大功率工業(yè)微波烘干設(shè)備在智能鑄造工廠的應(yīng)用

王永恩，周鵬舉，王 博

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

關(guān)鍵字：微波；砂芯；烘干

我國(guó)是世界第一鑄造大國(guó)，但普遍存在能耗高、效率低的問(wèn)題，鑄造行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。共享集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)的龍頭企業(yè)，已在鑄造智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)之路上探索6年多，在行業(yè)內(nèi)取得了一定的成績(jī)，本文主要介紹在砂芯烘干方面取得的一些成果。

鑄造用砂芯經(jīng)流涂之后必須快速表干，才能達(dá)到使用狀態(tài)。傳統(tǒng)方法是使用天然氣或熱風(fēng)進(jìn)行烘干，效率低，能耗高。微波干燥的原理是物料中的水分子吸收微波能后與微波電磁場(chǎng)相互作用，水分子在外加交變電磁場(chǎng)作用下極化，并隨外加交變電磁場(chǎng)極性變更而交變?nèi)∠?，如此眾多的極性分子因頻繁轉(zhuǎn)向而相互間摩擦損耗，從而使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能達(dá)到烘干效果。

1 微波設(shè)備結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)用于工業(yè)微波干燥加熱的常用頻率為915MHZ和2450MHZ.微波頻率與功率的選擇可根據(jù)被加熱材料的形狀、材質(zhì)、含水率的不同而定。本設(shè)備由于是用于砂芯施涂后的表面烘干，因此選用2450MHZ頻率，最大可烘干砂芯尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）2 200 mm×700 mm×1 500 mm，設(shè)備總功率150 kW，使用30臺(tái)大功率工業(yè)磁控管分別安裝在微波腔體各個(gè)面上，通過(guò)微波仿真分析確保微波在腔體中均勻分布，每個(gè)磁控管使用單獨(dú)的工業(yè)電源進(jìn)行控制，微波功率可通過(guò)電源實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。

圖1為微波烘干設(shè)備，設(shè)備由升降輸送輥道、輸送輥道、腔體、微波密封側(cè)拉門(mén)、磁控管電源及控制柜組成。

2 控制原理及工作過(guò)程

本設(shè)備采用西門(mén)子1500PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，控制原理如下：

圖1 微波烘干設(shè)備

第一步：微波控制器獲取烘干砂芯體積參數(shù)，并通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算烘干所需總功率。微波總功率的計(jì)算公式為：微波總功率=（待烘干砂芯的體積×密度×含水率）/（微波設(shè)備脫水能力×烘干時(shí)間）；其中砂芯體積可以通過(guò)三維尺寸計(jì)算，砂芯密度和含水率是固定值，微波設(shè)備脫水能力選為0.5 kg/h·kW～0.8 kg/h·kW，烘干時(shí)間為工藝要求時(shí)間，通常為5min～30 min.

第二步：控制器根據(jù)砂芯所需的微波總功率自動(dòng)計(jì)算需要開(kāi)啟的微波磁控管；磁控管數(shù)量=微波總功率/單個(gè)磁控管的功率，數(shù)量為小數(shù)時(shí)靠大取整，所開(kāi)啟的磁控管位置為砂芯投影可覆蓋的區(qū)域，其中砂芯底面的中心與腔體底面中心點(diǎn)重合。

第三步：控制器將每一個(gè)需要開(kāi)啟磁控管的輸出功率，通過(guò)R S485信號(hào)發(fā)送給微波電源，微波電源即輸出對(duì)應(yīng)的功率并驅(qū)動(dòng)磁控管工作（功率輸出的原則為砂芯薄壁部分側(cè)面的磁控管功率小，厚壁部分腔體側(cè)面的磁控管功率大），微波電源的輸出功率=砂芯厚度/砂芯最大厚度×單個(gè)磁控管功率，確保溫度均勻；微波電源實(shí)時(shí)上傳磁控管電流、電壓等信息給控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控；

第四步：溫濕度傳感器將實(shí)時(shí)采集的參數(shù)反饋給控制器，從而實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備溫濕度閉環(huán)控制；

第五步：磁控管開(kāi)啟后根據(jù)砂芯尺寸及重量進(jìn)行脈沖式烘干，微波開(kāi)啟和停止時(shí)間比例為4：1，通常微波開(kāi)啟4 min，停止1 min，微波停止期間風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)正常開(kāi)啟，如此反復(fù)循環(huán)加熱直至砂芯烘干。

圖2為微波控制器的控制流程圖。

3 效果

圖2 設(shè)備控制流程圖

圖3 缸頭芯子

以缸頭芯子為例（1000mm×810mm×400mm），如圖3所示，施涂后表面含水率約2%，采用60 kW微波功率烘干7 min后，使用便攜式水分儀測(cè)量，烘干后的砂芯含水率＜0.2%，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，烘干效果良好，澆鑄后鑄件質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)電和天然氣烘干方式相比，微波烘干平均節(jié)能50%以上，效率則至少提高5倍。另外，在烘干砂芯時(shí)根據(jù)規(guī)格尺寸不同要選擇合適的烘干工藝，避免大功率、長(zhǎng)時(shí)間烘干造成砂芯表面涂料龜裂起皮甚至砂芯斷裂。

4 結(jié)論

共享集團(tuán)建設(shè)的智能鑄造工廠以3D打印機(jī)為核心，利用移動(dòng)機(jī)器人、清砂站桁架、微波烘干設(shè)備等配合實(shí)現(xiàn)砂芯自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、清砂、施涂、烘干等工序作業(yè)，徹底改變了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)效率低、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量低，環(huán)境差和勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，為鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。