一種改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯熱風(fēng)表干爐系統(tǒng)

李保強(qiáng) ，劉玲玲 ，張震宇，郭毛毛

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007；2.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450044）

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯通過式表干爐用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯整體浸水基涂料后的表面干燥。 砂芯的主要成分為樹脂砂，樹脂砂芯本身的含水量較低（0.2%～0.3%）， 采用水基涂料表干工藝所需干燥的主要是砂芯表面水基涂料滲入的水分[1]。

某發(fā)動(dòng)機(jī)公司缸蓋砂芯表干爐項(xiàng)目，缸蓋砂芯的烘干時(shí)間為120 min， 缸蓋砂芯的生產(chǎn)率為30 盤/h。因生產(chǎn)需要， 缸蓋砂芯的烘干時(shí)間需由現(xiàn)在的120 min 降到90 min，生產(chǎn)率由現(xiàn)在的30 盤/h 提高到40盤/h， 同時(shí)折合到單件砂芯烘干的天然氣能耗降低15%～20%。

鑒于此， 本文研究一種改進(jìn)的節(jié)能型缸蓋熱風(fēng)表干爐系統(tǒng)，通過提高烘干爐內(nèi)熱風(fēng)風(fēng)速，可加大對(duì)流換熱系數(shù)， 增強(qiáng)砂芯表面換熱， 加速砂芯表面烘干，縮短砂芯烘干時(shí)間，減少砂芯內(nèi)部吸熱，同時(shí)可降低烘干爐熱風(fēng)溫度，達(dá)到提高砂芯烘干生產(chǎn)率，降低砂芯烘干能耗的效果。

1 系統(tǒng)工藝參數(shù)

以某公司缸蓋砂芯表干爐項(xiàng)目為例， 缸蓋砂芯通過式表干爐用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋芯整體浸水基涂料后的表面烘干。 砂芯的表面干燥可簡(jiǎn)單地劃分成三個(gè)步驟：（1）砂芯表面水分受熱后蒸發(fā)汽化；（2）表層蒸汽通過紊流狀態(tài)的熱風(fēng)快速向四周擴(kuò)散；（3）在擴(kuò)散動(dòng)力作用下砂芯內(nèi)部的水分向表層遷移。 在涂料烘干過程中， 其表面的熱交換屬于紊流狀態(tài)下的強(qiáng)制對(duì)流換熱。 同時(shí)，由于樹脂砂工藝的限制，其干燥溫度一般不超過200 ℃[2]。

其工件參數(shù)為：砂芯外形尺寸：208 mm（長(zhǎng)）×365 mm（寬）×160 mm（高）；砂芯重量：6 kg；烘芯托盤外形尺寸：1 400 mm（長(zhǎng)）×900 mm（寬）×100 mm（高）；烘芯托盤重量：約150 kg；每只烘芯托盤裝載量：8 只。其工藝為：涂料涂敷方式：整體浸涂水基涂料；浸涂時(shí)間：≤10 s； 涂料層厚度：≤0.3 mm； 烘干溫度：120～160 ℃(可調(diào))；干燥后殘余水分含量：≤0.2%；砂芯出爐溫度：≤55 ℃。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的缸蓋砂芯表干爐系統(tǒng)由升降式輥道輸送機(jī)、進(jìn)出料輥道、砂芯烘干爐、燃?xì)馐郊訜崾摇⑻烊粴鈱Ｓ萌紵龣C(jī)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、天然氣管道系統(tǒng)、冷卻室、烘芯托盤輸送輥道、烘芯托盤、電氣控制系統(tǒng)、安全防護(hù)欄及工作梯、排氣管道等部分組成。

2.1 升降式輥道輸送機(jī)

升降式輥道輸送機(jī)升降行程600 mm，升降速度8 m/min， 輥道輸送速度 10 m/min， 輥道驅(qū)動(dòng)功率0.55 kW，升降式輥道輸送機(jī)由升降平臺(tái)及輸送輥道兩部分組成。輸送輥道由輥?zhàn)?、鏈輪、鏈條、調(diào)心軸承座及驅(qū)動(dòng)減速器等組成。升降平臺(tái)由支架、升降機(jī)構(gòu)及活動(dòng)支架等組成。 支架及活動(dòng)支架由型鋼焊接后經(jīng)機(jī)床加工制成， 活動(dòng)支架由4 根立柱及導(dǎo)套固定在支架上。升降機(jī)構(gòu)由液壓缸拉動(dòng)活動(dòng)支架升降，升降機(jī)配有一臺(tái)小型液壓站。 輸送輥道配有3 套托盤定位裝置，進(jìn)出口升降臺(tái)各一套，出口升降臺(tái)前邊工位一套，托盤定位裝置為四面夾緊定位機(jī)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物見圖1。 提高了機(jī)械手上件和取件的精度，重復(fù)定位精度0.5 mm。

圖1 四面夾緊定位機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2.2 砂芯烘干爐

烘干爐爐體為雙通道貫通式結(jié)構(gòu)，實(shí)物見圖2。整體框架結(jié)構(gòu)由堅(jiān)固的型鋼和鋼板焊接制成， 分節(jié)制作，現(xiàn)場(chǎng)組裝。 爐體采用鋼結(jié)構(gòu)全纖維爐襯，爐內(nèi)襯板由不銹鋼板焊接制成，板厚不小于2 mm，中間填充厚度≥140 mm 的保溫礦渣巖棉； 外壁平整美觀，隔熱性能好，熱損失小，爐體外壁溫度不高于車間環(huán)境溫度15 ℃。 托盤從兩個(gè)通道分開運(yùn)行，中間設(shè)有雙層隔板，雙層隔板作為爐體中間回風(fēng)通道，只使用一條機(jī)動(dòng)輥道線輸送； 爐體安裝在標(biāo)高為4 m的鋼平臺(tái)上，爐體由骨架、爐襯等組成，骨架采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的同系列壁厚最厚的方型鋼管、 槽鋼及鋼板（3 mm）焊接制成整體框架式的結(jié)構(gòu)，焊接成型后進(jìn)行防銹處理。

圖2 雙通道砂芯烘干爐實(shí)物圖

烘干爐設(shè)有5 個(gè)加熱區(qū)，分2 個(gè)預(yù)熱段、3 個(gè)加熱段。每個(gè)加熱區(qū)單獨(dú)控制，便于烘干工藝的設(shè)定及調(diào)整。 5 個(gè)加熱區(qū)的熱風(fēng)循環(huán)方式均為頂部吹風(fēng)，兩側(cè)底部回風(fēng)結(jié)構(gòu)，確保砂型表面的充分干燥。烘干爐在預(yù)熱段因砂芯表面涂料的大部分水分在此期間蒸發(fā)， 為了防止砂芯表面涂料膜因水分蒸發(fā)太快而遭破壞，熱風(fēng)溫度需要控制得低一些，熱風(fēng)濕度控制得相對(duì)較高，利于節(jié)省能源。在加熱保溫段水分蒸量相對(duì)較少，要使砂芯表面的水分順利地向外表遷移，該段的熱風(fēng)溫度相對(duì)較高，干燥時(shí)間較長(zhǎng)，熱風(fēng)濕度可控制在較低水平，確保砂芯烘干烘透，同時(shí)降低砂芯烘干能耗。鑒于此，5 區(qū)溫度分別設(shè)定為150 ℃、160℃、180 ℃、180 ℃、180 ℃。

2.3 燃?xì)馐郊訜崾?/h3>

表干爐設(shè)有5 個(gè)溫區(qū)， 每個(gè)溫區(qū)配有一套燃?xì)馐郊訜崾?。燃?xì)馐郊訜崾矣扇紵液蛽Q熱室組成。燃燒室采用耐熱鋼制造，使用壽命長(zhǎng)，壁體為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有利于天然氣高溫燃燒氣體的擴(kuò)散，便于循環(huán)熱風(fēng)的混合換熱，并降低燃燒室外壁溫度。換熱室內(nèi)設(shè)有熱風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)， 使得循環(huán)熱風(fēng)與高溫氣體在換熱器內(nèi)充分、均勻地混合換熱，熱效率高。 燃燒器配有節(jié)能燒嘴及穩(wěn)焰盤、自動(dòng)點(diǎn)火裝置、火焰監(jiān)測(cè)器、伺服配風(fēng)結(jié)構(gòu)、助燃風(fēng)機(jī)、比例調(diào)節(jié)控制器、燃?xì)饪刂崎y組、氣體壓力開關(guān)、吹掃裝置及控制裝置等。

2.4 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

烘干爐5 個(gè)溫區(qū)均設(shè)有一套熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、排濕管道及新鮮空氣補(bǔ)充閥等組成。 在風(fēng)管上設(shè)有排濕及新鮮空氣補(bǔ)給管，兩管上均裝有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，便于調(diào)節(jié)排出和補(bǔ)給空氣量。熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)為分體插入結(jié)構(gòu)，可嵌入到燃?xì)饧訜崾覂?nèi)，與燃?xì)饧訜崾也捎们度胧椒ㄌm連接，每臺(tái)風(fēng)量為30 000 m3/h，風(fēng)嘴出口風(fēng)速24 m/s，使循環(huán)熱風(fēng)具有足夠的穿透力， 同時(shí)便于爐內(nèi)循環(huán)熱風(fēng)形成紊流狀態(tài)， 保證砂芯最佳干燥效果， 提高了生產(chǎn)率。循環(huán)風(fēng)機(jī)及點(diǎn)火裝置的啟動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，只有當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行一定時(shí)間后， 完成對(duì)天然氣換熱裝置的吹掃， 同時(shí)通過壓力開關(guān)發(fā)出壓力信號(hào)，點(diǎn)火裝置獲得啟動(dòng)指示后才能進(jìn)行點(diǎn)火，防止由于天然氣泄漏，造成危險(xiǎn)，以充分保證生產(chǎn)安全。

2.5 冷卻室

冷卻室由室體及冷卻排風(fēng)系統(tǒng)等組成。 室體結(jié)構(gòu)同烘干爐， 有效尺寸為9 000 mm×1 500 mm×550 mm。 冷卻排風(fēng)系統(tǒng)由冷卻風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)及排風(fēng)管組成，冷卻風(fēng)機(jī)功率0.55 kW×4=2.2 kW，抽風(fēng)機(jī)功率2.2 kW。由4 臺(tái)風(fēng)機(jī)將冷空氣吹入冷卻室內(nèi)，經(jīng)砂芯換熱后，熱廢空氣經(jīng)頂部中間的排氣口，由抽風(fēng)機(jī)通過排風(fēng)管道排出。 缸蓋表干爐設(shè)有5 個(gè)工位的冷卻段，設(shè)置4 臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻風(fēng)量～24 000 m3/h，冷卻時(shí)間10 min，砂芯冷卻后表面溫度≤55 ℃。 砂芯冷卻過程也是砂芯進(jìn)一步干燥的過程， 故強(qiáng)制冷卻風(fēng)應(yīng)具有足夠的風(fēng)量。增加冷卻段的風(fēng)量，等同于增加表干爐的爐長(zhǎng)， 有助于提高砂芯烘干的生產(chǎn)率和降低能耗[4]。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括表干爐溫度控制單元、 輥道驅(qū)動(dòng)控制單元、 程序系統(tǒng)控制單元和人機(jī)操作界面四部分。 分別由工控機(jī)、PLC 及控制柜、搬運(yùn)機(jī)器人和各種傳感器及控制儀表組成。 表干爐的溫度控制儀采用宇電人工智能溫控儀表， 通過PID 調(diào)節(jié)控制爐內(nèi)溫度。 輥道驅(qū)動(dòng)控制單元采用施耐德斷路器作過流、過壓保護(hù)。爐內(nèi)輥道和上下料輥道采用變頻控制， 通過電氣實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖控制及自動(dòng)手動(dòng)運(yùn)行模式切換。 程序系統(tǒng)控制單元用一臺(tái)西門子S7-1500 PLC 完成，控制超溫檢測(cè)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工位狀態(tài)監(jiān)測(cè)及處理； 人機(jī)界面控制系統(tǒng)采用西門子TP1200 液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)， 根據(jù)生產(chǎn)線工藝的要求， 系統(tǒng)各部分的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)在相應(yīng)設(shè)備的位置顯示， 并以菜單與窗口的方式對(duì)給定參數(shù)進(jìn)行修改輸入。 同時(shí)編制一個(gè)模擬設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置擺放的設(shè)備框圖， 用不同的顏色實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的各種位置與運(yùn)行狀態(tài)及故障。

3 結(jié)語

研究實(shí)踐表明， 改進(jìn)型缸蓋砂芯表干爐針對(duì)樹脂砂生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，并依據(jù)熱平衡原理、水分遷移理論及傳熱學(xué)理論進(jìn)行專門設(shè)計(jì)， 其節(jié)能效果達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，它具有大流量、無輻射、控制精度高、爐溫均勻性好、能控制和運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[5]，有一定的推廣價(jià)值。