型砂冷卻工藝設(shè)備探討

馬寶山

（天津一汽夏利汽車(chē)股份有限公司內(nèi)燃機(jī)制造分公司，天津 300000）

在砂型鑄造生產(chǎn)中，砂處理系統(tǒng)的作用越來(lái)越得到鑄造廠的重視，其中，砂冷卻工部作為常規(guī)砂處理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是保證型砂質(zhì)量的重中之重，例如汽車(chē)鑄件生產(chǎn)領(lǐng)域，由于批量大、工藝要求高等特點(diǎn)，多采用傳統(tǒng)的濕型砂高壓造型。由于反復(fù)循環(huán)使用的舊砂溫度不斷增高，使得造型時(shí)的型砂溫度過(guò)高，性能惡化，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量下降，廢品率上升，砂溫對(duì)型砂及鑄件質(zhì)量產(chǎn)能的影響也變得尤為突出。

無(wú)論是雙盤(pán)冷卻還是沸騰冷卻，都是通過(guò)不斷地噴水和鼓風(fēng)，通過(guò)熱交換，依靠水的蒸發(fā)帶走熱量。一般每蒸發(fā)1%的水分，砂溫可以降低約25℃左右。砂冷卻要有兩個(gè)條件：第一要有足夠的水份，均勻地?cái)嚢杵渲?；第二要有足夠的風(fēng)量，迅速地帶走濕熱的水汽。本文就5種不同砂冷卻設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)及使用情況進(jìn)行介紹。

1 冷卻設(shè)備介紹

1.1 振動(dòng)沸騰冷卻床

近年來(lái)，以機(jī)電一體化自動(dòng)測(cè)溫、增濕振動(dòng)沸騰冷卻床為代表的冷卻裝置得到了大多數(shù)業(yè)界人士的認(rèn)可，成為了舊砂冷卻設(shè)備的首選。其原理是通過(guò)鼓風(fēng)使得舊砂沸騰，帶走增濕后熱舊砂中水分，即大量汽化潛熱，使舊砂溫度穩(wěn)定地降到40℃以下并將水分調(diào)整為2%左右；需要冷卻的舊砂，由給料裝置均勻地送到冷卻器的沸騰板上，冷卻器在振動(dòng)電機(jī)的作用下使沸騰板不停地振動(dòng)，板上的舊砂一面被向上拋起，一面向前移動(dòng)。砂粒在移動(dòng)過(guò)程中互相撞擊、摩擦和擠壓，將附著在砂粒表面的黏結(jié)物脫落，同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)從沸騰板下方吹入冷風(fēng)，流動(dòng)的空氣從沸騰板間的縫隙進(jìn)入砂層使舊砂與冷空氣進(jìn)行充分熱交換而達(dá)到降低砂溫的目的，見(jiàn)圖1。

圖1 沸騰冷卻床

1.2 RCT滾筒式冷卻裝置

RCT滾筒式冷卻裝置如圖2所示，該設(shè)備是日本新東公司典型的冷卻設(shè)備，砂冷卻原理與沸騰冷卻床基本一致，舊砂通過(guò)滾筒旋轉(zhuǎn)速度均勻地下落，通過(guò)產(chǎn)生自左至右的流動(dòng)空氣帶走筒內(nèi)水蒸氣，使100%舊砂都能產(chǎn)生熱交換，達(dá)到舊砂冷卻的目的。

1.3 雙盤(pán)冷卻器

圖2 RCT滾筒式砂冷卻裝置

1）雙盤(pán)冷卻器的工作原理

當(dāng)雙盤(pán)冷卻器開(kāi)始工作時(shí)，首先，控制系統(tǒng)檢測(cè)舊砂的溫度和濕度，并據(jù)此確定初步加水量；舊砂進(jìn)入盤(pán)內(nèi)，在攪拌器和風(fēng)力的帶動(dòng)下，舊砂在水平和垂直兩個(gè)方向呈“∞”形立體運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)加水系統(tǒng)將確定的加水量均勻地噴在舊砂中，散發(fā)的熱氣從上部進(jìn)入除塵系統(tǒng)，在冷卻器攪拌冷卻的同時(shí)，安裝在盤(pán)內(nèi)的溫度、濕度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)舊砂溫度、濕度的變化，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制加水系統(tǒng)精加水、補(bǔ)水，當(dāng)冷卻器中的砂層達(dá)到設(shè)定的范圍（通過(guò)檢測(cè)砂層的電流來(lái)確定砂層厚度），出砂門(mén)電動(dòng)推桿啟動(dòng)出砂門(mén)打開(kāi)并控制出砂門(mén)開(kāi)度；此后，經(jīng)冷卻器處理過(guò)的舊砂就源源不斷地供給混砂機(jī)，見(jiàn)圖3。

2）雙盤(pán)冷卻器的優(yōu)點(diǎn)

雙盤(pán)冷卻器類(lèi)似混砂機(jī)，有比較好的冷卻效果。當(dāng)冷卻器的刮板繞主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，將盤(pán)內(nèi)熱的舊砂拋起成松散狀態(tài)。此時(shí)砂粒間穿過(guò)由機(jī)外鼓入的冷風(fēng)，二者之間產(chǎn)生熱交換。氣流的作用又加速了水分的蒸發(fā)使舊砂得以冷卻。尤其這類(lèi)設(shè)備經(jīng)常布置在混砂機(jī)前，國(guó)內(nèi)外許多廠都將新砂與舊砂同時(shí)加入該設(shè)備攪拌，使處于冷態(tài)的新砂與熱舊砂接觸的同時(shí)進(jìn)行了熱交換，降低了舊砂的溫度，新舊砂的混合又起到“預(yù)混”的作用。所以有人又將雙盤(pán)冷卻器稱(chēng)為“混砂冷卻器”。

圖3 雙盤(pán)冷卻器結(jié)構(gòu)

1.4 冷卻式混砂機(jī)

冷卻式混砂機(jī)是一種將批次式冷卻器+混砂機(jī)合二為一的砂處理設(shè)備，其冷卻原理與沸騰床、冷卻滾筒及雙盤(pán)冷卻器一樣都是通過(guò)加水蒸發(fā)，鼓入冷風(fēng)抽出熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)熱交換，達(dá)到型砂降溫，冷卻式混砂機(jī)生產(chǎn)能力一般在30t/h～120t/h。冷卻式混砂機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，混制過(guò)程中的砂溫降低曲線見(jiàn)圖5。

圖4 冷卻式混砂機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 混制過(guò)程中的砂溫降低曲線

1.5 真空砂處理系統(tǒng)

1）真空砂處理技術(shù)的原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)，真空砂處理技術(shù)的基本原理是通過(guò)抽真空的途徑，降低混砂機(jī)中水的沸點(diǎn)，從而在快速蒸發(fā)過(guò)程中帶走熱量，實(shí)現(xiàn)瞬間冷卻和控制砂溫的目的，見(jiàn)表1。

2）真空砂處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)砂處理冷卻系統(tǒng)一般存在三個(gè)問(wèn)題：一是部分有效成分會(huì)隨之帶走；二是如果水質(zhì)不穩(wěn)定，水中的礦物質(zhì)會(huì)不斷沉積，影響到膨潤(rùn)土的鈉化效果；三是在夏季高溫、高濕的極端天氣下，靠噴淋和鼓風(fēng)是很難將砂溫降低到40℃左右理想狀態(tài)的。

真空砂處理系統(tǒng)作為一個(gè)相對(duì)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，蒸發(fā)的水分經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝，再回到混砂機(jī)中循環(huán)使用，所以不用額外地添加水分，也不會(huì)帶走型砂中的有效成分。而通過(guò)控制混砂氣壓，可以輕易地實(shí)現(xiàn)對(duì)出砂溫度的精確控制，砂溫甚至可低于室溫。比如混砂氣壓為74 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的出砂溫度控制在40℃（即氣壓為74 MPa時(shí)水的沸點(diǎn)為40℃）；此外，采用真空砂處理技術(shù)后，混砂系統(tǒng)中所有的水都以低沸點(diǎn)的氣態(tài)存在，不但有利于促進(jìn)膨潤(rùn)土的活化，減少膨潤(rùn)土的加入量，節(jié)約生產(chǎn)成本，更能提高型砂的濕壓強(qiáng)度、透氣性等各項(xiàng)性能指標(biāo)。

表1 大氣壓與水沸點(diǎn)關(guān)系

3）真空砂處理技術(shù)應(yīng)用結(jié)果

實(shí)際運(yùn)行半年多來(lái)，無(wú)論外界氣溫、氣候如何變化，真空砂處理系統(tǒng)的出砂溫度始終能夠穩(wěn)定控制在（40±1）℃，因而使型砂各項(xiàng)性能明顯提高而且漸趨穩(wěn)定。與型砂有關(guān)的鑄件廢品數(shù)量大幅下降。

2 不同形式冷卻器的應(yīng)用分析

2.1 沸騰冷卻床

帶走物料中水分的能力是決定設(shè)備冷卻能力的決定性?xún)?nèi)在要素，與所有舊砂冷卻設(shè)備比較：增濕后熱舊砂進(jìn)入沸騰床后，自下而上通過(guò)細(xì)密魚(yú)鱗孔板的中壓高速氣流，使物料層呈典型的鼓泡流化床，舊砂呈快速上下湍流沸騰狀態(tài)，砂粒表面氣化膜被強(qiáng)烈擾動(dòng)，充分快速的帶走水分即大量汽化潛熱，使自動(dòng)噴水增濕后的熱舊砂強(qiáng)烈快速地冷卻，水分被激烈鼓風(fēng)蒸發(fā)，迅速帶走大量汽化潛熱。并且沸騰床面寬大，懸浮速度均勻，調(diào)整沸騰床鼓風(fēng)量、自下而上床層平均風(fēng)速，使100%舊砂都能經(jīng)過(guò)冷風(fēng)的熱交換，從而決定了沸騰床的冷卻效果。沸騰冷卻床無(wú)論從冷卻原理和實(shí)際使用效果都是多種型砂冷卻設(shè)備中最好的，尤其是進(jìn)口德國(guó)Küttner的應(yīng)用市場(chǎng)反應(yīng)效果最佳，美國(guó)GK和日本太陽(yáng)鑄機(jī)也有產(chǎn)品應(yīng)用，過(guò)去由于國(guó)產(chǎn)沸騰冷卻床難以解決床體開(kāi)裂等問(wèn)題一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，近些年雖然發(fā)展較快，但因震動(dòng)噪音較大，網(wǎng)眼易堵，床內(nèi)加水霧化困難，造成冷卻效果不足，使用保養(yǎng)要求高等原因沒(méi)有真正得到用戶認(rèn)可。圖6為天津一汽內(nèi)燃機(jī)新工廠使用國(guó)產(chǎn)沸騰冷卻床砂溫冷卻記錄，從圖中可看出夏天溫度較高條件下砂溫很難達(dá)到45℃（或室溫+10℃）以下的要求。振動(dòng)沸騰冷卻床的加水方式分兩種，床內(nèi)加水和床外加水，從冷卻效果和保證環(huán)境來(lái)講床內(nèi)加水比較好，但在實(shí)際使用中為了減少網(wǎng)眼堵及使用更簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)采用床外加水，這一點(diǎn)對(duì)國(guó)產(chǎn)沸騰床更重要，圖7為床外加水，圖8為床內(nèi)加水。

圖6 國(guó)產(chǎn)沸騰冷卻床砂溫冷卻曲線

圖7 美國(guó)GK沸騰床控制原理圖（床外加水）

圖8 德國(guó)Küttner沸騰床控制原理圖（床內(nèi)加水）

2.2 RCT冷卻滾筒

RCT滾筒式冷卻裝置，冷卻效果可與沸騰冷卻床相媲美，加上冷卻滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，伴隨著低速旋轉(zhuǎn)砂塊進(jìn)一步破碎攪動(dòng)具有篩分功能，篩出滾筒破碎篩未篩出的塊狀物或顆粒物，使型砂粒度松散均勻，提高型砂質(zhì)量，在日資企業(yè)、臺(tái)資企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

2.3 雙盤(pán)冷卻器

雙盤(pán)冷卻器有一個(gè)重要作用就是預(yù)混，因此特別強(qiáng)調(diào)對(duì)盤(pán)內(nèi)砂層厚度的控制，因?yàn)檫@里的舊砂不向沸騰床冷卻那樣只做單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，而是有相當(dāng)一部分要反方向往進(jìn)砂口運(yùn)動(dòng)（既雙盤(pán)冷卻器獨(dú)特的反混原理），從而實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間進(jìn)入的舊砂有一個(gè)相互混勻的過(guò)程，同時(shí)舊砂中留存的有效膨潤(rùn)土得以活化既預(yù)混。另外由于雙盤(pán)冷卻器操作維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，無(wú)振動(dòng)，預(yù)先活化膨潤(rùn)土以提高混砂機(jī)的效率等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到用戶認(rèn)可。圖9為使用雙盤(pán)冷卻器的砂溫冷卻曲線。

圖9 使用雙盤(pán)冷卻器的砂溫冷卻曲線

2.4 冷卻混砂機(jī)

冷卻混砂機(jī)是近些年發(fā)展的新型型砂冷卻設(shè)備，冷卻混砂機(jī)集冷卻與混制為一體，減少了設(shè)備投入。系統(tǒng)布置的簡(jiǎn)單化，只有輸送、破碎、儲(chǔ)砂、冷卻混制環(huán)節(jié)，減少了斗提機(jī)等輸送設(shè)備的使用，并且減少了設(shè)備維護(hù)量，設(shè)備占用場(chǎng)地面積小，廠房高度要求低，鋼結(jié)構(gòu)用量大幅降低。但由于冷卻式混砂機(jī)既要冷卻又要負(fù)責(zé)型砂混制，因此冷卻混砂機(jī)比較適合鑄件相對(duì)簡(jiǎn)單、重量比較小、砂處理系統(tǒng)處理砂量噸位較低（一般60t/h）的垂直分型和水平分型無(wú)箱線鑄件生產(chǎn)。目前應(yīng)用實(shí)例較多，使用效果反應(yīng)也較好，如圖10所示。

2.5 真空混砂機(jī)

真空混砂機(jī)通過(guò)降低水的沸點(diǎn)，從而在快速蒸發(fā)過(guò)程中帶走熱量的基本原理，實(shí)現(xiàn)了型砂冷卻新途徑。真空混砂機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是鑄造界的一場(chǎng)革命，他不僅在型砂冷卻方面效果明顯，真空砂處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)箱后的熱砂直接進(jìn)入混砂系統(tǒng)，這種工藝流程的改變，除了減少設(shè)備和控制砂溫兩大優(yōu)點(diǎn)外，還可減少傳統(tǒng)砂處理系統(tǒng)冷卻除塵過(guò)程中有效微粉和細(xì)微砂粒的流失，從而降低工廠粉塵和廢砂的排放量，減少對(duì)環(huán)境的污染，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，降低職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)，符合低碳理念和科學(xué)發(fā)展觀，具有良好的社會(huì)效益，真空砂處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了舊砂冷卻、預(yù)混砂、混砂和自動(dòng)調(diào)整等諸多功能在1臺(tái)設(shè)備中集中有序地完成。此舉不但減少了相關(guān)冷卻設(shè)備的配置和維護(hù)，節(jié)約了原輔材料的補(bǔ)加量，更實(shí)現(xiàn)了精確控制出砂溫度，但由于目前用戶較少，目前還處于試驗(yàn)發(fā)展階段，今后應(yīng)進(jìn)一步完善。

圖10 冷卻混砂機(jī)集冷卻與混制為一體系統(tǒng)簡(jiǎn)化布置示意圖

2.6 兩級(jí)冷卻同時(shí)應(yīng)用

兩級(jí)冷卻同時(shí)應(yīng)用砂溫降低效果好，典型用戶，天津一汽內(nèi)燃機(jī)老工廠使用兩級(jí)日本新東生產(chǎn)的RCT冷卻滾筒，砂溫可穩(wěn)定達(dá)到40℃（或室溫+10℃）以下，型砂質(zhì)量高，生產(chǎn)鑄件表面質(zhì)量好廢品率低，鑄件綜合廢品率3%以下，鑄件曾獲全國(guó)鑄件評(píng)比“金鼎獎(jiǎng)”。天津新偉祥工業(yè)，天津高丘六和工業(yè)新生產(chǎn)線，應(yīng)用效果都比較好。圖11為天津某廠使用兩級(jí)冷卻設(shè)備8月份砂溫冷卻記錄。

圖11 兩級(jí)冷卻砂溫冷卻曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同廠家砂冷卻情況調(diào)查，以及天津一汽內(nèi)燃機(jī)新老工廠使用一級(jí)冷卻與兩級(jí)冷卻使用經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，對(duì)于鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且表面積大，澆注溫度較高，芯子用量較大和鐵砂比較高的鑄件生產(chǎn)，砂處理系統(tǒng)采用一級(jí)冷卻（任何一種冷卻設(shè)備）是不能保證夏季砂溫降到40℃（或室溫+10℃）以下，尤其是汽車(chē)缸體類(lèi)鑄件生產(chǎn)，設(shè)置兩級(jí)冷卻是最佳選擇。

［1］王維春.真空砂處理系統(tǒng)在我廠的開(kāi)發(fā)應(yīng)用［G］//第二屆中國(guó)鑄鐵產(chǎn)業(yè)沙龍-鑄鐵件質(zhì)量與低碳經(jīng)濟(jì)論文集.天津：2011.

［2］吳毅.現(xiàn)代化大批量汽車(chē)鑄件生產(chǎn)線砂處理系統(tǒng)建設(shè)體會(huì)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（5）：4-7.

［3］王偉春，宋建武，何國(guó)平，等.賢波.真空砂處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2011（6）：69-73.