鑄造砂處理核心裝備技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)室，江蘇江陰 214400）

現(xiàn)代鑄造工業(yè)的砂處理系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜又龐大的工程技術(shù)系統(tǒng)。不同的鑄造工藝有不同的造型方式，對(duì)型砂性能、混合處理、舊砂再生有著不同的技術(shù)指標(biāo)與要求。

大型鑄造砂處理系統(tǒng)的型砂質(zhì)量目標(biāo)，體現(xiàn)在核心工藝裝備技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性。如制備型砂的高效轉(zhuǎn)子混砂機(jī)，落砂工部的大型振動(dòng)落砂機(jī)以及舊砂再生的強(qiáng)力搓磨再生機(jī)等。

以下分別對(duì)三種核心裝備的研發(fā)與設(shè)計(jì)展開(kāi)描述。

1 大盤徑轉(zhuǎn)子混砂機(jī)

大盤徑轉(zhuǎn)子混砂機(jī)（以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子混砂機(jī)），是應(yīng)用于大型粘土砂鑄造工藝中型砂制備的核心裝備，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子混砂機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的一種大型混合設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)是利用雙轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)與犁型刮板的高速混合機(jī)理，優(yōu)化了傳統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)置快速水噴淋和大容量加料機(jī)構(gòu)等。

盤徑2800mm 的轉(zhuǎn)子混砂機(jī)單臺(tái)生產(chǎn)能力達(dá)到70 t/h 以上，設(shè)計(jì)總功率75kW+44kW。

轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)的基本參數(shù)是按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 2656-2007《輾輪混砂機(jī)、輾輪轉(zhuǎn)子混砂機(jī)基本參數(shù)》選擇設(shè)計(jì)[5]。

圖1 轉(zhuǎn)子混砂機(jī)外形結(jié)構(gòu)

圖2 轉(zhuǎn)子混砂機(jī)轉(zhuǎn)子、刮板、卸砂門結(jié)構(gòu)

1.1 研發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)特征

（1）轉(zhuǎn)子混砂機(jī)底盤下主電機(jī)設(shè)計(jì)采用變頻異步電機(jī)，配置液流偶合器連接硬齒面減速器的驅(qū)動(dòng)形式（避免三角帶的低效率傳動(dòng)）。

（2）采用全電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，取消氣動(dòng)控制。配套型砂檢測(cè)儀，主要對(duì)水份、溫度的檢測(cè)控制。同時(shí)對(duì)砂庫(kù)溫度和水份的聯(lián)合監(jiān)測(cè)控制，設(shè)置聯(lián)合數(shù)據(jù)采集，適時(shí)掌握型砂混合性能。

（3）加進(jìn)砂系統(tǒng)設(shè)置為快速定量加料機(jī)構(gòu)（閉式防塵給料、配置溫度的檢測(cè)，包括粉料）。

（4）轉(zhuǎn)子混砂機(jī)的出砂機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵問(wèn)題之一，設(shè)計(jì)采用快速松砂排出料機(jī)構(gòu)（機(jī)動(dòng)閘門式排料、避免堵砂、漏砂）。

（5）設(shè)計(jì)采用智能環(huán)狀噴淋加水管路與型砂性能控制互聯(lián)。

（6）設(shè)計(jì)配置一個(gè)操作檢修、觀察、防護(hù)平臺(tái)，立柱采用矩形結(jié)構(gòu)，承載能力強(qiáng)（可為砂處理工藝設(shè)計(jì)提供模塊）。

（7）為提高生產(chǎn)能力與運(yùn)行性能，對(duì)葉片轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式、犁型刮板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。

（8）轉(zhuǎn)子混砂機(jī)內(nèi)襯圍圈采用不銹鋼材料，防止粘砂（粘砂也是混砂機(jī)的常見(jiàn)問(wèn)題之一）。

（9）轉(zhuǎn)子混砂機(jī)主體為封閉式筒體結(jié)構(gòu)（防止粉塵外溢），頂部設(shè)置有排放口（連接除塵系統(tǒng)方便熱氣、回流氣的排放）。

（10）轉(zhuǎn)子混砂機(jī)筒體上設(shè)置有取樣口，可以與型砂檢測(cè)控制（粘土砂型砂性能檢測(cè)必備之一）互聯(lián)。

1.2 轉(zhuǎn)子混砂機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）混砂機(jī)盤徑（mm）：?2800；

主軸轉(zhuǎn)速（r/min）：28（32）；

主電機(jī)功率（kW）：75；

主軸犁型刮板形式：對(duì)稱S 形、硬齒面減速器選型配套。

（2）?2800 混砂機(jī)盤徑面積：π×1.42×0.8（充填系數(shù)）=4.92（m2）。

設(shè)定砂層高度為0.85m，加砂量：0.85m×4.92m2×1.2t/m3=5.02t。

設(shè)定砂層高度為0.75m，加砂量：0.75m×4.92m2×1.2t/m3=4.43t。

設(shè)定砂層高度為0.75m，加砂量：0.65m×4.92m2×1.2t/m3=3.84t。

（3）混合時(shí)間：3～5min，取4min（1h 可混砂15次）。在一次加入量為3.840t、4.430t、5.020t 時(shí)，生產(chǎn)能力分別為3.840×15=57.6（t/h）；4.430×15=66.4（t/h）；5.020×15=75.3（t/h）。

（5）兩組轉(zhuǎn)子（上部安裝、減速電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)）：

轉(zhuǎn)子葉片直徑（mm）：?560；

轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速（r/min）：300；

單轉(zhuǎn)子功率（kW）：22（30）。

選擇主要技術(shù)參數(shù)的對(duì)比，在設(shè)計(jì)理念上保持傳統(tǒng)混砂機(jī)的合理要素，同時(shí)提升混砂機(jī)的結(jié)構(gòu)性能，達(dá)到合理的產(chǎn)能與能耗[1，3]。

2 大型雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)

在鑄造生產(chǎn)中，落砂清理是鑄造生產(chǎn)線上砂處理工部的重要環(huán)節(jié)。振動(dòng)落砂機(jī)則是工序的關(guān)鍵核心裝備，其處在噪音大、粉塵大、濕熱氣流大的惡劣工況。所以，合理選擇、應(yīng)用振動(dòng)落砂機(jī)改善工況環(huán)境是至關(guān)重要的。

對(duì)于大型鑄件的落砂（如載荷40t 以上鑄型的落砂）宜采用臺(tái)面尺寸6000mm×5000mm 規(guī)格的雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)。相對(duì)單質(zhì)體落砂機(jī)而言，具有工作平穩(wěn)、能耗低、噪聲低和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的特點(diǎn)，是一種環(huán)保型的慣性振動(dòng)機(jī)械。

國(guó)內(nèi)鑄造用落砂機(jī)的基本參數(shù)、技術(shù)條件按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6575-2006《落砂機(jī)》選擇設(shè)計(jì)執(zhí)行。

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的力學(xué)模型是建立在動(dòng)力隔振基礎(chǔ)上的振動(dòng)原理，在近共振狀態(tài)下工作。振動(dòng)狀態(tài)與單質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)相比有明顯的區(qū)別[2，3]。

2.1 雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)工藝設(shè)計(jì)

在載荷重量與臺(tái)面尺寸確定以后，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與參振體、彈性力、載荷的平衡設(shè)計(jì)是雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)的主要工藝參數(shù)。由于振動(dòng)機(jī)理是利用了振動(dòng)激振的慣性力和彈性力的合成，形成有效的振動(dòng)沖擊對(duì)載荷（鑄型）進(jìn)行碰撞，而實(shí)現(xiàn)落砂破碎。

工藝參數(shù)的變量是彈簧的剛度與總剛度，合理的剛度分布在上下振動(dòng)質(zhì)體間達(dá)到平衡，是雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)成功的關(guān)鍵[2，7]。

其他振動(dòng)電機(jī)、減振彈簧、質(zhì)體結(jié)構(gòu)可按常規(guī)設(shè)計(jì)、選擇要求。

2.2 雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)結(jié)構(gòu)型式

雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)主要結(jié)構(gòu)由上質(zhì)體（含柵格板）、下質(zhì)體、激振彈簧、減振彈簧、機(jī)座和振動(dòng)電機(jī)組成（圖示3）。

主振上質(zhì)體和隔振下質(zhì)體通過(guò)激振彈簧連接，振動(dòng)電機(jī)安裝在隔振下質(zhì)體上，隔振下質(zhì)體通過(guò)減振彈簧安裝在機(jī)座上。

圖3 雙質(zhì)體振動(dòng)落砂機(jī)外形圖

兩臺(tái)獨(dú)立的、同極振動(dòng)電機(jī)是激振源，相向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行、自同步激振，形成上下形式的線性振動(dòng)。上下質(zhì)體利用減振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動(dòng)慣性力對(duì)基礎(chǔ)的影響（動(dòng)力隔振原理）。

2.3 振動(dòng)衰減的控制

（1）當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)停止了外力（激振力）的作用，振動(dòng)系統(tǒng)仍然會(huì)按其固有頻率作自由衰減振動(dòng)。這個(gè)過(guò)程中穩(wěn)態(tài)振動(dòng)逐步消失，出現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)又被干擾力（阻尼力）影響進(jìn)入共振區(qū)段，直到振動(dòng)衰減停止。

（2）阻尼在振動(dòng)系統(tǒng)中具有一個(gè)特性關(guān)系，能使瞬態(tài)振動(dòng)迅速衰減，特別是能降低受迫振動(dòng)中的共振區(qū)振動(dòng)。阻尼力也是控制振動(dòng)狀態(tài)的重要措施（衰減時(shí)間受阻尼力影響）。

（3）合理選擇阻尼、阻尼力來(lái)減少振動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)或停止過(guò)程中過(guò)共振區(qū)的時(shí)間，限制振動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)振幅值，對(duì)振動(dòng)機(jī)械的使用壽命非常有利。

（4）阻尼的形式，一般可采用橡膠契塊、橡膠質(zhì)彈簧、空氣彈簧、機(jī)械阻尼器等彈性阻尼。振動(dòng)落砂機(jī)及其他振動(dòng)設(shè)備上，都有不同形式的阻尼裝置在振動(dòng)狀態(tài)中（應(yīng)用）起作用[2，3]。

3 機(jī)械強(qiáng)力搓磨再生機(jī)

在鑄造生產(chǎn)中需要再生、回用處理的砂，一般是指被高溫金屬液灼燒或被高溫加熱過(guò)的、以有機(jī)脂為粘結(jié)劑的、或經(jīng)使用后的砂型和砂芯（包括覆膜砂、樹(shù)脂砂、有機(jī)自硬砂、殼型砂、粘土砂），所產(chǎn)生的單一舊砂和混合型舊砂等。

舊砂再生是一種利用干法機(jī)械再生工藝，適用于具有一定生產(chǎn)規(guī)模的鑄造產(chǎn)生的舊砂再生處理。工藝流程簡(jiǎn)單，一般對(duì)澆注落砂后的舊砂，進(jìn)行冷卻、破碎、篩分、磁選處理后，再利用強(qiáng)力搓磨再生機(jī)進(jìn)行機(jī)械搓磨處理，會(huì)獲得更好的舊砂品質(zhì)。產(chǎn)能配套在：5～8t/h（工藝參數(shù)）。

3.1 強(qiáng)力搓磨再生機(jī)搓磨機(jī)理

強(qiáng)力搓磨再生機(jī)在舊砂再生技術(shù)中是一種核心設(shè)備，是新型的機(jī)械干法再生裝置。適用于有機(jī)脂舊砂、覆膜砂、殼型砂和粘土砂等廢舊砂的再生處理。

（1）強(qiáng)力搓磨再生機(jī)工作機(jī)理：廢舊砂進(jìn)入再生室體，經(jīng)分流板導(dǎo)流后，分布在搓磨葉片的工作區(qū)域。搓擦葉片分別安裝在三個(gè)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)主軸上，作同向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)舊砂的對(duì)流搓擦。在折射板的作用下，舊砂反復(fù)被對(duì)流搓擦。同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量由蝶閥進(jìn)入風(fēng)箱，通過(guò)沸騰孔板進(jìn)入室體，形成砂氣混合，使舊砂在流動(dòng)、沸騰的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)砂與砂之間，砂與搓擦葉片之間相互流態(tài)化的強(qiáng)力搓擦，達(dá)到脫膜再生的目的。

（2）利用高速旋轉(zhuǎn)的搓磨輪（葉片）對(duì)舊砂進(jìn)行強(qiáng)力搓磨，同時(shí)進(jìn)行沸騰風(fēng)選去灰和冷卻，達(dá)到脫膜、凈化的效果。由于是干法機(jī)械搓磨機(jī)理，可適應(yīng)較高的廢舊砂溫度進(jìn)入。

（3）室體內(nèi)形成的粉塵氣流（包括熱氣流），由除塵風(fēng)口排放。經(jīng)過(guò)一定流量的對(duì)流搓擦后，再生砂在出砂口被排出，被排出的舊砂有明顯的降溫和顆粒凈化效果。

圖4 強(qiáng)力搓磨再生機(jī)外形圖

強(qiáng)力搓磨再生機(jī)是以有機(jī)脂砂鑄造產(chǎn)生的廢舊砂處理為分析研究對(duì)象。由于型砂成型性的工藝不同，所產(chǎn)生的廢舊砂性質(zhì)亦不同。用戶可根據(jù)鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)進(jìn)行選擇和再生工藝的調(diào)整[6]。

3.2 強(qiáng)力搓磨再生機(jī)搓磨結(jié)構(gòu)形式

強(qiáng)力搓磨再生機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由上部室體（含沸騰孔板）、下部風(fēng)箱、搓磨葉片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、機(jī)座、進(jìn)砂口、出砂口和除塵風(fēng)口組成（圖示4）。

4 砂處理系統(tǒng)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）由于高效造型生產(chǎn)線的廣泛應(yīng)用，對(duì)型砂的質(zhì)量要求越來(lái)越高。所以應(yīng)根據(jù)造型工藝要求，采用先進(jìn)高效的混砂設(shè)備和配套的砂處理線，淘汰落后的老設(shè)備，以提高鑄造產(chǎn)能、生產(chǎn)效率和環(huán)境保護(hù)。

（2）鑄造落砂工部必備的落砂設(shè)備，應(yīng)根據(jù)工況環(huán)保要求，選用先進(jìn)的落砂設(shè)備。目的是提高生產(chǎn)效率、降低噪音，降低對(duì)工況環(huán)境的影響。

（3）落砂后的熱舊砂溫度較高，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中宜采用振動(dòng)輸送機(jī)過(guò)渡，并通過(guò)相關(guān)的破碎、磁選和必要的冷卻設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行搓磨再生處理效果更好。

（4）由于鑄造熱舊砂含有高溫、熱水汽和鐵雜物，會(huì)給設(shè)備直接造成損傷。主要表現(xiàn)在設(shè)備上的粘砂、粘結(jié)、拉傷、破損、老化等現(xiàn)象（注意及時(shí)維護(hù)）。所以應(yīng)關(guān)注熱舊砂對(duì)砂處理設(shè)備的危害。千萬(wàn)不要把砂溫調(diào)節(jié)器當(dāng)做舊砂冷卻器使用。二者有本質(zhì)上的區(qū)別。多地企業(yè)在舊砂降溫上，人為設(shè)計(jì)使用砂溫調(diào)節(jié)器來(lái)處理熱舊砂的降溫是不合理的。

（5）舊砂再生利用對(duì)降低成本、節(jié)約資源有直接的經(jīng)濟(jì)利益。在考慮設(shè)備更新?lián)Q代時(shí)，應(yīng)考慮鑄造工藝的可行性，考慮利用舊砂再生工藝實(shí)現(xiàn)在線生產(chǎn)作業(yè)或者離線生產(chǎn)作業(yè)的必要性[8]。

（6）砂處理生產(chǎn)線與舊砂再生線的維護(hù)、保養(yǎng)應(yīng)在議事日程，注意維護(hù)保養(yǎng)在先，維修在后。提高使用效率是企業(yè)獲得利益的前提。

（7）中小型鑄造企業(yè)，在鑄造生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)應(yīng)提高機(jī)械化操作水平，局部應(yīng)用智能傳感技術(shù)，檢測(cè)和監(jiān)控生產(chǎn)流程與安全，是有利于企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制。體現(xiàn)以人為本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，穩(wěn)定作業(yè)崗位的用工人員。

5 結(jié)束語(yǔ)

注重現(xiàn)代鑄造工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不同的工藝技術(shù)、不同生產(chǎn)方式和不同品種、批量。選擇先進(jìn)的鑄造砂處理工藝流程和裝備技術(shù)，提供機(jī)械化、自動(dòng)化程度，是提高鑄件產(chǎn)能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率和工況環(huán)境的必要條件（值得重視的發(fā)展理念）[4]。