濕型砂處理工藝設(shè)備的創(chuàng)新理念與改進升級

李玉青，吳殿杰

（1.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130000；2.機械工業(yè)第九設(shè)計研究院有限公司，吉林長春 130011）

1 濕型砂處理工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 濕型砂工藝路線的確定

目前，濕型砂工藝是以石英砂+粉料（膨潤土，煤粉，淀粉，微粉）+水，按一定比例混制而成，并達到型砂工藝要求。目前流行的工藝路線基本如下：

落砂—磁選—篩分—測濕、測溫—加水冷卻—一次粉料、水加入—預(yù)混—調(diào)勻—測溫、測濕—稱重定量— 二次粉料、水投入—終混—水分、緊實度（CB）在線測定—松砂—造型線。典型布置見圖1為某發(fā)動機鑄造廠為兩條氣沖線配套的能力為220 t/h的砂處理系統(tǒng)圖。

圖1 某發(fā)動機鑄造廠220 t/h砂處理系統(tǒng)圖

砂處理工藝對鑄件產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要，在大批量流水生產(chǎn)條件下，型砂周期性循環(huán)使用，必須重視反復(fù)使用過程中型砂性能的變化規(guī)律，力求選擇好的處理工藝和設(shè)備，依靠逐級多點檢測并自動控制。目前，國內(nèi)如一汽二鑄廠采用兩套200 t/h的砂處理單元，分別配有美國辛普森22G高效混砂機和連續(xù)雙盤冷卻器。哈東安發(fā)動機公司和天津內(nèi)燃機等進口日本新東SSD砂處理系統(tǒng)，回砂采用測溫加水（MIA）和測濕加濕（MIC）及型砂成形性控制儀，配以先進的檢測系統(tǒng)向靜壓線提供合格的型砂。圖1是通用東岳動力為兩條氣沖線配套的砂處理系統(tǒng)（兩臺德國GFD新型轉(zhuǎn)子高效混砂機）能力為220 t/h，整個砂處理系統(tǒng)以塔式布置在一個24 m×24 m×25 m的空間內(nèi)。

1.2 濕型砂傳統(tǒng)處理三部曲

目前，由于高效大型斗提機的應(yīng)用使得濕型砂處理系統(tǒng)較多采用塔式疊加布局，塔式布局工藝設(shè)備可以直接銜接，這里我們將這種常規(guī)傳統(tǒng)的砂處理過程稱為“三步曲”。

第一步曲：舊砂工藝處理單元：關(guān)鍵單元，破碎、篩分一般分別采用振動落砂機和落砂滾筒篩、懸掛磁選和頭輪磁選。

第二步曲：舊砂冷卻緩沖處理單元：測濕增濕測溫增濕、冷卻，這一過程是獲得優(yōu)質(zhì)型砂至關(guān)重要的一步，通常設(shè)置具有一定時間儲存緩沖砂量的舊砂緩沖儲存調(diào)勻斗，一般3～4 h砂量或更多的中間儲存斗。舊砂儲存量大,周轉(zhuǎn)次數(shù)少，性能穩(wěn)定。多個調(diào)勻斗采用依次進料和同時出料可保證多個時段的舊砂預(yù)混均勻,使舊砂有效粘土及煤粉含量、水分、溫度等成分和性能波動最小,型砂性能易于穩(wěn)定控制。

第三步曲：配料終混單元：以混砂機為核心的配料、稱量、混制單元?；焐皺C配有量程不同的微機配料秤對舊砂、粘土、煤粉、微粉（淀粉或收塵）、水分稱量配入型砂，保證鑄件光潔度、型砂韌性和流動性、透氣性和收塵中有效成分的回收。

2 砂處理流程經(jīng)濟適用理念的建立

針對傳統(tǒng)砂處理流程的“三步曲”，國內(nèi)鑄造工作者如常州法迪爾克對大批量流水作業(yè)的砂處理工藝進行大量的研發(fā)投入，根據(jù)砂處理“冷卻、混砂、檢測”三要素成功研制出系列新型RFD多功能雙盤冷卻器、MXC變頻冷卻混砂機/RTM變頻混砂機、RTC型砂在線檢測儀等集約節(jié)能型現(xiàn)代裝備，這就為改變原本采用傳統(tǒng)“三步曲”工藝的生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)工藝優(yōu)化改革提供了更新的理念與和合理化的布置。其特征是變“三步”為“兩步”，布局緊湊、工藝過程合理，廢品率降低90%，膨潤土費用節(jié)省50%，節(jié)省電能11.4%，見圖2。

圖2 傳統(tǒng)常規(guī)“三步曲”集約為“兩步曲”

2.1 砂處理流程經(jīng)濟適用理念研制背景

通過對目前國內(nèi)部分濕型砂處理系統(tǒng)進行初步統(tǒng)計，以100 t/h濕型砂砂處理系統(tǒng)作為依據(jù)，匯總了以下三種配置現(xiàn)狀如下。

2.1.1 現(xiàn)狀與方案A：沸騰冷卻床+高速固定轉(zhuǎn)子混砂機

（1）優(yōu)點：設(shè)備投資略低。

（2）缺點：無法有效控制砂溫；無法控制舊砂濕度；無預(yù)混作用；沸騰冷卻床的故障率高，多處于停用狀態(tài)；混砂周期加長、二次升溫嚴重，型砂質(zhì)量無法控制；輔料加入量高，膨潤土的加入量在1%（國產(chǎn)中檔膨潤土600元/t）。

例：中國兵器某廠2007年10月投產(chǎn)的一條80 t/h砂處理系統(tǒng)使用情況。

冷卻器：沸騰冷卻床。

混砂機：高速固定雙轉(zhuǎn)子式混砂機，2臺配置，每臺功率為：轉(zhuǎn)子2×37 kW，底刮板55 kW。

型砂檢測：人工取樣。

實際砂處理狀況：沸騰冷卻床實際使用時無法控制水量，出現(xiàn)魚鱗板堵塞，一天清理幾次的狀況，目前不加水，舊砂水份在0.5%～1.6%之間波動。水份波動較大，車間自行在中間砂庫上方皮帶機上加霧化噴水，采取人工定時巡檢的辦法檢查水份；混砂機的額定混砂效率為40 t/h，每盤加砂量1 300 kg，實際加砂量1 200 kg。濕混時間135 s，放砂時間25 s，加砂時間13 s，總計173 s/盤。一小時混砂量26 t，兩臺每小時混砂量52 t/h，遠不能達到80 t/h，濕壓強度0.11～0.125 MPa，緊實率不穩(wěn)定達32%～40%。實際的檢測方法為人工取樣檢測。

2008年4月20日開始至5月已連續(xù)出現(xiàn)幾次型砂導(dǎo)致批量報廢，累計有十幾爐鐵液報廢。由于采用人工檢測，每次檢測結(jié)果出來，已經(jīng)有多碾砂混完放出。當再根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整加水量時，實際舊砂中的含水量已不再是所檢測時的舊砂含水量，所以又造成新的調(diào)整量的不準確，這樣有時會造成連續(xù)調(diào)整不準，型砂質(zhì)量完全失控，造成批量報廢。

（3）分析原因：①由于舊砂水份不穩(wěn)定，人工取樣檢測時間過長，出現(xiàn)型砂連續(xù)無法控制，尤其溫度越高，舊砂水份控制愈困難，波動會越大；②混砂機效率遠達不到設(shè)計要求，一般說來此種混砂機（類似于DISA TM系列），混砂周期為總時間100 s，而實際總時間為173 s，造成型砂升溫12℃左右，混砂效率下降。混制噸砂耗電量太大，達5 kW/t砂。③混砂均勻性、包裹性較差，總時間173 s，強度才達到0.12 MPa。

2.1.2 現(xiàn)狀與方案B：雙盤冷卻器+高速固定轉(zhuǎn)子混砂機

（1）優(yōu)點：有效控制砂溫在50℃或室溫加10℃以內(nèi)；有效控制舊砂濕度在2.0±0.2%；充分的預(yù)混作用；混砂周期縮短30 s，型砂質(zhì)量基本穩(wěn)定；降低一定的使用成本及提高成品率。

（2）缺點：型砂的二次升溫；輔料加入量中等，膨潤土的加入量在0.8%（國產(chǎn)中檔膨潤土600元/t）。

例：煙臺某制動盤生產(chǎn)廠兩條砂處理的實際使用情況。

一條160 t/h砂處理線采用方案A配置，混砂周期130 s，型砂升溫9℃左右，膨潤土加入量0.7%（國產(chǎn)高檔膨潤土）。另一條60 t/h砂處理線改造后為方案B配置，混砂周期100 s，型砂升溫6℃左右，膨潤土加入量0.6%（國產(chǎn)高檔膨潤土）。

2.1.3 現(xiàn)狀與方案C：雙盤冷卻器+低速變頻多轉(zhuǎn)子混砂機+在線檢測

（1）優(yōu)點：有效控制砂溫在50℃或室溫加10℃以內(nèi)；有效控制舊砂濕度在2.0±0.2%；充分的預(yù)混作用；多轉(zhuǎn)子、250～350 r/min中低速運行，型砂基本沒有二次升溫；高的混制效率，大大降低輔料加入量，膨潤土的加入量在0.5%（國產(chǎn)膨潤土600元/t）；配置型砂在線檢測，提供穩(wěn)定及高質(zhì)量的型砂，大大提高成品率；高可靠性的設(shè)備，減少砂處理用工人數(shù)及降低維護費用。

（2）缺點：設(shè)備投資略高。

例：山東某鑄造廠不同配置砂處理的實際使用情況。

山東某廠鑄造五車間于2007年10月投產(chǎn)80 t/h砂處理系統(tǒng)一套（選用常州法迪爾克RFD多功能雙盤冷卻器和MXC80/RTM5000低速變頻多轉(zhuǎn)子混砂機+在線檢測），配套兩條東久造型線，生產(chǎn)套管類鑄件，電爐熔煉，日產(chǎn)1 400箱，每箱兩件，僅有3～5件的廢品，成品率≥99.5%。系統(tǒng)膨潤土加入量僅為0.5%左右。

鑄造三車間，同樣上了兩條東久造型線，同樣的電爐熔煉，同樣生產(chǎn)套管類鑄件，2006年采用沸騰冷卻床+高速固定轉(zhuǎn)子混砂機的80 t/h砂處理系統(tǒng)時成品率為92%，系統(tǒng)膨潤土加入量為1.0%左右。2007年改造為雙盤冷卻器+高速固定轉(zhuǎn)子混砂機，成品率為96%，膨潤土加入量為0.8%。

2.1.4 不同配置現(xiàn)狀方案的經(jīng)濟性比較（表1）

2.2 砂處理流程經(jīng)濟適用理念的實施方案

隨著濕型砂處理工藝設(shè)備的改進升級，砂處理系統(tǒng)應(yīng)以下面三大原則考慮：

穩(wěn)定性——為造型設(shè)備提供性能合格而且穩(wěn)定的型砂。

經(jīng)濟性——系統(tǒng)運行成本要低，原輔材料消耗低，能源耗量低。

可靠性——系統(tǒng)可靠性要高。

2.2.1 經(jīng)濟適用方案。

依據(jù)“冷卻、混砂、檢測”三要素研制的MXC變頻冷卻混砂機/RTM變頻混砂機、RFD多功能雙盤冷卻器和RTC型砂在線檢測儀三種關(guān)鍵裝置在國內(nèi)已經(jīng)得到迅速推廣。依據(jù)方案C（雙盤冷卻器+低速變頻多轉(zhuǎn)子混砂機+在線檢測）理念，我們考慮一種集約節(jié)能型的組合布置方案，見圖3。

表1 不同配置現(xiàn)狀方案的經(jīng)濟性比較

圖3 集約節(jié)能型經(jīng)濟適用布置方案

2.2.2 濕型砂處理關(guān)鍵設(shè)備的改進升級

2.2.2.1 雙盤冷卻器

目前冷卻舊砂的設(shè)備主要有雙盤冷卻器、滾筒式冷卻裝置和振動冷卻沸騰床，在設(shè)備選型上大多選用雙盤冷卻器為主。多功能雙盤冷卻器（如法迪爾克FRD、美國辛普森SIMPSON、德國KW）是歐美鑄造企業(yè)公認的最理想的舊砂冷卻和預(yù)處理設(shè)備，也是國內(nèi)目前首選的砂處理設(shè)備。

國內(nèi)生產(chǎn)的FRD系列雙盤冷卻器舊砂冷卻處理能力45～300 t/h。系統(tǒng)首先對冷卻前的舊砂檢測溫度、濕度，據(jù)此確定加水量，以及風量、出砂門的開度等多個參數(shù)。舊砂進入冷卻器內(nèi)時，在攪拌器、鼓風風力的帶動下，砂層在水平和垂直2個方向呈∞字形立體運動軌跡，自動檢測裝置連續(xù)對舊砂溫度、濕度進行檢測，自動反饋調(diào)整噴水量，自動精確控制風量、砂層厚度和出砂門的開度。砂層作∞字形立體運動的同時，向下傾斜的等壓高速出風口對砂層產(chǎn)生懸浮沸騰狀，水蒸發(fā)的熱量迅速排出，被抽進除塵系統(tǒng)，舊砂獲得了冷卻。雙盤冷卻器除具有冷卻作用外，還具有無可替代的預(yù)混作用，大大減輕了混砂機的工作負荷，為充分發(fā)揮混砂機的效率（包括更高的型砂性能和盡可能短的混砂周期）提供了近乎完美的舊砂預(yù)處理。經(jīng)過冷卻處理出來的舊砂，能滿足舊砂冷卻處理的工藝要求。舊砂冷卻效果明顯，溫度控制在≤49℃（或環(huán)境溫度±10℃）。出料口舊砂濕度控制在2.0±0.2%。舊砂性能均勻一致。舊砂具有預(yù)混效果，預(yù)先活化了舊砂中的有效膨潤土，提高了型砂的混制效率。圖4為國內(nèi)生產(chǎn)的RFD系列多功能雙盤冷卻器運轉(zhuǎn)示意圖。

圖4 RFD系列多功能雙盤冷卻器

2.2.2.2 轉(zhuǎn)子混砂機

（1）轉(zhuǎn)子混砂機已成為當前主流設(shè)備

混砂機的發(fā)展是隨著造型方式的進步和對混砂機理的深入研究，逐步從碾輪式混砂機、碾輪轉(zhuǎn)子式混砂機、固定轉(zhuǎn)子式混砂機、行星轉(zhuǎn)子混砂機、高速轉(zhuǎn)子混砂機、變頻多轉(zhuǎn)子混砂機各階段的發(fā)展演變過程。變頻技術(shù)的采用，是20年來粘土砂混砂機在混砂技術(shù)領(lǐng)域的重大突破和進步，形成了新的混砂理論，在混砂周期內(nèi)的任何時刻，混砂機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速自動適配于混制特性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是時刻變化的一條曲線。其主流混砂機見表2國內(nèi)外目前砂處理系統(tǒng)普遍應(yīng)用的轉(zhuǎn)子混砂機。

（2）變頻多轉(zhuǎn)子混砂機

國內(nèi)生產(chǎn)的RTM變頻混砂機和MXC變頻冷卻混砂機，成為當今國內(nèi)外市場幾家主流混砂機之一。國內(nèi)外用戶已采用100多臺套同類型的變頻混砂機和砂處理自動線。

RTM混砂機處理能力：19～175 t/h，其中RTM7000變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子式混砂機的生產(chǎn)能力達到175 t/h，而國內(nèi)市場上沒有單臺混砂能力超過100 t/h的混砂機，在同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

表2 國內(nèi)外目前砂處理系統(tǒng)普遍應(yīng)用主流轉(zhuǎn)子混砂機

圖5是RTM多轉(zhuǎn)子變頻混砂機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是RTM混砂機外形圖。

圖5 RTM多轉(zhuǎn)子變頻混砂機結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 RTM混砂機外形圖

RTM混砂機特點：①采用變頻技術(shù)，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 200～360 r/min；②型砂的混制效率最高；③型砂混制均勻、性能更穩(wěn)定；④低的陶土、煤粉加入量，降低了生產(chǎn)成本；⑤混制出的型砂不發(fā)熱、水分低、流動性好；⑥耐磨件壽命更長，工作時間到達6 000 h；⑦節(jié)能;⑧國際標準、國內(nèi)價格、性價比高。

RTM混砂機與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子混砂機的區(qū)別見表3；性能比較見表4。如按照砂處理系統(tǒng)生產(chǎn)率50 t/h、年產(chǎn)3萬噸鑄件綱領(lǐng)布置，其成本比較見表5。

（3）MXC變頻轉(zhuǎn)子冷卻混砂機

表3 RTM變頻轉(zhuǎn)子混砂機與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子混砂機的區(qū)別表

表4 RTM變頻轉(zhuǎn)子混砂機與傳統(tǒng)（固定）轉(zhuǎn)子混砂機的技術(shù)性能比較

MXC變頻冷卻混砂機是在RTM系列變頻混砂機的基礎(chǔ)上引入氣流冷卻，是一次創(chuàng)新性的突破，混砂機與冷卻器不再是2個獨立的設(shè)備，而是集成二者功能為一體的集約節(jié)能性一體化裝備，從而減少了系統(tǒng)設(shè)備，另外設(shè)備占用場地面積小、布置簡單化、減少投資和設(shè)備維護量。常州法迪爾克生產(chǎn)的MXC120變頻冷卻轉(zhuǎn)子式混砂機的生產(chǎn)能力達到120 t/h，填補了國內(nèi)市場空白，是混砂設(shè)備改進創(chuàng)新的突破。圖7是MXC變頻冷卻混砂機外形圖，圖8是MXC變頻冷卻混砂機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖9是標準型（RFD雙盤冷卻器+RTM轉(zhuǎn)子混砂機布置，圖10是冷卻+混砂一體機經(jīng)濟集約型布置。

圖7 MXC變頻冷卻混砂機

圖8 MXC變頻冷卻混砂機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

10 冷卻+混砂一體機布置

2.2.2.3 型砂在線檢測

目前，型砂在線檢測已經(jīng)是智能化數(shù)字化砂處理線關(guān)鍵手段，已得到廣泛應(yīng)用。型砂在線檢測儀使型砂檢測的過后檢測變成在線實時檢測，真正實現(xiàn)混砂過程的實時、修正、控制、記錄、儲存、系統(tǒng)管理等功能。

RTC檢測項目：型砂緊實率、濕壓強度。

RTC調(diào)整項目：加水量、輔料加入量。

RTC檢測系統(tǒng)項目：（a）型砂工藝參數(shù)的設(shè)定和自動修正；（b）實時檢測型砂的緊實率、濕壓強度；（c）控制混制時間、原料、輔料、水的加入量；（d）在顯示屏上顯示檢測結(jié)果，記錄可查。混制時間和加水量數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計顯示可查；（e）集成設(shè)備維修檢查和出現(xiàn)故障點記錄顯示可查、集成維修操作說明和儲存記錄。系統(tǒng)配置1臺FONDARC工業(yè)控制器可實現(xiàn)砂處理系統(tǒng)的自動化生產(chǎn)，實現(xiàn)全過程的統(tǒng)計、記錄、管理的功能。

RTC106型砂檢測儀的主要作用：通過對混砂過程中型砂的緊實率、濕壓強度的實時檢測，并與型砂工藝參數(shù)的設(shè)定值進行比較計算，自動調(diào)整加水量和輔料加入量，修正混砂時間，混制出滿足工藝參數(shù)的型砂，型砂合格率100%。同時長久自動記錄相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備故障診斷分析原始記錄，為工藝員、設(shè)備維修員提供相關(guān)的分析和判斷資料。

RTC106型砂檢測儀的主要優(yōu)點：（a）依據(jù)實時檢測混制過程型砂的緊實率、濕壓強度，自動調(diào)整水和膨潤土的加入量，減少了由人工靠經(jīng)驗控制造成的型砂性能的不穩(wěn)定；（b）混砂過程是靠在線檢測儀來工作，避免了人工控制造成的混制時間、加入量的不穩(wěn)定現(xiàn)象；（c）自動記錄型砂每碾的混制時間、批次、水和原輔料的加入量、緊實率和濕壓強度的設(shè)定值及修定值;d)提供設(shè)備故障診斷、記錄和檢修方法等大量原始數(shù)據(jù)信息；（e）有效的減少混砂工序的操作人員；（f）檢測控制精度高：緊實率精度2%～5%、濕壓強度精度5%～8%。圖11是法迪爾克MXC冷卻變頻多轉(zhuǎn)子混砂機配置的在線檢測儀。

圖11 MXC冷卻變頻多轉(zhuǎn)子混砂機配置的在線檢測儀

3 砂處理工藝設(shè)備改進升級的發(fā)展趨勢

一個優(yōu)質(zhì)的砂處理系統(tǒng)是滿足高質(zhì)量型砂工藝性能要求的關(guān)鍵，從國內(nèi)目前的砂處理系統(tǒng)設(shè)備的改進升級，我們看到了國外先進的砂處理工藝和技術(shù)的導(dǎo)入，必將加速國內(nèi)鑄造濕型砂處理工藝設(shè)備的改進創(chuàng)新速度，高性能、高精度、高效率、低成本、智能化已成為濕型砂處理工作者的主要目標。

參考資料

[1]吳殿杰.全新的概念全新的設(shè)計[J].中國鑄造裝備與技術(shù),1999(06).

[2]吳毅.現(xiàn)代化大批量汽車鑄件生產(chǎn)線砂處理系統(tǒng)建設(shè)體會[J].鑄造設(shè)備與工藝,2010(05).