一旦钙含量降得过低时，板栅将呈现出混合不稳定的颗粒状态分布，板栅硬化不了，而且易被腐蚀。

造成钙含量低的主要原因是板栅浇铸过程中钙元素的流失，这主要包括铅钙合金重熔时的钙烧损（铅钙合金在凝固重熔时，其损耗率为３０％左右），以及浇铸过程中的高温烧损和低温造渣。这在上面已经谈过，且光谱数据显示：一般造渣较多的合金中钙和铝的含量较低。

２．２处理方法

此问题的常用处理方法是按比例加人适量的铅钙母合金，母合金中钙含量一般在１．Ｏ％～Ｌ５％之间．一般是每班次加入一次母钙比较合适，加入量可根据母钙量计算即可。  有条件的公司，可定时检测合金液中钙的含量，并做出及时的调整，从而可有效的指导生产、确保产品质量的稳定。小公司很难做到钙含量的实时检测，对锅中钙含量的判断只能凭经验进行。一般是凭手感，不同钙含量板栅的初始硬度不同，当板栅浇铸完毕并冷却至室温后，拿起来在手中拗，凭手感硬度来判断钙含量，另外钙含量足够高的话，扔到工作台上时会有金属声音。

３、板栅断筋、缩孔、气孔

影响板栅浇铸质量的四大要素为：模温、液温、模具质量、及脱模剂，板栅断筋及产生缩孔或气孔主要是由于上述原因造成的，包括模温和液温造成的综合铸片温度过低，全金流动性下降，凝固过快；断筋处模具排气不畅：一次喷模后的浇铸时间过长，导致脱模剂耗尽造成的合金流动性变低等。熟练工人对此问题一般比较熟知，一解解决方法是采取提高模具温度、重新喷模、修模具、疏通排气孔等措施，其中主要的是控制合金温度、模具温度及过冷度。因为铸板质量和铸板速度是板栅制造中的两个环节，控制合金温度和模具温度是板栅制造的关键。根据板栅要求的厚度不同和合金成分的不同，调节合金锅的温度和模具温度，尤其是铸板一开始模具温度一定要达到要求的范围，浇注合金的速度要快，定模时间应该短，减少模具温度的变化。另外，要使板栅不至于出现裂纹、缩孔等缺陷，而又能获得耐腐蚀性能好的细晶粒合金，就必须适当的控制合金的冷却速度，也就是控制好模具的温度。过冷度是与合金温度、模具温度和冷却速度有关的物理量。在铸板中我们要求的是晶核生长速度快，晶体生长速度慢，晶体细小，这就要控制合理的冷却速度。所以，要浇注强度和耐腐蚀性能较好的板栅，除了控制好合金和模具的温度以外，还要掌握好适当的过冷度，这些要在实践中体会。

４、板栅片子脆裂

铅钙板栅发生脆裂的情况一般少见，这主要是由于铅钙合金中混进了其他杂质。而铅钙合金生产过程中，绝对不能混入杂质，特别是锑，应控制在０．００１％以下，因为锑与钙生成Ｃａ_３Ｓｂ浮渣，会对板栅造成显著的不良影响另外，铅合金中的非金属元素如Ｓ等也会造成板栅的脆裂。所以，板栅生产过程中一定要按清洁生产的要求采取相应的措施，做到现场的整洁有序、边角料分类堆放、原材料分类标识等。

浇铸温度过低有可能导致脆裂。笔者曾碰到—个问题，现场铅钙合金熔铅炉中锑等杂质元素并未超标，但偶尔还出现脆裂的现象，脆裂处可见大的颗粒，像是晶界断裂，后经分析认为是浇铸温度过低所致。浇铸温度过低时，合金中高熔点的Ｃａ_３Ｓｂ化合物部分析出，浮在合金液表面，而手工操作过程中将表面的合金舀起铸片。从而导致了局部Ｃａ含量过高，而Ｃａ含量在０．１５％～０．３１％时，合金晶粒粗大，并有非均相结构存在。这种结晶的铸件发脆口。

５、案例分析

案例ｌ

江苏溧阳某蓄电池厂现场情况：熔铅锅内表面粘渣很多、很厚，呈粘稠状，将渣全部撩清后，保温静置３０min后，没有渣出现，随后开始继续浇铸，不到ｌｈ表面粘渣又很多。

原因分析：原材料、浇铸工艺等正常，抽铅泵偏心运转，不断溅出铅液，溅出部分即成为渣。

解决办法：更换抽铅泵中轴后，问题得到解决。

案例２

安徽广德某蓄电池厂现场情况：铅钙合金粘渣多，刚浇铸出来的片子就出现局部断裂、发脆现象。

原因分析：１）该厂工艺规定铅钙合金浇注温度４５０～５００‘Ｃ；

２）现场中铅钙合金和铅锑合金在同一现场；

３）铅钙合金取样分析后的数据显示锑含量为０．００３７％，已经超标。

解决办法：提高板栅浇铸温度，将铅钙合金和铅锑合金的生产现场严格隔离，严格区分不同合金的边角料、回炉料。

案例３江西鹰潭某蓄电池厂现场情况：铅钙合金干渣多。

原因分析：１）采用手工浇铸，且工人浇片不熟练；

２）燃煤炉温度控制忽高忽低；

３）工业热电偶测量值与实际值存在较大误差，实际温度超过６２０℃。

解决办法：加强工人的培训；调节加煤量，减少合金液温度的波动；采用科学的温度测量仪器。