型砂冷卻工藝設備探討

馬寶山

（天津一汽夏利汽車股份有限公司內燃機制造分公司，天津 300000）

在砂型鑄造生產中，砂處理系統的作用越來越得到鑄造廠的重視，其中，砂冷卻工部作為常規砂處理系統的一個重要組成部分，是保證型砂質量的重中之重，例如汽車鑄件生產領域，由于批量大、工藝要求高等特點，多采用傳統的濕型砂高壓造型。由于反復循環使用的舊砂溫度不斷增高，使得造型時的型砂溫度過高，性能惡化，導致鑄件質量下降，廢品率上升，砂溫對型砂及鑄件質量產能的影響也變得尤為突出。

無論是雙盤冷卻還是沸騰冷卻，都是通過不斷地噴水和鼓風，通過熱交換，依靠水的蒸發帶走熱量。一般每蒸發1%的水分，砂溫可以降低約25℃左右。砂冷卻要有兩個條件：第一要有足夠的水份，均勻地攪拌其中；第二要有足夠的風量，迅速地帶走濕熱的水汽。本文就5種不同砂冷卻設備的原理、結構及使用情況進行介紹。

1 冷卻設備介紹

1.1 振動沸騰冷卻床

近年來，以機電一體化自動測溫、增濕振動沸騰冷卻床為代表的冷卻裝置得到了大多數業界人士的認可，成為了舊砂冷卻設備的首選。其原理是通過鼓風使得舊砂沸騰，帶走增濕后熱舊砂中水分，即大量汽化潛熱，使舊砂溫度穩定地降到40℃以下并將水分調整為2%左右；需要冷卻的舊砂，由給料裝置均勻地送到冷卻器的沸騰板上，冷卻器在振動電機的作用下使沸騰板不停地振動，板上的舊砂一面被向上拋起，一面向前移動。砂粒在移動過程中互相撞擊、摩擦和擠壓，將附著在砂粒表面的黏結物脫落，同時，鼓風機從沸騰板下方吹入冷風，流動的空氣從沸騰板間的縫隙進入砂層使舊砂與冷空氣進行充分熱交換而達到降低砂溫的目的，見圖1。

圖1 沸騰冷卻床

1.2 RCT滾筒式冷卻裝置

RCT滾筒式冷卻裝置如圖2所示，該設備是日本新東公司典型的冷卻設備，砂冷卻原理與沸騰冷卻床基本一致，舊砂通過滾筒旋轉速度均勻地下落，通過產生自左至右的流動空氣帶走筒內水蒸氣，使100%舊砂都能產生熱交換，達到舊砂冷卻的目的。

1.3 雙盤冷卻器

圖2 RCT滾筒式砂冷卻裝置

1）雙盤冷卻器的工作原理

當雙盤冷卻器開始工作時，首先，控制系統檢測舊砂的溫度和濕度，并據此確定初步加水量；舊砂進入盤內，在攪拌器和風力的帶動下，舊砂在水平和垂直兩個方向呈“∞”形立體運動，與此同時加水系統將確定的加水量均勻地噴在舊砂中，散發的熱氣從上部進入除塵系統，在冷卻器攪拌冷卻的同時，安裝在盤內的溫度、濕度檢測系統檢測舊砂溫度、濕度的變化，并依據檢測結果控制加水系統精加水、補水，當冷卻器中的砂層達到設定的范圍（通過檢測砂層的電流來確定砂層厚度），出砂門電動推桿啟動出砂門打開并控制出砂門開度；此后，經冷卻器處理過的舊砂就源源不斷地供給混砂機，見圖3。

2）雙盤冷卻器的優點

雙盤冷卻器類似混砂機，有比較好的冷卻效果。當冷卻器的刮板繞主軸高速回轉時，將盤內熱的舊砂拋起成松散狀態。此時砂粒間穿過由機外鼓入的冷風，二者之間產生熱交換。氣流的作用又加速了水分的蒸發使舊砂得以冷卻。尤其這類設備經常布置在混砂機前，國內外許多廠都將新砂與舊砂同時加入該設備攪拌，使處于冷態的新砂與熱舊砂接觸的同時進行了熱交換，降低了舊砂的溫度，新舊砂的混合又起到“預混”的作用。所以有人又將雙盤冷卻器稱為“混砂冷卻器”。

圖3 雙盤冷卻器結構

1.4 冷卻式混砂機

冷卻式混砂機是一種將批次式冷卻器+混砂機合二為一的砂處理設備，其冷卻原理與沸騰床、冷卻滾筒及雙盤冷卻器一樣都是通過加水蒸發，鼓入冷風抽出熱風實現熱交換，達到型砂降溫，冷卻式混砂機生產能力一般在30t/h～120t/h。冷卻式混砂機結構見圖4，混制過程中的砂溫降低曲線見圖5。

圖4 冷卻式混砂機結構

圖5 混制過程中的砂溫降低曲線

1.5 真空砂處理系統

1）真空砂處理技術的原理

簡單地說，真空砂處理技術的基本原理是通過抽真空的途徑，降低混砂機中水的沸點，從而在快速蒸發過程中帶走熱量，實現瞬間冷卻和控制砂溫的目的，見表1。

2）真空砂處理技術的優點

傳統砂處理冷卻系統一般存在三個問題：一是部分有效成分會隨之帶走；二是如果水質不穩定，水中的礦物質會不斷沉積，影響到膨潤土的鈉化效果；三是在夏季高溫、高濕的極端天氣下，靠噴淋和鼓風是很難將砂溫降低到40℃左右理想狀態的。

真空砂處理系統作為一個相對封閉的循環系統，蒸發的水分經過冷凝器冷凝，再回到混砂機中循環使用，所以不用額外地添加水分，也不會帶走型砂中的有效成分。而通過控制混砂氣壓，可以輕易地實現對出砂溫度的精確控制，砂溫甚至可低于室溫。比如混砂氣壓為74 MPa時，對應的出砂溫度控制在40℃（即氣壓為74 MPa時水的沸點為40℃）；此外，采用真空砂處理技術后，混砂系統中所有的水都以低沸點的氣態存在，不但有利于促進膨潤土的活化，減少膨潤土的加入量，節約生產成本，更能提高型砂的濕壓強度、透氣性等各項性能指標。

表1 大氣壓與水沸點關系

3）真空砂處理技術應用結果

實際運行半年多來，無論外界氣溫、氣候如何變化，真空砂處理系統的出砂溫度始終能夠穩定控制在（40±1）℃，因而使型砂各項性能明顯提高而且漸趨穩定。與型砂有關的鑄件廢品數量大幅下降。

2 不同形式冷卻器的應用分析

2.1 沸騰冷卻床

帶走物料中水分的能力是決定設備冷卻能力的決定性內在要素，與所有舊砂冷卻設備比較：增濕后熱舊砂進入沸騰床后，自下而上通過細密魚鱗孔板的中壓高速氣流，使物料層呈典型的鼓泡流化床，舊砂呈快速上下湍流沸騰狀態，砂粒表面氣化膜被強烈擾動，充分快速的帶走水分即大量汽化潛熱，使自動噴水增濕后的熱舊砂強烈快速地冷卻，水分被激烈鼓風蒸發，迅速帶走大量汽化潛熱。并且沸騰床面寬大，懸浮速度均勻，調整沸騰床鼓風量、自下而上床層平均風速，使100%舊砂都能經過冷風的熱交換，從而決定了沸騰床的冷卻效果。沸騰冷卻床無論從冷卻原理和實際使用效果都是多種型砂冷卻設備中最好的，尤其是進口德國Küttner的應用市場反應效果最佳，美國GK和日本太陽鑄機也有產品應用，過去由于國產沸騰冷卻床難以解決床體開裂等問題一直沒有得到廣泛應用，近些年雖然發展較快，但因震動噪音較大，網眼易堵，床內加水霧化困難，造成冷卻效果不足，使用保養要求高等原因沒有真正得到用戶認可。圖6為天津一汽內燃機新工廠使用國產沸騰冷卻床砂溫冷卻記錄，從圖中可看出夏天溫度較高條件下砂溫很難達到45℃（或室溫+10℃）以下的要求。振動沸騰冷卻床的加水方式分兩種，床內加水和床外加水，從冷卻效果和保證環境來講床內加水比較好，但在實際使用中為了減少網眼堵及使用更簡單可靠，應采用床外加水，這一點對國產沸騰床更重要，圖7為床外加水，圖8為床內加水。

圖6 國產沸騰冷卻床砂溫冷卻曲線

圖7 美國GK沸騰床控制原理圖（床外加水）

圖8 德國Küttner沸騰床控制原理圖（床內加水）

2.2 RCT冷卻滾筒

RCT滾筒式冷卻裝置，冷卻效果可與沸騰冷卻床相媲美，加上冷卻滾筒運轉平穩，噪聲低，伴隨著低速旋轉砂塊進一步破碎攪動具有篩分功能，篩出滾筒破碎篩未篩出的塊狀物或顆粒物，使型砂粒度松散均勻，提高型砂質量，在日資企業、臺資企業得到廣泛應用。

2.3 雙盤冷卻器

雙盤冷卻器有一個重要作用就是預混，因此特別強調對盤內砂層厚度的控制，因為這里的舊砂不向沸騰床冷卻那樣只做單項運動，而是有相當一部分要反方向往進砂口運動（既雙盤冷卻器獨特的反混原理），從而實現不同時間進入的舊砂有一個相互混勻的過程，同時舊砂中留存的有效膨潤土得以活化既預混。另外由于雙盤冷卻器操作維護保養簡單，無振動，預先活化膨潤土以提高混砂機的效率等優點越來越得到用戶認可。圖9為使用雙盤冷卻器的砂溫冷卻曲線。

圖9 使用雙盤冷卻器的砂溫冷卻曲線

2.4 冷卻混砂機

冷卻混砂機是近些年發展的新型型砂冷卻設備，冷卻混砂機集冷卻與混制為一體，減少了設備投入。系統布置的簡單化，只有輸送、破碎、儲砂、冷卻混制環節，減少了斗提機等輸送設備的使用，并且減少了設備維護量，設備占用場地面積小，廠房高度要求低，鋼結構用量大幅降低。但由于冷卻式混砂機既要冷卻又要負責型砂混制，因此冷卻混砂機比較適合鑄件相對簡單、重量比較小、砂處理系統處理砂量噸位較低（一般60t/h）的垂直分型和水平分型無箱線鑄件生產。目前應用實例較多，使用效果反應也較好，如圖10所示。

2.5 真空混砂機

真空混砂機通過降低水的沸點，從而在快速蒸發過程中帶走熱量的基本原理，實現了型砂冷卻新途徑。真空混砂機的開發應用是鑄造界的一場革命，他不僅在型砂冷卻方面效果明顯，真空砂處理技術實現了開箱后的熱砂直接進入混砂系統，這種工藝流程的改變，除了減少設備和控制砂溫兩大優點外，還可減少傳統砂處理系統冷卻除塵過程中有效微粉和細微砂粒的流失，從而降低工廠粉塵和廢砂的排放量，減少對環境的污染，改善工人的勞動環境，降低職業病風險，符合低碳理念和科學發展觀，具有良好的社會效益，真空砂處理技術實現了舊砂冷卻、預混砂、混砂和自動調整等諸多功能在1臺設備中集中有序地完成。此舉不但減少了相關冷卻設備的配置和維護，節約了原輔材料的補加量，更實現了精確控制出砂溫度，但由于目前用戶較少，目前還處于試驗發展階段，今后應進一步完善。

圖10 冷卻混砂機集冷卻與混制為一體系統簡化布置示意圖

2.6 兩級冷卻同時應用

兩級冷卻同時應用砂溫降低效果好，典型用戶，天津一汽內燃機老工廠使用兩級日本新東生產的RCT冷卻滾筒，砂溫可穩定達到40℃（或室溫+10℃）以下，型砂質量高，生產鑄件表面質量好廢品率低，鑄件綜合廢品率3%以下，鑄件曾獲全國鑄件評比“金鼎獎”。天津新偉祥工業，天津高丘六和工業新生產線，應用效果都比較好。圖11為天津某廠使用兩級冷卻設備8月份砂溫冷卻記錄。

圖11 兩級冷卻砂溫冷卻曲線

3 結 論

通過對不同廠家砂冷卻情況調查，以及天津一汽內燃機新老工廠使用一級冷卻與兩級冷卻使用經驗認為，對于鑄件結構比較復雜且表面積大，澆注溫度較高，芯子用量較大和鐵砂比較高的鑄件生產，砂處理系統采用一級冷卻（任何一種冷卻設備）是不能保證夏季砂溫降到40℃（或室溫+10℃）以下，尤其是汽車缸體類鑄件生產，設置兩級冷卻是最佳選擇。

［1］王維春.真空砂處理系統在我廠的開發應用［G］//第二屆中國鑄鐵產業沙龍-鑄鐵件質量與低碳經濟論文集.天津：2011.

［2］吳毅.現代化大批量汽車鑄件生產線砂處理系統建設體會［J］.鑄造設備與工藝，2010（5）：4-7.

［3］王偉春，宋建武，何國平，等.賢波.真空砂處理系統的開發應用［J］.現代鑄鐵，2011（6）：69-73.