鑄造砂處理核心裝備技術(shù)的研究與設(shè)計

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計室，江蘇江陰 214400）

現(xiàn)代鑄造工業(yè)的砂處理系統(tǒng)，是一個復(fù)雜又龐大的工程技術(shù)系統(tǒng)。不同的鑄造工藝有不同的造型方式，對型砂性能、混合處理、舊砂再生有著不同的技術(shù)指標與要求。

大型鑄造砂處理系統(tǒng)的型砂質(zhì)量目標，體現(xiàn)在核心工藝裝備技術(shù)的先進性和可靠性。如制備型砂的高效轉(zhuǎn)子混砂機，落砂工部的大型振動落砂機以及舊砂再生的強力搓磨再生機等。

以下分別對三種核心裝備的研發(fā)與設(shè)計展開描述。

1 大盤徑轉(zhuǎn)子混砂機

大盤徑轉(zhuǎn)子混砂機（以下簡稱轉(zhuǎn)子混砂機），是應(yīng)用于大型粘土砂鑄造工藝中型砂制備的核心裝備，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子混砂機基礎(chǔ)上改進設(shè)計的一種大型混合設(shè)備，其運行狀態(tài)是利用雙轉(zhuǎn)子機構(gòu)與犁型刮板的高速混合機理，優(yōu)化了傳統(tǒng)的動力驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)置快速水噴淋和大容量加料機構(gòu)等。

盤徑2800mm 的轉(zhuǎn)子混砂機單臺生產(chǎn)能力達到70 t/h 以上，設(shè)計總功率75kW+44kW。

轉(zhuǎn)子式混砂機的基本參數(shù)是按技術(shù)標準JB/T 2656-2007《輾輪混砂機、輾輪轉(zhuǎn)子混砂機基本參數(shù)》選擇設(shè)計[5]。

圖1 轉(zhuǎn)子混砂機外形結(jié)構(gòu)

圖2 轉(zhuǎn)子混砂機轉(zhuǎn)子、刮板、卸砂門結(jié)構(gòu)

1.1 研發(fā)設(shè)計的技術(shù)特征

（1）轉(zhuǎn)子混砂機底盤下主電機設(shè)計采用變頻異步電機，配置液流偶合器連接硬齒面減速器的驅(qū)動形式（避免三角帶的低效率傳動）。

（2）采用全電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動，取消氣動控制。配套型砂檢測儀，主要對水份、溫度的檢測控制。同時對砂庫溫度和水份的聯(lián)合監(jiān)測控制，設(shè)置聯(lián)合數(shù)據(jù)采集，適時掌握型砂混合性能。

（3）加進砂系統(tǒng)設(shè)置為快速定量加料機構(gòu)（閉式防塵給料、配置溫度的檢測，包括粉料）。

（4）轉(zhuǎn)子混砂機的出砂機構(gòu)是關(guān)鍵問題之一，設(shè)計采用快速松砂排出料機構(gòu)（機動閘門式排料、避免堵砂、漏砂）。

（5）設(shè)計采用智能環(huán)狀噴淋加水管路與型砂性能控制互聯(lián)。

（6）設(shè)計配置一個操作檢修、觀察、防護平臺，立柱采用矩形結(jié)構(gòu)，承載能力強（可為砂處理工藝設(shè)計提供模塊）。

（7）為提高生產(chǎn)能力與運行性能，對葉片轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式、犁型刮板的結(jié)構(gòu)形式進行了新的設(shè)計。

（8）轉(zhuǎn)子混砂機內(nèi)襯圍圈采用不銹鋼材料，防止粘砂（粘砂也是混砂機的常見問題之一）。

（9）轉(zhuǎn)子混砂機主體為封閉式筒體結(jié)構(gòu)（防止粉塵外溢），頂部設(shè)置有排放口（連接除塵系統(tǒng)方便熱氣、回流氣的排放）。

（10）轉(zhuǎn)子混砂機筒體上設(shè)置有取樣口，可以與型砂檢測控制（粘土砂型砂性能檢測必備之一）互聯(lián)。

1.2 轉(zhuǎn)子混砂機工藝參數(shù)設(shè)計

（1）混砂機盤徑（mm）：?2800；

主軸轉(zhuǎn)速（r/min）：28（32）；

主電機功率（kW）：75；

主軸犁型刮板形式：對稱S 形、硬齒面減速器選型配套。

（2）?2800 混砂機盤徑面積：π×1.42×0.8（充填系數(shù)）=4.92（m2）。

設(shè)定砂層高度為0.85m，加砂量：0.85m×4.92m2×1.2t/m3=5.02t。

設(shè)定砂層高度為0.75m，加砂量：0.75m×4.92m2×1.2t/m3=4.43t。

設(shè)定砂層高度為0.75m，加砂量：0.65m×4.92m2×1.2t/m3=3.84t。

（3）混合時間：3～5min，取4min（1h 可混砂15次）。在一次加入量為3.840t、4.430t、5.020t 時，生產(chǎn)能力分別為3.840×15=57.6（t/h）；4.430×15=66.4（t/h）；5.020×15=75.3（t/h）。

（5）兩組轉(zhuǎn)子（上部安裝、減速電機獨立驅(qū)動）：

轉(zhuǎn)子葉片直徑（mm）：?560；

轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速（r/min）：300；

單轉(zhuǎn)子功率（kW）：22（30）。

選擇主要技術(shù)參數(shù)的對比，在設(shè)計理念上保持傳統(tǒng)混砂機的合理要素，同時提升混砂機的結(jié)構(gòu)性能，達到合理的產(chǎn)能與能耗[1，3]。

2 大型雙質(zhì)體振動落砂機

在鑄造生產(chǎn)中，落砂清理是鑄造生產(chǎn)線上砂處理工部的重要環(huán)節(jié)。振動落砂機則是工序的關(guān)鍵核心裝備，其處在噪音大、粉塵大、濕熱氣流大的惡劣工況。所以，合理選擇、應(yīng)用振動落砂機改善工況環(huán)境是至關(guān)重要的。

對于大型鑄件的落砂（如載荷40t 以上鑄型的落砂）宜采用臺面尺寸6000mm×5000mm 規(guī)格的雙質(zhì)體振動落砂機。相對單質(zhì)體落砂機而言，具有工作平穩(wěn)、能耗低、噪聲低和減輕勞動強度的特點，是一種環(huán)保型的慣性振動機械。

國內(nèi)鑄造用落砂機的基本參數(shù)、技術(shù)條件按技術(shù)標準JB/T 6575-2006《落砂機》選擇設(shè)計執(zhí)行。

雙質(zhì)體振動落砂機的力學模型是建立在動力隔振基礎(chǔ)上的振動原理，在近共振狀態(tài)下工作。振動狀態(tài)與單質(zhì)體振動落砂機相比有明顯的區(qū)別[2，3]。

2.1 雙質(zhì)體振動落砂機工藝設(shè)計

在載荷重量與臺面尺寸確定以后，動力驅(qū)動與參振體、彈性力、載荷的平衡設(shè)計是雙質(zhì)體振動落砂機的主要工藝參數(shù)。由于振動機理是利用了振動激振的慣性力和彈性力的合成，形成有效的振動沖擊對載荷（鑄型）進行碰撞，而實現(xiàn)落砂破碎。

工藝參數(shù)的變量是彈簧的剛度與總剛度，合理的剛度分布在上下振動質(zhì)體間達到平衡，是雙質(zhì)體振動落砂機成功的關(guān)鍵[2，7]。

其他振動電機、減振彈簧、質(zhì)體結(jié)構(gòu)可按常規(guī)設(shè)計、選擇要求。

2.2 雙質(zhì)體振動落砂機結(jié)構(gòu)型式

雙質(zhì)體振動落砂機主要結(jié)構(gòu)由上質(zhì)體（含柵格板）、下質(zhì)體、激振彈簧、減振彈簧、機座和振動電機組成（圖示3）。

主振上質(zhì)體和隔振下質(zhì)體通過激振彈簧連接，振動電機安裝在隔振下質(zhì)體上，隔振下質(zhì)體通過減振彈簧安裝在機座上。

圖3 雙質(zhì)體振動落砂機外形圖

兩臺獨立的、同極振動電機是激振源，相向旋轉(zhuǎn)運行、自同步激振，形成上下形式的線性振動。上下質(zhì)體利用減振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動慣性力對基礎(chǔ)的影響（動力隔振原理）。

2.3 振動衰減的控制

（1）當振動系統(tǒng)停止了外力（激振力）的作用，振動系統(tǒng)仍然會按其固有頻率作自由衰減振動。這個過程中穩(wěn)態(tài)振動逐步消失，出現(xiàn)瞬態(tài)振動。振動系統(tǒng)又被干擾力（阻尼力）影響進入共振區(qū)段，直到振動衰減停止。

（2）阻尼在振動系統(tǒng)中具有一個特性關(guān)系，能使瞬態(tài)振動迅速衰減，特別是能降低受迫振動中的共振區(qū)振動。阻尼力也是控制振動狀態(tài)的重要措施（衰減時間受阻尼力影響）。

（3）合理選擇阻尼、阻尼力來減少振動系統(tǒng)在啟動或停止過程中過共振區(qū)的時間，限制振動系統(tǒng)的過振幅值，對振動機械的使用壽命非常有利。

（4）阻尼的形式，一般可采用橡膠契塊、橡膠質(zhì)彈簧、空氣彈簧、機械阻尼器等彈性阻尼。振動落砂機及其他振動設(shè)備上，都有不同形式的阻尼裝置在振動狀態(tài)中（應(yīng)用）起作用[2，3]。

3 機械強力搓磨再生機

在鑄造生產(chǎn)中需要再生、回用處理的砂，一般是指被高溫金屬液灼燒或被高溫加熱過的、以有機脂為粘結(jié)劑的、或經(jīng)使用后的砂型和砂芯（包括覆膜砂、樹脂砂、有機自硬砂、殼型砂、粘土砂），所產(chǎn)生的單一舊砂和混合型舊砂等。

舊砂再生是一種利用干法機械再生工藝，適用于具有一定生產(chǎn)規(guī)模的鑄造產(chǎn)生的舊砂再生處理。工藝流程簡單，一般對澆注落砂后的舊砂，進行冷卻、破碎、篩分、磁選處理后，再利用強力搓磨再生機進行機械搓磨處理，會獲得更好的舊砂品質(zhì)。產(chǎn)能配套在：5～8t/h（工藝參數(shù)）。

3.1 強力搓磨再生機搓磨機理

強力搓磨再生機在舊砂再生技術(shù)中是一種核心設(shè)備，是新型的機械干法再生裝置。適用于有機脂舊砂、覆膜砂、殼型砂和粘土砂等廢舊砂的再生處理。

（1）強力搓磨再生機工作機理：廢舊砂進入再生室體，經(jīng)分流板導流后，分布在搓磨葉片的工作區(qū)域。搓擦葉片分別安裝在三個由電機直接驅(qū)動的傳動主軸上，作同向高速旋轉(zhuǎn)運動，形成對舊砂的對流搓擦。在折射板的作用下，舊砂反復(fù)被對流搓擦。同時，鼓風機風量由蝶閥進入風箱，通過沸騰孔板進入室體，形成砂氣混合，使舊砂在流動、沸騰的狀態(tài)下，實現(xiàn)砂與砂之間，砂與搓擦葉片之間相互流態(tài)化的強力搓擦，達到脫膜再生的目的。

（2）利用高速旋轉(zhuǎn)的搓磨輪（葉片）對舊砂進行強力搓磨，同時進行沸騰風選去灰和冷卻，達到脫膜、凈化的效果。由于是干法機械搓磨機理，可適應(yīng)較高的廢舊砂溫度進入。

（3）室體內(nèi)形成的粉塵氣流（包括熱氣流），由除塵風口排放。經(jīng)過一定流量的對流搓擦后，再生砂在出砂口被排出，被排出的舊砂有明顯的降溫和顆粒凈化效果。

圖4 強力搓磨再生機外形圖

強力搓磨再生機是以有機脂砂鑄造產(chǎn)生的廢舊砂處理為分析研究對象。由于型砂成型性的工藝不同，所產(chǎn)生的廢舊砂性質(zhì)亦不同。用戶可根據(jù)鑄造生產(chǎn)的特點進行選擇和再生工藝的調(diào)整[6]。

3.2 強力搓磨再生機搓磨結(jié)構(gòu)形式

強力搓磨再生機的主要結(jié)構(gòu)由上部室體（含沸騰孔板）、下部風箱、搓磨葉片、驅(qū)動電機、鼓風機、機座、進砂口、出砂口和除塵風口組成（圖示4）。

4 砂處理系統(tǒng)中應(yīng)注意的幾個問題

（1）由于高效造型生產(chǎn)線的廣泛應(yīng)用，對型砂的質(zhì)量要求越來越高。所以應(yīng)根據(jù)造型工藝要求，采用先進高效的混砂設(shè)備和配套的砂處理線，淘汰落后的老設(shè)備，以提高鑄造產(chǎn)能、生產(chǎn)效率和環(huán)境保護。

（2）鑄造落砂工部必備的落砂設(shè)備，應(yīng)根據(jù)工況環(huán)保要求，選用先進的落砂設(shè)備。目的是提高生產(chǎn)效率、降低噪音，降低對工況環(huán)境的影響。

（3）落砂后的熱舊砂溫度較高，轉(zhuǎn)運過程中宜采用振動輸送機過渡，并通過相關(guān)的破碎、磁選和必要的冷卻設(shè)備進行預(yù)處理，再進行搓磨再生處理效果更好。

（4）由于鑄造熱舊砂含有高溫、熱水汽和鐵雜物，會給設(shè)備直接造成損傷。主要表現(xiàn)在設(shè)備上的粘砂、粘結(jié)、拉傷、破損、老化等現(xiàn)象（注意及時維護）。所以應(yīng)關(guān)注熱舊砂對砂處理設(shè)備的危害。千萬不要把砂溫調(diào)節(jié)器當做舊砂冷卻器使用。二者有本質(zhì)上的區(qū)別。多地企業(yè)在舊砂降溫上，人為設(shè)計使用砂溫調(diào)節(jié)器來處理熱舊砂的降溫是不合理的。

（5）舊砂再生利用對降低成本、節(jié)約資源有直接的經(jīng)濟利益。在考慮設(shè)備更新?lián)Q代時，應(yīng)考慮鑄造工藝的可行性，考慮利用舊砂再生工藝實現(xiàn)在線生產(chǎn)作業(yè)或者離線生產(chǎn)作業(yè)的必要性[8]。

（6）砂處理生產(chǎn)線與舊砂再生線的維護、保養(yǎng)應(yīng)在議事日程，注意維護保養(yǎng)在先，維修在后。提高使用效率是企業(yè)獲得利益的前提。

（7）中小型鑄造企業(yè)，在鑄造生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)應(yīng)提高機械化操作水平，局部應(yīng)用智能傳感技術(shù)，檢測和監(jiān)控生產(chǎn)流程與安全，是有利于企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的長效機制。體現(xiàn)以人為本，減輕勞動強度，穩(wěn)定作業(yè)崗位的用工人員。

5 結(jié)束語

注重現(xiàn)代鑄造工業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)不同的工藝技術(shù)、不同生產(chǎn)方式和不同品種、批量。選擇先進的鑄造砂處理工藝流程和裝備技術(shù)，提供機械化、自動化程度，是提高鑄件產(chǎn)能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率和工況環(huán)境的必要條件（值得重視的發(fā)展理念）[4]。