陳風(fēng)琴,赫連福坤,陳 磊
(山西中條山機(jī)電設(shè)備有限公司,山西 垣曲 043400)
消失模鑄造也稱氣化模鑄造,造型過程中不需要任何黏結(jié)劑,可以制造形狀復(fù)雜(包括外部和內(nèi)腔)的鑄件,不需起模,生產(chǎn)過程簡單,固體廢棄物少,無污染、無垃圾,鑄件尺寸精度高,光潔規(guī)則、質(zhì)量好,節(jié)能、環(huán)保,是一種近無余量、精確成型的綠色鑄造工藝。造型砂可循環(huán)反復(fù)多次使用,舊砂利用率高達(dá)95%以上,生產(chǎn)成本低,被越來越多企業(yè)廣泛選用。
因泡沫模型(模樣簇)是用EPS 珠粒發(fā)泡制成,工作溫度不宜過高,一般不超過85 ℃.因而,造型時型砂(舊砂)溫度不宜過高,否則會直接造成泡沫模樣強(qiáng)度降低、變形,導(dǎo)致鑄件變形,甚至塌箱,影響鑄件質(zhì)量;而且砂溫過高時熱砂與冷庫(砂庫、砂箱)接觸,水蒸汽凝結(jié)成水,會產(chǎn)生掛砂粘模(砂箱)現(xiàn)象,不利于落砂;砂溫持續(xù)高時,不能連續(xù)生產(chǎn),添加新砂(去除舊砂)會直接造成生產(chǎn)成本增加,不利于企業(yè)經(jīng)營。也就是說,舊砂溫度的高低直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率,影響著舊砂的循環(huán)使用,關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)成本。
公司現(xiàn)有10 000 t/a 消失模鑄造自動生產(chǎn)線1條,包含自動翻箱機(jī)、振動落砂輸送槽、振動落砂輸送篩、磁選機(jī)、砂溫調(diào)節(jié)器、布袋除塵器各1 臺,高溫斗式提升機(jī)1 臺,常溫(普通)斗式提升機(jī)3 臺等生產(chǎn)設(shè)備,造型砂庫(35 t)、砂溫調(diào)節(jié)庫(25 t)、中間砂庫(50 t)、循環(huán)水池(200 m3)各1 座及砂箱61 個,總循環(huán)砂量不少于200 t,循環(huán)水量200 m3.平面布置見圖1,立剖圖見圖2.
圖1 10 000 t/a 消失模鑄造自動生產(chǎn)線平面布置圖
圖2 消失模鑄造生產(chǎn)線工藝布置立剖圖
消失模鑄造生產(chǎn)線工藝流程如圖3 所示。從工藝流程圖可見,自動生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時,澆注、保溫后的砂箱經(jīng)自動翻箱機(jī)后,鑄件和舊砂經(jīng)振動落砂輸送槽實(shí)現(xiàn)(鑄)件砂分離,鑄件經(jīng)鱗板輸送機(jī)輸送到拋丸清理區(qū),待進(jìn)一步清理打磨成為成品;舊砂及其他雜物則進(jìn)入振動落砂篩進(jìn)行篩分;篩分出來的雜物集中回收到容器,定期倒運(yùn)外排,舊砂經(jīng)斗提機(jī)、磁選機(jī)、沸騰冷卻床、中間砂庫、砂溫調(diào)節(jié)庫和砂溫調(diào)節(jié)器等工藝設(shè)備進(jìn)行回收和降低溫度后回到造型砂庫繼續(xù)使用,實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
圖3 消失模鑄造生產(chǎn)線工藝流程
舊砂的冷卻主要是通過沸騰冷卻床和砂溫調(diào)節(jié)器,在3#/4#和1#/2#離心式水泵(一用一備)作用下,將循環(huán)水池中冷水輸送到沸騰冷卻床、砂溫調(diào)節(jié)器的進(jìn)(供)水管路,熱交換后的(高溫)熱水經(jīng)回水管路到2#/1#玻璃鋼冷卻塔降溫后再回到循環(huán)水池中,循環(huán)反復(fù)將舊砂的熱量帶走實(shí)現(xiàn)舊砂冷卻。其他過程均為自然冷卻方式降低砂溫。
公司消失模鑄造生產(chǎn)線于2018 年3 月安裝、投產(chǎn),自動生產(chǎn)線砂處理能力40 t/h,造型節(jié)拍5 min/箱,翻箱節(jié)拍3 min/箱~4 min/箱。隨著產(chǎn)能的逐漸提高,自動生產(chǎn)線中舊砂溫度不穩(wěn)定,常常偏高,影響正常生產(chǎn)。尤其是夏季,砂溫超過要求溫度(要求值≤50 ℃~60 ℃),有時甚至達(dá)70 ℃~80 ℃以上,造成模樣簇強(qiáng)度降低,甚至變形,不能滿足造型作業(yè)要求,不得不停產(chǎn),等待砂溫降到許可溫度再生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每班至少需停1 次,每次至少2 h~3 h,嚴(yán)重制約了正常生產(chǎn)。
消失模自動生產(chǎn)線造型砂重復(fù)再利用過程中,舊砂冷卻采用的是“砂-砂、砂-水”熱交換方式。影響因素主要包括:循環(huán)砂量和冷卻水及冷卻設(shè)備。其中,循環(huán)砂量不僅包括砂庫的儲量,還要考慮實(shí)際可循環(huán)量。也就是說,要考慮砂庫中儲砂是否能全部參與了循環(huán);冷卻水不僅包括冷卻設(shè)備的運(yùn)行情況,還要考慮循環(huán)水池的儲量(總循環(huán)水量)。
為此,對沸騰冷卻床、中間砂庫、砂溫冷卻器及造型砂庫的進(jìn)、出口砂溫進(jìn)行了測量;對砂庫出料角進(jìn)行測量,核算砂庫循環(huán)砂量;對配套的玻璃鋼冷卻塔供、回水溫度進(jìn)行了測量;對水池水位、冷卻塔設(shè)備(狀況)進(jìn)行了不定期檢查。以分析確定生產(chǎn)線上舊砂溫度偏高的原因。
對生產(chǎn)線中和舊砂再利用相關(guān)的位置進(jìn)行了砂溫測量,結(jié)果見表1.
表1 自動生產(chǎn)線上砂溫測量結(jié)果(溫度,℃)
從測量結(jié)果可見:
1)在沸騰冷卻床的進(jìn)、出口處,溫差大于71 ℃.說明此處循環(huán)水冷卻系統(tǒng)發(fā)揮了一定作用。
2)在砂溫調(diào)節(jié)器的進(jìn)、出口處,溫差僅為-4 ℃~5 ℃,說明此處循環(huán)水冷卻系統(tǒng)作用很小,幾乎沒有發(fā)揮作用。
3)各儲砂庫進(jìn)、出口溫差不大。說明自然冷卻效率不高。
4)有的砂庫進(jìn)、出口處溫度不降低反而升高。分析原因主要是由于砂的比熱容C砂=840 kJ/kg·℃,相對循環(huán)水?。ㄋ谋葻崛軨水=4 200 kJ/kg·℃),澆注后的等量舊砂冷卻時降低1 ℃時所需時間相比水需要時間要長。當(dāng)造型作業(yè)完成后,造型砂停止循環(huán),各儲庫中砂子處于堆積狀態(tài),與周邊空氣接觸面積少,換熱慢,當(dāng)?shù)陀诃h(huán)境溫度變化速度時,溫度不但不降反而會呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。
5)環(huán)境溫度對砂溫的降低也有直接影響。陰雨天氣時環(huán)境溫度低,生產(chǎn)過程中自然冷卻效果較好;反之,晴天時環(huán)境溫度較高,效果不好。
6)連續(xù)生產(chǎn)的爐次對砂溫也有影響。連續(xù)生產(chǎn)爐次多時,需熱交換的熱量多,總循環(huán)砂量不變前提下,冷卻效果相對偏低(不考慮其他因素時)。
2.2.1 舊砂儲量
根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn),消失模鑄造從造型、澆注、保溫和翻箱、落砂回收再利用過程,造型砂不可避免的存在消耗,需不定期進(jìn)行補(bǔ)充新砂。
根據(jù)生產(chǎn)工藝順序,造型作業(yè)總是提前澆注完成。在造型作業(yè)結(jié)束后,按照程序控制,生產(chǎn)線自動翻箱,振動落砂輸送槽分離出來的部分舊砂需存入(不造型的)空砂箱中。按照設(shè)計(jì)循環(huán)砂量200 t 計(jì)算,滿足循環(huán)砂量時,翻箱后、造型前生產(chǎn)線上空砂箱數(shù)量不宜超過6 個。實(shí)際生產(chǎn)過程中,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),個別班次自動生產(chǎn)線上至少存有10 個空砂箱,甚至達(dá)17 個空砂箱,(17-6)×2=22 t(空砂箱需砂量2 t/箱),也就是說循環(huán)砂量少了約20 t,占總循環(huán)砂量的10%,儲量不足。
2.2.2 舊砂參與情況(在舊砂輸送過程中影響舊砂流動原因分析)
對中間砂庫(50 t)、砂溫調(diào)節(jié)庫(25 t)的出料角度進(jìn)行了測量(核算實(shí)際循環(huán)量),分析出料角對舊砂輸送的影響。測量點(diǎn)及結(jié)果如下:
1)砂庫(50 t):下錐體角度41°~42°;出料口(入3 級斗提機(jī))溜管50°~51°.
2)砂溫調(diào)節(jié)庫:錐體(與砂溫調(diào)節(jié)器連接的天圓地方變徑)處29°~30°;砂溫度調(diào)節(jié)器出料口(入4級斗提機(jī))溜管處44°~45°.
經(jīng)查閱相關(guān)資料,造型砂安息角靜止?fàn)顟B(tài)是45°,運(yùn)動狀態(tài)是30°。結(jié)合測量結(jié)果,砂庫下錐體角度41°~42°<45°;砂溫調(diào)節(jié)庫錐體(與砂溫調(diào)節(jié)器連接的天圓地方變徑)處29°~30°<45°.說明在中間砂庫(50 t)下錐體處、砂溫調(diào)節(jié)庫(25 t)錐體處有死角現(xiàn)象,甚至部分砂子停滯(存放)在那里,沒有參與到舊砂循環(huán)中。
2.3.1 沸騰冷卻床、砂溫度調(diào)節(jié)器循環(huán)冷卻水降低舊砂溫度分析
對沸騰冷卻床、砂溫調(diào)節(jié)器循環(huán)冷卻水出入口水溫進(jìn)行了測量,結(jié)果見表2.
表2 測量結(jié)果表明:
表2 循環(huán)冷卻水溫測量情況(溫度,℃)
1)在沸騰冷卻床的循環(huán)冷卻水進(jìn)、出口處,溫差25 ℃左右,說明此處循環(huán)水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了熱交換,發(fā)揮了一定作用。
2)在砂溫度調(diào)節(jié)器的進(jìn)、出口溫差為1 ℃,說明此處循環(huán)水冷卻系統(tǒng)熱交換很少,幾乎沒有發(fā)揮作用。
2.3.2 循環(huán)水池降溫分析
隨著鑄造自動生產(chǎn)線的連續(xù)進(jìn)行,熱交換、蒸發(fā)等因素,循環(huán)水池中水量會減少,需要定期檢查補(bǔ)充,否則會牽制冷卻效果。
設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度不高于25 ℃~28 ℃,回水溫度不高于45 ℃~50 ℃;水池能力為200 m3;循環(huán)水池蓄水尺寸(長×寬×高)17.5 m×3.2 m×5.0 m,蓄水量按照深4.5 m,蓄水量17×2.7×4.5=206 t,按照200 m3計(jì)算。
實(shí)際生產(chǎn)過程中,補(bǔ)水不及時,進(jìn)、回水溫度達(dá)38 ℃、55 ℃.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),水池中水量位于液面1.0 m~1.2 m 甚至更多,就是說相當(dāng)于少了50 m3左右(17×2.7×(1.0~1.2)=45.9~55.1),大約占總量的50/200×100%=25%,50 m3<200 m3.
根據(jù)熱量計(jì)算公式:c1m1△t1=c2m2△t2,即循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中熱交換過的冷卻水經(jīng)回水管路回到循環(huán)水池后,還沒有多停留或沒有和冷水進(jìn)行充分熱交換,又在循環(huán)水泵作用下進(jìn)入供水管路返回?zé)峤粨Q循環(huán)中,溫差小,換熱效率低。即循環(huán)水總量不足。
2.4.1 砂溫調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)分析
砂溫調(diào)節(jié)器的規(guī)格為φ1 300 mm×2 000 mm,調(diào)節(jié)器內(nèi)部共有砂管n=241 根,砂管直徑D=φ42 mm,砂管長度L=2 m.
1)砂管的截面積為:
2)砂處理生產(chǎn)線輸送能力要求為40 t/h,折合每秒0.007 m3.即:40/1.6×3 600=0.007 m3/s(按照砂子比重1.6 t/m3計(jì)算)。
3)砂流速:0.007/0.33=0.02 m/s.
4)換熱面積:
S總=n·S單=n·(π·D)·L=241×[3.14×(42/1 000)×2]=64 m2.
從以上計(jì)算結(jié)果可見,舊砂在砂管中流速為0.02 m/s,2/0.02=100 s.也就是說不計(jì)重力加速度因素,熱砂從砂溫調(diào)節(jié)器入口到出口僅需100 s,熱交換時間短,不可能起到良好的換熱降低舊砂溫度效果。
2.4.2 玻璃鋼冷卻塔(設(shè)備)狀況分析。
經(jīng)現(xiàn)場檢查,玻璃鋼冷卻塔設(shè)備狀況不佳,部分填料破損,而且分布不平整,堆積在一起(見圖3),布水器破損、堵塞,甚至缺失(見圖4),不能均勻分布水流,減小了換熱面積,降低了冷卻效果。
圖4 玻璃鋼冷卻塔(設(shè)備)狀況
結(jié)合分析各項(xiàng)因素后,本著節(jié)約原則,充分利用現(xiàn)有場地和資源,對中間砂庫(50 t)、砂溫調(diào)節(jié)庫(25 t)、砂溫調(diào)節(jié)器等進(jìn)行了改造和調(diào)整。工藝布置見圖5.
圖5 消失模鑄造生產(chǎn)線降低砂溫改造后工藝布置圖(立剖)
3.1.1 對現(xiàn)有中間砂庫(50 t)進(jìn)行改造
拆除現(xiàn)有錐體,重新制做,要求錐體角度≥45°,保證出料通暢。同時,錐斗和柱體均增加冷卻盤1套。
設(shè)計(jì)時,充分利用砂庫的殼體空間,保留砂庫的東、西兩側(cè)殼體不動,結(jié)合南、北兩側(cè)的殼體設(shè)計(jì)制作冷卻盤(盡可能大),將循環(huán)水管道及彎頭布置在砂庫立柱外。冷卻盤的冷卻介質(zhì)在管中流動。
安裝時,在砂庫南北側(cè)開孔,將新制作的冷卻盤加入并固定,與砂庫間的間隙處用鋼板條補(bǔ)焊,保證不漏砂。冷卻盤安裝完成后借助砂庫立柱增加支撐進(jìn)行加固,保證穩(wěn)固。
錐斗的冷卻盤隨錐斗制作同時進(jìn)行。
3.1.2 擴(kuò)容砂溫調(diào)節(jié)庫和加裝冷卻盤及移位氣動加砂門
1)拆除現(xiàn)有砂溫調(diào)節(jié)庫的變徑部分(天圓地方)和砂溫調(diào)節(jié)器(規(guī)格型號為φ1 300×2 000)及出料溜管(包含入4 級斗提機(jī)的天圓地方變徑和氣動加砂門)。
2)將與現(xiàn)有砂溫調(diào)節(jié)庫上箱體柱體部分延長0.5 m~0.8 m(擴(kuò)容)。延長部分與現(xiàn)砂庫連接斷采用焊接方式,另一端預(yù)留法蘭連接方式(待加裝冷卻盤)。
3)重新制作冷卻盤和砂庫下錐體,連接均為法蘭方式。尺寸、規(guī)格參考砂庫(50 t)做法,充分利用砂溫調(diào)節(jié)庫。砂庫下錐體的角度≥45°,保證出料暢通;冷卻水在冷卻盤的管中流動。
4)拆除砂溫調(diào)節(jié)庫出料口到4 級斗提機(jī)入砂溜管上的天圓地方變徑,移位氣動加砂門(從斗提機(jī)地坑到錐斗出口下地面以上),滿足入4 級斗提機(jī)溜管角度≥30°~35°,其他富裕高度均加入到上箱體柱體部分,盡可能擴(kuò)大砂庫容積。
5)重新制作出料溜管,分別與下錐體和4 級斗提機(jī)入口相連。
安裝時,冷卻盤安裝在砂溫調(diào)節(jié)庫上箱體下邊,砂庫下錐體安裝在冷卻盤下邊,氣動加砂門在下錐體出料口處,出料溜管與4 級斗提機(jī)的入料口連接,均采用法蘭連接方式。
3.1.3 砂庫內(nèi)增加均料板
使最低處與冷卻盤最上層管道距離不大于2 00 mm,保證砂子自由落體到砂庫中,冷卻盤管周邊的砂子流動時處于蠕動狀態(tài),以減小砂子對冷卻盤管道的沖刷,延長冷卻盤使用壽命。
工作時,經(jīng)2、3 級斗式提升機(jī)提升的舊砂入砂庫、砂溫調(diào)節(jié)庫后,先經(jīng)均料板的阻擋后多次沖擊、灑落、飛濺、折返,再落入冷卻盤和砂庫中。一方面不直接沖刷冷卻盤管道,延長使用壽命,另一方面便于冷卻盤作業(yè)面上料層均勻,促進(jìn)提升換熱效率。
均料板可分2~3 層(結(jié)合入料口與冷卻盤位置決定)。最上層為700 mm×700 mm×6 mm,布置長條形孔為φ70 mm×200 mm;第二層規(guī)格800 mm×600 mm×5 mm(位于一、三層側(cè)面),布置長條形孔為φ60 mm×200 mm;最下邊層為1 300 mm×1 300 mm×6 mm,布置長條形孔φ50 mm×150 mm.
結(jié)合生產(chǎn)消耗情況,及時補(bǔ)充損耗砂量。保證循環(huán)砂量不低于200 t.
1)增加循環(huán)水管道與現(xiàn)有的冷卻管道、水泵、循環(huán)水池連接。通過三通和閘閥、球閥等元件,實(shí)現(xiàn)對每個砂庫的控制與調(diào)整。
2)及時補(bǔ)充循環(huán)水池中水量。保證水位不低于水池頂面以下0.5 m,循環(huán)水量不少于200 m3.
不定期及時檢查冷卻塔設(shè)備和管路,清理污垢,更換破損的填料和分水器及管件,保證填料完好、平整分布,分水器后水流均勻,灑落面積大,散熱效果好。
改造后對砂庫部分循環(huán)冷卻水系統(tǒng)溫進(jìn)行了測量,結(jié)果如見表3,溫差10 ℃左右,可以起到舊砂降溫作用。
表3 砂庫部分循環(huán)冷卻水溫測量情況(溫度,℃)
經(jīng)試運(yùn)行,取得了良好效果:
1)中間砂庫(50 t)擴(kuò)容增加儲量15 t,加裝冷卻盤減小砂儲量不到16 t,即減小儲砂量1 t,占循環(huán)砂量百分比:1/200=0.5%,忽略不計(jì),循環(huán)砂量基本不變。
2)改造后砂溫調(diào)節(jié)庫的出料口角度增大后,不存在死角,也就是說砂庫中所有舊砂可以參與到循環(huán)中,提升了舊砂循環(huán)率,增強(qiáng)了換熱效率。
3)改進(jìn)冷卻方式,增加換熱面積。改造前舊砂是在管中流動,換熱面積64 m2;改造后是水在管中流動,換熱面積470 m2;增加換熱面積406 m2,延長了舊砂在砂庫中停留時間,增加了舊砂與冷卻水管接觸時間(不計(jì)沸騰冷卻床部分)。
4)實(shí)現(xiàn)了造型砂溫≤50 ℃~60 ℃,滿足了造型的生產(chǎn)工藝要求,避免了因砂溫高而造成的被迫停產(chǎn)現(xiàn)象,為產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。
5)砂溫度調(diào)節(jié)庫冷卻水溫度進(jìn)、出口水溫溫差10 ℃左右,為舊砂循環(huán)再利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
6)經(jīng)試生產(chǎn),滿足了車間24 h(三班制)熔煉45 爐/天的生產(chǎn)作業(yè),為公司產(chǎn)能的提高奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
7)減輕了勞動強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率,促進(jìn)了環(huán)保綠色、清潔文明生產(chǎn),創(chuàng)造了可觀的社會效益。
消失模鑄造生產(chǎn)中,砂處理生產(chǎn)線中舊砂再利用時砂溫的降低受循環(huán)砂量、冷卻水和中間砂庫、砂溫調(diào)節(jié)庫、砂溫調(diào)節(jié)器等工藝設(shè)備及舊砂循環(huán)、環(huán)境溫度等多方面因素影響,相互牽制、相互促進(jìn)。
結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場情況,在砂處理生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和使用中,舊砂回收再利用部分應(yīng)當(dāng)注意以下問題:
1)結(jié)合現(xiàn)場位置空間,盡可能優(yōu)化砂庫、砂溫調(diào)節(jié)庫的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)庫容量最大化,為增加循環(huán)砂量奠定基礎(chǔ)。
2)砂庫錐體等各出料口的角度一定要適當(dāng),杜絕砂庫內(nèi)死角現(xiàn)象,保證所有舊砂都可以參與到循環(huán)再利用中。
3)各臺輸送設(shè)備間的溜管角度要符合相關(guān)要求(安息角),保證物料流通順暢,無堆積、無堵塞現(xiàn)象。
4)循環(huán)水冷卻方式時選擇水在管內(nèi)流動,不宜選擇砂在管內(nèi),水在管外。
5)在砂庫、砂溫調(diào)節(jié)庫均布置冷卻盤,可以增加舊砂與冷卻介質(zhì)的接觸面積和時間,進(jìn)而提高降溫效率。使用中須注意定期檢查砂庫中均料板的磨損情況,及時修補(bǔ),保證物料不沖刷冷卻盤的換熱管道,延長使用壽命。
6)及時補(bǔ)充日常消耗砂量。在日常生產(chǎn)中,隨著澆注和保溫時鑄件及周邊舊砂溫度高低的變化,舊砂晶格受之影響發(fā)生,分裂、破碎,部分舊砂粘附在鑄件上進(jìn)入拋丸清理區(qū),多次輸送過程中經(jīng)反復(fù)摩擦、沖擊等磨損,部分細(xì)粉隨收塵氣流進(jìn)入除塵管路,造型過程中跑、冒、滴、漏等也造成損耗,不及時補(bǔ)充的話,會導(dǎo)致總循環(huán)砂量不足。
7)及時補(bǔ)充循環(huán)水池的水位,保證滿足循環(huán)水量要求。
8)加強(qiáng)冷卻設(shè)備(玻璃鋼冷卻塔等)的日常維護(hù)保養(yǎng)。尤其是冷卻塔的填料、布水器,要及時檢查、清理雜物,更換,保證填料完好、平整分布,水流均勻,灑落面積大,散熱效果好。