年產(chǎn)2萬t機床床身鑄件短流程樹脂砂工藝鑄造車間設(shè)計

田新社，薛留虎，高修啟

（陽城縣綠色鑄造研發(fā)中心，山西 晉城 048100）

某公司現(xiàn)有318 m3及179 m3高爐各一座，按照省經(jīng)信委的要求，作為鑄造高爐保留必須延伸產(chǎn)業(yè)鏈配套短流程鑄造，該公司2011年在省發(fā)改委立項，擬建設(shè)5萬t短流程鑄造項目，其中一期工程為建設(shè)年產(chǎn)2萬t機床床身鑄件項目。項目規(guī)劃占地10000m2，總建筑面積6258 m2，其中鑄造車間建筑面積6014 m2。在廠區(qū)現(xiàn)有高爐周圍予留場地建設(shè)。

1 生產(chǎn)綱領(lǐng)

鑄造車間以生產(chǎn)機床大中型鑄鐵件為主，年產(chǎn)各類沖床床身及相關(guān)零部件2萬t，單重最小件幾十千克，最大件單重8 t，其中大部分為灰鑄鐵件，少部分為球鐵件和合金鑄鐵件。典型鑄件（沖床床身）主要尺寸為3.5 m×2.5 m×1.0m，單重8 t；2.8 m×1.8 m×0.9 m，單重 5t；2.0m×1.5m×0.8m，單重3t.

2 工藝設(shè)計與設(shè)備選型

2.1 工藝設(shè)計

2.1.1 熔化工部

設(shè)計根據(jù)建設(shè)方擁有高爐的有利條件，采用高爐鐵水軌道電平車運輸，熱裝直接入中頻感應(yīng)電爐加熱。高爐出鐵制度為8 t/2 h，鐵水出爐溫度一般為1350℃左右，通過中頻感應(yīng)電爐使鐵水過熱至1550℃進行鐵水調(diào)質(zhì)處理，然后出爐澆注。工藝銜接要求為：中頻感應(yīng)電爐2 h之內(nèi)必須完成8 t鐵水從入爐到出爐的全部熔化過程。高爐將定期放鐵水進入下一個循環(huán)，鑄造車間接納鐵水最大設(shè)計能力為8 t/2 h，因設(shè)備故障不能按時接納鐵水時，高爐鐵水流入鑄鐵機澆注商品面包鐵外銷，將空過2 h接下一次鐵水。中頻電爐選用兩臺6 t爐體，配置特點為雙電源與雙爐體+功率分配器方式，即1臺2400kVA變壓器+2臺1350kW中頻電源+2臺6 t的爐體，兩臺爐體通過功率分配器同時工作，總功率≤2100kW.工作時可實現(xiàn)一個爐體升溫熔化鐵水，一個爐體保溫鐵水。兩個爐體同時出鐵為12t，滿足最大單重8 t鑄件生產(chǎn)。工作方式：1#電源對應(yīng)1#爐體以熔化功率（1350kW）供電，使1#爐體進入熔化狀態(tài)；在1 h內(nèi)將4 t高爐鐵水（1350℃）和2t冷料升溫到1550℃，爐內(nèi)鐵水（≥6 t）達(dá)到工藝溫度后，1#電源功率降至保溫功率，使1#爐進入保溫狀態(tài)。同時2#電源將功率從750kW升至1350kW，對2#爐供電，使其進入熔化狀態(tài)。2#爐鐵水達(dá)到工藝溫度后，將功率降至保溫功率并進入保溫狀態(tài)，如此兩爐交替生產(chǎn)。若在熔化中一個爐體出現(xiàn)故障，可斷開兩臺電源，將其中一臺開動。兩臺電源總功率在變壓器額定容量2400kVA不超載的情況下任意分配之。

中頻電爐冷料（廢鋼、返材）入爐選用5 t起重機配NK5-110L-1電磁吸盤（1t），鐵水入爐選用16t冶金雙鉤起重機，10t保溫鐵水包和20t電子秤組成自動加料系統(tǒng)，減輕配料工人的勞動強度。中頻電爐熔化鐵水檢測選用爐前快速熱分析儀，直讀式光譜儀測量鐵水成分，用電子測溫箱槍檢測鐵水溫度合格后出爐澆注鑄件。

2.1.2 中頻電爐熔化量計算

6 t中頻爐熔化周期為1 h，每天按三班連續(xù)生產(chǎn)（有效工作時間20h），全年工作300d，中頻電爐年熔化鐵水量 =（6×20/1）×300=36000t，工藝出品率70%計算，合格率90%計算，年合格鑄件產(chǎn)量為：36000×70%×90%=22680t，達(dá)到20000t/a生產(chǎn)綱領(lǐng)目標(biāo)。

2.1.3 造型制芯工部

采用呋喃樹脂自硬砂造型工藝，根據(jù)機床鑄件大小，重量不同，生產(chǎn)上采用不同的連續(xù)式混砂機。本項目造型選用1臺30t移動式混砂機，20t和15 t固定式混砂機各1臺，制芯區(qū)選用1臺10t的固定式混砂機，最大可滿足8 t鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)。針對下芯操作，在造型工部下芯區(qū)配置了2.5 t龍門行車，由于其軌高低合適操作方便，使得砂芯位置調(diào)整方便，下芯準(zhǔn)確。不僅提高了鑄件內(nèi)部尺寸，同時又提高了生產(chǎn)效率。

砂芯涂料采用醇基涂料，手工噴涂，配備柱式懸臂吊以方便砂芯的起吊、翻轉(zhuǎn)。為保證砂芯涂料的干燥，特別在制芯工部配備了1臺貫通式煤氣烘干爐。

1）混砂機能力計算：

全年型砂混砂量 Q=CS（1+α）（1+β）（1+γ）

式中：C——生產(chǎn)綱領(lǐng)，取C1=20000t，C2=22680t；

S——平均砂鐵比，取3∶1；

α——鑄件廢品率，取3%；

β——廢型率，取2%；

γ——型砂損失率，取5%.

則：Q1=20000×3×（1+3%）×（1+2%）×（1+5%）=66188 t/a，

Q2=22680×3×（1+3%）×（1+2%）×（1+5%）=75057 t/a，

全年生產(chǎn)日tg=300d.

每天型芯砂量為：

66188/300～75057/300=（220～250）t/d，

每天造型制芯時間：10h～12 h，取10h.

設(shè)備年時基數(shù)：

T=10（1-δ）tg=10×（1-5%）×300=2850h.

每小時型砂用量：Ph=22t/h～25 t/h，取22t.

選用額定生產(chǎn)率分別為30t/h、20t/h、15 t/h、10t/h的混砂機各1臺，Pm=30+20+15+10=75 t/h.

混砂機的設(shè)備負(fù)荷率 η=（Ph/Pm）=（22/75）=30%，混砂機設(shè)備的開動率一般在30%～40%，合適。

由于樹脂砂存在可使用時間的問題，故混砂機生產(chǎn)能力還必須同時滿足下式：

Pmmax≥Wmax/Tmax，

式中Pmmax=30t/h，

最大型砂重量Wmax=[（4×3×1.4）-（3.5×2.5×1.0）]×1.5=（16.8-8.75）×1.5=12t.

樹脂砂可使用時間Tmax=12 min=0.2 h，

則Wmax/Tmax=12/0.2=60t/h，

Wmax/Tmax=60t/h≥30t/h.

顯然不能滿足可使用時間要求，但從工藝上采用遠(yuǎn)離模樣部位填充部分舊砂和從設(shè)備投資方面考慮最大選用30t/h移動混砂機。

2）舊砂再生工部

砂處理設(shè)備技術(shù)指標(biāo)：

舊砂再生能力≥20t/h～25 t/h；

舊砂回收率≥95%；

再生砂脫膜率≥22%（漯河大華≥28%）.

再生砂灼減量≤2%（一般鑄鐵2.5%～3.5%以下）；

再生砂微粉含量≤0.3%（其中篩子底盤含量＜0.2%）；

再生砂溫≤35℃（冷卻水≤20℃，環(huán)境溫度≤25℃時）；

除塵效率≥99%；

振動設(shè)備空載運行噪聲≤85 dB（A）,

除塵器粉塵排放濃度≤100mg/m3,

混砂均勻性誤差≤±3%,

液料定量精度誤差≤±1.5%.

呋喃樹脂加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：全部新砂時加入量為1.1%～1.5%，新砂占20%以下或全部再生砂時加入量為0.8%～1.1%.

配套冷卻水 8 m3/h～10m3/h，水壓 0.2 MPa～0.25MPa，水溫＜17℃.

配套壓縮空氣30m3/min，壓力≥0.75 MPa，儲氣罐總?cè)莘e≥32 m3.

幸運的是：楊術(shù)等人提出的企業(yè)轉(zhuǎn)發(fā)表結(jié)構(gòu)（FISE）[9]能夠較好地解決該問題。FISE結(jié)合TCAM和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）壓縮了二維轉(zhuǎn)發(fā)表所需的TCAM空間，同時保證報文的線速處理。

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)方式選用樹脂砂生產(chǎn)能力為25 t/h，根據(jù)鑄件大小和重量選用落砂機30t（2×15t拼裝），承載量為30t，另一臺落砂機為10t。因落砂后溫度高，采用振動輸送機，提升機采用鏈?zhǔn)健?/p>

3）舊砂再生能力計算：

舊砂再生能力：P=QΨK/T

式中：Q——年混砂量，取66188 t/a；

Ψ——舊砂再生率，取95%；

K——不平衡系數(shù)，取1.2；

P=66188×0.95×1.15/2850=25.37 t/h.

考慮國內(nèi)最大的再生設(shè)備單機能力，選用25 t/h的樹脂砂再生設(shè)備?？梢詽M足年產(chǎn)20000t鑄件的需要。

4）樹脂砂舊砂再生工藝

樹脂砂舊砂從振動落砂機→振動輸送機→懸掛磁選機→1#鏈?zhǔn)教嵘龣C→1#砂庫→振動給料機→振動破碎機→2#提升機→2#砂庫→沸騰冷卻床→3#提升機→磁選機→再生機構(gòu)→4#提升機→3#砂庫→砂溫調(diào)節(jié)器→5#提升機→4#雙腔砂庫→氣力輸送發(fā)送器→混砂機上方成品砂庫→砂比例調(diào)節(jié)器→混砂機造型。

2.1.3 鑄件清理及熱處理工部

鑄件清理及熱處理是鑄件后處理的一個重要環(huán)節(jié)，鑄件落砂后通過載重量15 t電動平車運到除芯工部除芯，運到清理工部去掉澆冒口，然后進拋丸機清理。設(shè)計中對不同的鑄件采用不同的清理設(shè)備。如工作臺小件、細(xì)長件采用長室體吊鉤式拋丸機，大型鑄件則采用臺車式拋丸清理機，大型長鑄件采用通過式拋丸清理機。出拋丸機后送高爐煤氣時效退火爐熱處理。最后打磨修整、劃線，合格鑄件入庫。

鑄造車間工藝流程框圖如圖1所示：

圖1 鑄造車間工藝流程框圖

2.2 主要設(shè)備選型

1）熔化工部選用容量6 t電爐一套，2個電源部分配50t/h閉式冷卻塔，2個爐體部分配150t/h閉式冷卻塔。配套設(shè)備5 t加料行車1臺，1t電磁吸盤一臺，16 t吊裝高爐鐵水及出鐵水用冶金用雙鉤行車1臺，20t電子秤1臺。

2）造型制芯砂再生工部選用25 t/h樹脂砂再生設(shè)備一套，選用額定生產(chǎn)率分別為30t/h（移動）、20t/h、15 t/h、10t/h的混砂機各1臺；落砂機選用30t（2×15 t雙聯(lián)）1臺，10t落砂機1臺。

3）后清理工部選用10t和5 t拋丸機各1臺，鑄件煤氣時效熱處理爐1臺。

4）起重運輸設(shè)備：選用QDY冶金雙梁起重機4臺；LDY冶金單梁起重機3臺；LD普通單梁起重機2臺。20t電動平車1臺，15 t電動平車2臺。

2.3 車間工藝平面布置

車間工藝平面布置從東至西共4跨5大布局，車間東側(cè)第一跨從北至南工藝布置2×15 t雙聯(lián)落砂機，30t移動混砂機（含大件澆注地坑），20t固定混砂機，此跨為中大件造型、制芯、合箱、澆注主跨，寬21 m。配32t和10t雙梁吊車各1臺，10t單梁吊車1臺。車間南頭外設(shè)高低壓配電室。二層設(shè)車間辦公室。在2軸設(shè)2臺2t壁形吊，軌頂5 m用于下芯。第2跨從南至北工藝布置室外2臺閉式電爐冷卻塔，高爐鐵水入爐出爐16 t行車1臺，5 t加料行車1臺，軌頂高9 m。6 t中頻電爐變壓器、中頻電爐爐體、中頻電源柜、光譜室，爐料倉（生鐵、廢鋼、返材）3個。新砂烘干、舊砂再生生產(chǎn)系統(tǒng)、型砂實驗室、砂處理總電控制室。第3跨從北至南室外工藝布置砂處理玻璃鋼冷卻塔、空壓機室、砂處理除塵器3組、高爐煤氣去應(yīng)力退火爐。室內(nèi)工藝布置10t落砂機1臺，15 t和10t固定式混砂機各1臺，配10t雙梁行車1臺，單梁行車2臺，24 m寬，軌頂高9 m。在4軸設(shè)2臺1t壁形吊，軌頂5 m用于下芯。此跨主要為小件造型、制芯、合箱、澆注。北頭設(shè)車間公共衛(wèi)生間。第4跨從北至南工藝布置室外拋丸機除塵器，鑄件清理，除澆冒口，清砂，設(shè)10t和5 t吊鉤拋丸機各1臺，鑄件焊補精整，檢驗刷漆。

3 車間廠房建筑結(jié)構(gòu)

車間主體廠房為單層輕鋼彩板結(jié)構(gòu)，輕鋼彩板屋頂。大型塑鋼窗，輕鋼推拉大門。主廠房南北總長108.8m，總寬55.4 m，柱距6 m，總建筑面積6014 m2。其中，第一跨長108.8 m，寬21.5 m，建筑面積2339.2 m2。吊車噸位32t+10t+10t，軌頂標(biāo)高9.2 m。第二跨長108.8 m，寬9.5 m，建筑面積1033.6 m2，吊車噸位16 t+5 t，軌頂標(biāo)高9.2 m。第三跨長90.8 m，寬24 m，建筑面積2179.2 m2，吊車噸位3臺10t，軌頂標(biāo)高9.2 m。第四跨長30.5 m，寬15 m，建筑面積462 m2。吊車噸位10t，軌頂標(biāo)高9.2 m.

車間變電室設(shè)在第一跨南頭一層長14 m，寬5.5 m，建筑面積77 m2。二層車間辦公室建筑面積77m2。鑄件時效爐廠房在第三跨北頭長10m，寬8m，其面積80m2。車間總共建筑面積6258 m2.

受建設(shè)場地限制，箱砂周轉(zhuǎn)及模具存放，產(chǎn)品清理及成品倉庫只能另選址安排。

4 公用工程

4.1 給水排水

1）生活用水量

生活用水標(biāo)準(zhǔn)按每人每班35 L，小時變化系數(shù)2.5，班后1 h淋浴用水量按每人每次60L。生活最大用水量Qm=3.3 m3/h.

2）生產(chǎn)用水量

①生產(chǎn)用水主要用于中頻爐冷卻，采用先進的密閉循環(huán)強制冷卻系統(tǒng)，定期補充少量新水。用水量200m3/h.

②樹脂砂舊砂再生系統(tǒng)，砂溫調(diào)節(jié)器用水，采用地下冷卻水池配50m3玻璃鋼開式冷卻塔，循環(huán)用水量100m3/h.

③生產(chǎn)循環(huán)用水量合計300m3/h。補新水量10.8 m3/h.

3）消防用水量

①室內(nèi)消防用水Q=10L/s，Q=72 m3/次（按2 h考慮）。

②室外消防用水Q=20L/s，Q=144 m3/次（按2 h考慮）。

4.2 采暖通風(fēng)

1）鑄造車間建筑面積6014 m2，設(shè)計暫不考慮供暖，僅在車間辦公室考慮安裝暖氣，接入供熱管網(wǎng)。光譜室安裝空調(diào)。

2）鑄造車間通風(fēng)采用屋頂裝無動力抽風(fēng)機。

4.3 動力

利用原廠區(qū)的鍋爐房和鍋爐向車間辦公室供暖?？諌赫緝?nèi)設(shè)壓力容器主要供鑄造車間用壓縮空氣。

4.4 電氣

全廠生產(chǎn)用電主要分鑄造車間中頻電爐2100kW，樹脂砂砂處理1套516.62 kW，2臺縲桿式空壓機130kW，9臺行車 284.6 kW，2臺后清理拋丸機45+55=100kW。電動平車、鐵水包、照明、機修電焊及其他估計50kW。廠內(nèi)建1座總變電站，10kVA電源進入總變電站，內(nèi)設(shè)高壓柜，電容補償柜，中頻電爐專用變壓器1臺（2400kVA）。鑄造車間除電爐外其他設(shè)備電力設(shè)備安裝容量1088 kW，安裝2臺560kVA油浸變壓器。對生產(chǎn)調(diào)度組織便利。

5 節(jié)能、環(huán)保、消防、安全、衛(wèi)生

5.1 節(jié)能

設(shè)計中采用國家推薦的節(jié)能設(shè)備，注重環(huán)保，充分利用能源，減少廢砂排放，降低鑄件生產(chǎn)成本。

鑄造車間墻體采用新型節(jié)能材料，采用輕鋼彩板夾阻燃玻璃棉保溫措拖，保溫效果好。

層頂設(shè)置采光帶，采光充足并節(jié)省電力照明能量，通風(fēng)采用無動力抽風(fēng)機。

造型砂采用舊砂再生生產(chǎn)線，舊砂經(jīng)過再生處理，回收率達(dá)95%，成為可循環(huán)使用砂，節(jié)省大量自然砂資源。

廠房采光選用金屬鹵化燈節(jié)電。

中頻電爐冷卻水采用先進的封閉冷卻設(shè)備，節(jié)省大量補充新水。

5.2 環(huán)保

粉塵防治：鑄造車間主要污染源為2套中頻電爐熔化鐵水產(chǎn)生的煙塵，濃度為300mg/m3～800mg/m3，2套落砂機產(chǎn)生的粉塵及拋丸清理機產(chǎn)生的粉塵濃度為 500mg/m3～1000mg/m3，防止措施：中頻電爐采用爐蓋密閉可轉(zhuǎn)動吸煙罩經(jīng)吸塵管道到廠房外部布袋過濾煙塵凈化后由煙囟高空排放。落砂機及拋丸清理機均分別采用吸塵罩將粉塵抽至布袋除塵器凈化后高空排放。煙塵濃度≤100mg/m3，達(dá)到國家環(huán)保二級排放標(biāo)準(zhǔn)。

噪聲防治：鑄造車間主要噪聲污染源拋丸清理機，除塵風(fēng)機。采取措施為除塵風(fēng)機加減震墊和消聲器，車間總噪聲控制在85 dB（A）以下。車間四面環(huán)山，遠(yuǎn)離居民區(qū)，不會造成大的噪聲危害。

5.3 消防

鑄造車間為丁戊類生產(chǎn)火災(zāi)危害性場所，車間廠房按二級耐火等級設(shè)計。車間廠房為輕型鋼排架結(jié)構(gòu)，明柱，吊車梁等均刷兩層防火涂料，使其達(dá)到二級耐火等級，車間工藝布置設(shè)有安全疏散通道、大門，車間設(shè)有消火栓，室內(nèi)消防水量為10L/s。室外消防水量為20L/s，室內(nèi)外2 h消防用水量為216 m3，廠區(qū)地下水池1處，6 m×3.5 m×3.5=80m3，山上高位水池1處，1000m3。完全可滿足消防用水。

5.4 安全衛(wèi)生

鑄造車間影響安全衛(wèi)生的場所和設(shè)備主要為中頻電爐熔化鐵水產(chǎn)生的高溫和散發(fā)的煙塵，帶電設(shè)備為機械傷害，電器安全，舊砂再生和鑄件清理過程中產(chǎn)生的粉塵。

采取措施：

1）廠房設(shè)置屋頂無動力抽風(fēng)機，使廠房有通風(fēng)換氣的效果。中頻電爐熔化過程中工人佩戴防護服、墨鏡、防燙手套，電爐、落砂機及拋丸機生產(chǎn)的煙塵均采用密閉罩吸粉塵，煙氣經(jīng)布袋除塵凈化后高空排放，使室內(nèi)粉塵濃度小于10mg/m3衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2）落砂機和舊砂再生生產(chǎn)線的主要設(shè)備處設(shè)應(yīng)急停電按鈕，防止事故發(fā)生。

3）帶電機械采取安全接地線，接觸電阻不大于4 Ω。電機和轉(zhuǎn)動皮帶輪采用安全罩，防止機械損傷。

4）拋丸機采取單獨房間，隔聲處理使噪聲≤85db（A），減少車間內(nèi)噪聲危害。

5）舊砂再生設(shè)備在≥2 m高空平臺均設(shè)1.05 m高安全欄桿。

6）吊車吊運工件重物時有音響警示并不準(zhǔn)在吊車下行走和停留，注意安全。

6 結(jié)束語

本鑄造車間建設(shè)時間為2011年1月至2011年12月。已經(jīng)試運行竣工驗收。計劃于2012年正式投產(chǎn)。

［1］孔維軍，劉小龍.鑄造工廠的環(huán)保與節(jié)能［J］.鑄造設(shè)備研究,2008（5）：5-7.

［2］徐立軍，郭敖如.年產(chǎn)4000t鑄件的樹脂砂鑄造車間設(shè)計特點［J］.鑄造設(shè)備研究，1999（4）：46-48.

［3］曹善堂，曹立人.鑄造設(shè)備選用手冊［M］.北京：北京機械工業(yè)出版社，2000.

［4］鑄造車間和工廠設(shè)計編委會.鑄造車間和工廠設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.