鑄造車間熔煉工部的設(shè)備選型

任啟才，韓斐，于曉旭

應(yīng)達(dá)工業(yè)（上海）有限公司 上海 201203

熔煉工部作為鑄造車間的源頭，擔(dān)負(fù)著為整個(gè)鑄造車間提供原材料——高溫金屬液的使命。在新型的自動(dòng)化鑄造車間，為了實(shí)現(xiàn)大批量、快節(jié)奏的生產(chǎn)，熔煉工部需要在保證質(zhì)量的前提下，持續(xù)不斷地向造型工部提供大量的金屬液。

為了滿足這一要求，熔煉工部不僅包括熔煉設(shè)備，還包括金屬液轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備以及澆注設(shè)備。而為了生產(chǎn)出高溫金屬液，熔煉工部也需要自己的原材料——生鐵、廢鋼等固體料。這就使得熔煉工部形成了爐后原料運(yùn)輸量大、爐前熔煉溫度高、爐臺上工作環(huán)境差、煙塵污染較大以及能耗較高的特點(diǎn)。因此，在新建鑄造車間時(shí)，為充分實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能目標(biāo)并有效解決上述問題，熔煉工部的設(shè)備選型就顯得尤為重要［1］。

1 熔煉設(shè)備的選型

近年來，隨著國家政策在環(huán)保和節(jié)能方面的要求越發(fā)嚴(yán)格，以及鑄件產(chǎn)品對金屬液品質(zhì)要求的不斷提高，新建鑄造車間采用的熔煉設(shè)備，逐漸由以往的沖天爐轉(zhuǎn)向中頻感應(yīng)電爐。甚至有許多原先采用沖天爐的鑄造廠，已經(jīng)在逐步拆除沖天爐，并將車間進(jìn)行改造，改為使用中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉作業(yè)。因此，本文將以采用中頻感應(yīng)電爐生產(chǎn)鑄鐵件為例，對熔煉設(shè)備的選型進(jìn)行簡要說明，對于沖天爐不再贅述。

中頻感應(yīng)熔煉電爐經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，規(guī)格型號也越來越豐富，小到幾百公斤、大到幾十噸的電爐應(yīng)有盡有，可供鑄造廠家選擇的配置越來越多樣化。一般情況下，鑄造廠需根據(jù)目標(biāo)年產(chǎn)量，首先選定造型線，然后再根據(jù)造型線每小時(shí)產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量，輔以鑄件的單件重量，以及產(chǎn)品的成品率、損耗率等系數(shù)，計(jì)算出造型工部每小時(shí)需要的鐵液量，然后根據(jù)這個(gè)數(shù)值來選擇感應(yīng)電爐的規(guī)格和數(shù)量。感應(yīng)電爐的規(guī)格通常以其爐體容量來確定，而爐體容量多數(shù)情況下也是其每小時(shí)的鐵液生產(chǎn)量（保溫爐除外），如：規(guī)格為5t的一套感應(yīng)電爐，通常按每小時(shí)可產(chǎn)出5t鐵液計(jì)算［2］。

舉例來說，假設(shè)經(jīng)過計(jì)算，造型工部每小時(shí)需要的鐵液量為15t，那么可以有至少三種不同選擇：一套15t電爐；一套10t電爐+一套5t電爐；三套5t電爐。

選擇哪種配置才是最合適的，需要具體情況具體分析。

1）如果造型線運(yùn)行速度較慢，并且鑄件產(chǎn)品單件重量較大，鐵液可以有較長時(shí)間的保溫狀態(tài)，這種條件下，可以選擇一套15t爐作為熔煉設(shè)備。

2）如果造型線運(yùn)行速度較快，鑄件產(chǎn)品單件重量較小，鐵液熔化好后不允許保溫太長時(shí)間，并且需供應(yīng)兩條或兩條以上的造型線時(shí)，就應(yīng)當(dāng)選擇三套5t爐作為熔煉設(shè)備。

3）如果鑄件產(chǎn)品不是單一品種，單件重量有大有小，鐵液品質(zhì)需求不同、生產(chǎn)工藝要求也不同的情況下，則可以選擇一套10t爐和一套5t爐的混合配置。

通過舉例可以看到，感應(yīng)電爐的選型不能一概而論，需要根據(jù)造型線的配置、鑄件產(chǎn)品的特性、生產(chǎn)節(jié)奏的不同等工藝要求，進(jìn)行合理配置，靈活運(yùn)用。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的選型

鑄造車間的鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)，是指將感應(yīng)電爐熔化好的鐵液，輸送到造型工部的澆注工位。這一過程所采用的設(shè)備，大致可以分為三種情況。

2.1 叉車、行車

在一些較早建立的鑄造廠，爐前鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)大多采用叉車、行車或者行車加地面平板車運(yùn)送的方式。

（1）叉車、行車轉(zhuǎn)運(yùn)方式的優(yōu)點(diǎn)

1）可多工序共用，投入成本較低，簡單方便，易于實(shí)施。

2）可用于手工鑄造、大件鑄造，也可為低速造型線的澆注機(jī)提供鐵液。

（2）叉車、行車轉(zhuǎn)運(yùn)方式的缺點(diǎn)

1）在爐前高溫環(huán)境中需要配備專職的轉(zhuǎn)運(yùn)操作人員。

2）叉車或行車需要頻繁地往返運(yùn)行且沒有嚴(yán)格固定的路線，易與其他運(yùn)送設(shè)備及人員發(fā)生干涉，有一定的安全隱患。

圖1 環(huán)軌吊鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)示意

2.2 環(huán)軌吊電動(dòng)葫蘆

為了提高鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，并降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，環(huán)軌吊電動(dòng)葫蘆被引入了鑄造車間，用作鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)的工具。這種方式需要在車間設(shè)置專門的鋼結(jié)構(gòu)，用以支撐、固定閉環(huán)軌道，電動(dòng)葫蘆懸掛澆包在其上運(yùn)行。

（1）環(huán)軌吊電動(dòng)葫蘆運(yùn)轉(zhuǎn)方式的優(yōu)點(diǎn)

1）可以在同一軌道上配備多臺電動(dòng)葫蘆和澆包，有效提高了鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)速度和效率。

2）改善了工作環(huán)境，降低了操作人員的工作強(qiáng)度。

3）適用范圍廣，可用于各種不同的造型線和澆注機(jī)，甚至可以用于半自動(dòng)的手工造型線。

（2）環(huán)軌吊電動(dòng)葫蘆運(yùn)轉(zhuǎn)方式的缺點(diǎn)

1）需要設(shè)置大量鋼構(gòu)，對車間的物流通道和人員行走造成不便。

2）鐵液在空中運(yùn)輸，有一定的安全隱患。

3）對設(shè)備安全性、可靠性、以及維修保養(yǎng)方面的要求較高。

環(huán)軌吊鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)如圖1所示。

2.3 地面軌道自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車

隨著智能化、數(shù)字化時(shí)代的到來，以及人力成本的不斷上升，鑄造車間也需要更加智能和自動(dòng)化。因此，全自動(dòng)的地面軌道鐵液輸送系統(tǒng)應(yīng)用而生，并且很快就受到了許多鑄造廠的青睞。顧名思義，這種方式需要在地面上鋪設(shè)軌道，自動(dòng)化小車在軌道上行走，運(yùn)送澆包。

（1）地面軌道自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車方式的優(yōu)點(diǎn)

1）自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的真正的無人化、智能化。

2）運(yùn)行速度較快，可以滿足高速運(yùn)行的造型線和澆注機(jī)的鐵液需求。

3）軌道可設(shè)置為與地面齊平，不影響整體的物流通道和人員行走。

4）整套系統(tǒng)位于地面上，安全性比較好。

5）可將轉(zhuǎn)運(yùn)過程與孕育處理、球化處理、扒渣等工序結(jié)合起來，提高生產(chǎn)效率。

（2）地面軌道自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車方式的缺點(diǎn)

1）需要土建專業(yè)設(shè)計(jì)與施工配合，并且精確性要求較高。

2）設(shè)備運(yùn)行中的可靠性和精度要求比較高，容錯(cuò)率比較低。

3）設(shè)備成本較高，初始投入比較大。

地面軌道鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)車如圖2所示。

2.4 轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備選擇需考慮的因素

轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的選擇，需要考慮的因素很多，包括以下幾個(gè)因素：

1）造型工部的產(chǎn)能和運(yùn)行速度。

2）鑄件大小及對鐵液品質(zhì)的要求。

3）資金投入及運(yùn)行成本。

4）鑄造廠所在的地區(qū)及所擁有的操作人員構(gòu)成等各種情況。

選擇轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，并非最快的、最先進(jìn)的就是最好的，而是要根據(jù)自身的生產(chǎn)和工藝要求來確定，最適合的，才是最好的［3］。

圖2 地面軌道鐵液轉(zhuǎn)運(yùn)車示意

3 澆注設(shè)備的選型

澆注設(shè)備的作用，就是將從轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備上接收到的鐵液，澆注到造型線的砂型中，是鑄件產(chǎn)品成形的關(guān)鍵步驟。隨著造型設(shè)備技術(shù)的發(fā)展以及市場的需求，造型線對澆注設(shè)備也提出了更高的要求，自動(dòng)化澆注設(shè)備也越來越受到人們的重視。澆注設(shè)備是否與造型線匹配，質(zhì)量是否可靠，能否保持長期的連續(xù)運(yùn)行等情況，將直接影響整個(gè)鑄造車間的生產(chǎn)效率。因此，澆注設(shè)備的選型也是非常重要的。下面，本文就對現(xiàn)行的幾種自動(dòng)化澆注機(jī)進(jìn)行逐一介紹。

3.1 底注式澆注機(jī)

底注式澆注機(jī)原理和結(jié)構(gòu)相對而言比較簡單，澆注機(jī)的主機(jī)位于造型線正上方，澆注機(jī)包體底部設(shè)置出鐵液口，正對造型線砂箱上的澆口，利用塞桿機(jī)構(gòu)與出鐵液口配合，控制鐵液澆注的起停。

過去的底注式澆注機(jī)采用人工操作，手動(dòng)控制塞桿進(jìn)行澆注。這種方式受人為因素影響比較大，澆注不均勻，控制不精確，容易過澆或欠澆，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著數(shù)控技術(shù)的大量應(yīng)用，在采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，底注式澆注機(jī)的工作效率和精確性大幅提高，完全可以匹配高速運(yùn)行的造型線，極大地提高了單臺造型線的產(chǎn)能。因此，近幾年來，底注式澆注機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛。

底注式澆注機(jī)的特點(diǎn)：

1）塞桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作簡單，生產(chǎn)速度快。

2）出鐵液口位置固定，澆注比較精確。

3）由于其結(jié)構(gòu)特性，可以在底部保持澆注的同時(shí)，從頂部向其包體內(nèi)加注鐵液，無需停機(jī)，不影響生產(chǎn)。

4）塞桿屬于消耗品，需定期更換且比較頻繁。

5）因?yàn)樯a(chǎn)節(jié)奏快，其對于鐵液的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)的要求比較高。

底注式澆注機(jī)如圖3、圖4所示。

圖3 底注式澆注機(jī)

圖4 底注式澆注機(jī)加注鐵液

3.2 傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)

傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)是利用機(jī)械設(shè)備將澆包固定，然后以旋轉(zhuǎn)軸為中心進(jìn)行傾轉(zhuǎn)，將澆包中的鐵液直接倒入砂箱型腔進(jìn)行澆注。這種澆注方式因?yàn)闄C(jī)構(gòu)和原理比較簡單，操作和觀察澆注效果比較方便，過去采用人工操作進(jìn)行傾轉(zhuǎn)澆注。但是這種方式受人為影響較大，澆注速度較慢，澆注質(zhì)量不能得到保證，并且操作人員的連續(xù)工作強(qiáng)度較大，工作環(huán)境較差。隨著伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)的提升，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)化程序控制的傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)逐漸成熟，并在國內(nèi)鑄造廠得到了廣泛應(yīng)用。

傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)配備的澆包有筒形澆包和扇形澆包兩種。筒形澆包的出鐵液量隨著傾轉(zhuǎn)角度的變化而大小不同，鐵液的出鐵軌距和落點(diǎn)位置也不固定，因此這類澆包多采用人工操作，手動(dòng)控制澆包的傾轉(zhuǎn)，才能減小誤差，完成澆注。而扇形澆包因其包體形狀的特性，使得其出鐵液速度與傾轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系，在傾轉(zhuǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)勻速、定點(diǎn)出鐵液。有利于自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序設(shè)定，實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化。

傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)的特點(diǎn)：

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡單，操作和控制方便。

2）鐵液在澆包內(nèi)，除渣方便，殘余鐵液回收也很方便。

3）常用于單件較重的大件澆注。

4）采用自動(dòng)化控制后，澆注速度有所提升，應(yīng)用范圍更加廣泛。

5）當(dāng)鐵液澆注完之后，澆注機(jī)需要停下來進(jìn)行換包操作，因此在澆注過程中會有停頓，不適用于連續(xù)運(yùn)行的高速造型線。

傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)如圖5所示。

圖5 傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)

3.3 氣壓保溫澆注爐

氣壓保溫澆注爐不但包含澆注機(jī)，還包含有保溫系統(tǒng)，通常采用中頻電源為澆注爐主體的感應(yīng)器供電，來對爐內(nèi)鐵液進(jìn)行保溫、升溫。保溫澆注爐分為有芯澆注爐和無芯澆注爐，其中無芯澆注爐應(yīng)用較少，這里不做介紹，僅以有芯保溫爐為主進(jìn)行說明。

有芯澆注爐的主體外形與茶壺相似，在包體兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)鐵液槽與出鐵液槽，包體頂部密封并設(shè)有進(jìn)氣管道和閥門。通過向包內(nèi)液面上方的空間注入壓縮空氣或惰性氣體，將包體熔池內(nèi)的鐵液壓入出鐵液槽，在出鐵液槽前端底部設(shè)有澆注口，通過塞桿機(jī)構(gòu)的升降控制澆注口的開閉，來實(shí)現(xiàn)鐵液的澆注。

保溫澆注爐因?yàn)槟軌虮３骤F液溫度恒定，可以精確地控制澆注溫度，非常有利于鑄件質(zhì)量的提高，常用于對鐵液溫度要求嚴(yán)格的鑄件產(chǎn)品。另外，因其爐體容量較大，鐵液可長時(shí)間留存，而比較適用于產(chǎn)品單一的鑄件。

氣壓保溫澆注爐的特點(diǎn)：

1）采用氣壓控制，多數(shù)氧化渣都浮在鐵液表面，而鐵液從底部進(jìn)入出鐵液槽，鐵液比較純凈，澆注質(zhì)量較好。

2）帶有保溫、升溫功能，可以保持鐵液溫度恒定，提升鑄件質(zhì)量。

3）容量較大，可以作為熔煉爐與造型線之間的緩存。

4）鐵液能夠長時(shí)間留存，適用于長期運(yùn)行、生產(chǎn)品種單一的鑄件。

5）必須保證連續(xù)不間斷供電，爐膛內(nèi)始終留有鐵液，不能隨意倒空，因此更換不同品質(zhì)的鐵液比較困難。

6）由于其特殊的進(jìn)鐵液槽和頂部結(jié)構(gòu)，除渣不便，工作量較大。

7）鐵液在澆注爐內(nèi)長時(shí)間留存，不適合用于球墨鑄鐵件的生產(chǎn)。

氣壓保溫澆注爐如圖6、圖7所示。

自動(dòng)化澆注設(shè)備需與造型線配合應(yīng)用，與造型線的對應(yīng)性很強(qiáng)。因此，自動(dòng)化澆注機(jī)的選型首先要與造型線匹配，要符合造型線的運(yùn)行速度和造型能力。其次，也要考慮鑄件的澆注重量、品質(zhì)和澆注工藝等要求，并結(jié)合設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本和企業(yè)自身狀況等因素來綜合考量。

圖6 氣壓保溫澆注爐

圖7 氣壓保溫澆注爐現(xiàn)場

4 結(jié)束語

熔煉工部是鑄造車間中非常重要的組成部分，它決定著鐵液的品質(zhì)和供給效率。鐵液的品質(zhì)直接決定著鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量，而鐵液的供給效率，也決定著整個(gè)鑄造車間的生產(chǎn)效率。因此，熔煉工部的設(shè)備選型必須科學(xué)合理，嚴(yán)格匹配。合理的選型和配套設(shè)備，能最大限度地發(fā)揮設(shè)備功能，提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大產(chǎn)能，為企業(yè)在日趨激烈的市場競爭中贏得先機(jī)。