鑄造車間熔煉工部的設備選型

任啟才，韓斐，于曉旭

應達工業（上海）有限公司 上海 201203

熔煉工部作為鑄造車間的源頭，擔負著為整個鑄造車間提供原材料——高溫金屬液的使命。在新型的自動化鑄造車間，為了實現大批量、快節奏的生產，熔煉工部需要在保證質量的前提下，持續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備，還包括金屬液轉運設備以及澆注設備。而為了生產出高溫金屬液，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輸量大、爐前熔煉溫度高、爐臺上工作環境差、煙塵污染較大以及能耗較高的特點。因此，在新建鑄造車間時，為充分實現產能目標并有效解決上述問題，熔煉工部的設備選型就顯得尤為重要［1］。

1 熔煉設備的選型

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

中頻感應熔煉電爐經過幾十年的發展，技術進步的同時，規格型號也越來越豐富，小到幾百公斤、大到幾十噸的電爐應有盡有，可供鑄造廠家選擇的配置越來越多樣化。一般情況下，鑄造廠需根據目標年產量，首先選定造型線，然后再根據造型線每小時產出的產品數量，輔以鑄件的單件重量，以及產品的成品率、損耗率等系數，計算出造型工部每小時需要的鐵液量，然后根據這個數值來選擇感應電爐的規格和數量。感應電爐的規格通常以其爐體容量來確定，而爐體容量多數情況下也是其每小時的鐵液生產量（保溫爐除外），如：規格為5t的一套感應電爐，通常按每小時可產出5t鐵液計算［2］。

舉例來說，假設經過計算，造型工部每小時需要的鐵液量為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）如果造型線運行速度較慢，并且鑄件產品單件重量較大，鐵液可以有較長時間的保溫狀態，這種條件下，可以選擇一套15t爐作為熔煉設備。

2）如果造型線運行速度較快，鑄件產品單件重量較小，鐵液熔化好后不允許保溫太長時間，并且需供應兩條或兩條以上的造型線時，就應當選擇三套5t爐作為熔煉設備。

3）如果鑄件產品不是單一品種，單件重量有大有小，鐵液品質需求不同、生產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，感應電爐的選型不能一概而論，需要根據造型線的配置、鑄件產品的特性、生產節奏的不同等工藝要求，進行合理配置，靈活運用。

2 轉運設備的選型

鑄造車間的鐵液轉運，是指將感應電爐熔化好的鐵液，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，爐前鐵液轉運大多采用叉車、行車或者行車加地面平板車運送的方式。

（1）叉車、行車轉運方式的優點

1）可多工序共用，投入成本較低，簡單方便，易于實施。

2）可用于手工鑄造、大件鑄造，也可為低速造型線的澆注機提供鐵液。

（2）叉車、行車轉運方式的缺點

1）在爐前高溫環境中需要配備專職的轉運操作人員。

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

圖1 環軌吊鐵液轉運系統示意

2.2 環軌吊電動葫蘆

為了提高鐵液轉運的自動化程度和生產效率，并降低操作人員的勞動強度，環軌吊電動葫蘆被引入了鑄造車間，用作鐵液轉運的工具。這種方式需要在車間設置專門的鋼結構，用以支撐、固定閉環軌道，電動葫蘆懸掛澆包在其上運行。

（1）環軌吊電動葫蘆運轉方式的優點

1）可以在同一軌道上配備多臺電動葫蘆和澆包，有效提高了鐵液轉運速度和效率。

2）改善了工作環境，降低了操作人員的工作強度。

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

（2）環軌吊電動葫蘆運轉方式的缺點

1）需要設置大量鋼構，對車間的物流通道和人員行走造成不便。

2）鐵液在空中運輸，有一定的安全隱患。

3）對設備安全性、可靠性、以及維修保養方面的要求較高。

環軌吊鐵液轉運系統如圖1所示。

2.3 地面軌道自動轉運車

隨著智能化、數字化時代的到來，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化。因此，全自動的地面軌道鐵液輸送系統應用而生，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軌道，自動化小車在軌道上行走，運送澆包。

（1）地面軌道自動轉運車方式的優點

1）自動化程度高，可以實現轉移系統的真正的無人化、智能化。

2）運行速度較快，可以滿足高速運行的造型線和澆注機的鐵液需求。

3）軌道可設置為與地面齊平，不影響整體的物流通道和人員行走。

4）整套系統位于地面上，安全性比較好。

5）可將轉運過程與孕育處理、球化處理、扒渣等工序結合起來，提高生產效率。

（2）地面軌道自動轉運車方式的缺點

1）需要土建專業設計與施工配合，并且精確性要求較高。

2）設備運行中的可靠性和精度要求比較高，容錯率比較低。

3）設備成本較高，初始投入比較大。

地面軌道鐵液轉運車如圖2所示。

2.4 轉運設備選擇需考慮的因素

轉運設備的選擇，需要考慮的因素很多，包括以下幾個因素：

1）造型工部的產能和運行速度。

2）鑄件大小及對鐵液品質的要求。

3）資金投入及運行成本。

4）鑄造廠所在的地區及所擁有的操作人員構成等各種情況。

選擇轉運設備，并非最快的、最先進的就是最好的，而是要根據自身的生產和工藝要求來確定，最適合的，才是最好的［3］。

圖2 地面軌道鐵液轉運車示意

3 澆注設備的選型

澆注設備的作用，就是將從轉運設備上接收到的鐵液，澆注到造型線的砂型中，是鑄件產品成形的關鍵步驟。隨著造型設備技術的發展以及市場的需求，造型線對澆注設備也提出了更高的要求，自動化澆注設備也越來越受到人們的重視。澆注設備是否與造型線匹配，質量是否可靠，能否保持長期的連續運行等情況，將直接影響整個鑄造車間的生產效率。因此，澆注設備的選型也是非常重要的。下面，本文就對現行的幾種自動化澆注機進行逐一介紹。

3.1 底注式澆注機

底注式澆注機原理和結構相對而言比較簡單，澆注機的主機位于造型線正上方，澆注機包體底部設置出鐵液口，正對造型線砂箱上的澆口，利用塞桿機構與出鐵液口配合，控制鐵液澆注的起停。

過去的底注式澆注機采用人工操作，手動控制塞桿進行澆注。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，嚴重影響生產效率和產品質量。隨著數控技術的大量應用，在采用自動化控制系統后，底注式澆注機的工作效率和精確性大幅提高，完全可以匹配高速運行的造型線，極大地提高了單臺造型線的產能。因此，近幾年來，底注式澆注機的應用日趨廣泛。

底注式澆注機的特點：

1）塞桿機構動作簡單，生產速度快。

2）出鐵液口位置固定，澆注比較精確。

3）由于其結構特性，可以在底部保持澆注的同時，從頂部向其包體內加注鐵液，無需停機，不影響生產。

4）塞桿屬于消耗品，需定期更換且比較頻繁。

5）因為生產節奏快，其對于鐵液的生產、轉運的要求比較高。

底注式澆注機如圖3、圖4所示。

圖3 底注式澆注機

圖4 底注式澆注機加注鐵液

3.2 傾轉式澆注機

傾轉式澆注機是利用機械設備將澆包固定，然后以旋轉軸為中心進行傾轉，將澆包中的鐵液直接倒入砂箱型腔進行澆注。這種澆注方式因為機構和原理比較簡單，操作和觀察澆注效果比較方便，過去采用人工操作進行傾轉澆注。但是這種方式受人為影響較大，澆注速度較慢，澆注質量不能得到保證，并且操作人員的連續工作強度較大，工作環境較差。隨著伺服電動機技術的提升，采用伺服電動機驅動、自動化程序控制的傾轉系統逐漸成熟，并在國內鑄造廠得到了廣泛應用。

傾轉式澆注機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角度的變化而大小不同，鐵液的出鐵軌距和落點位置也不固定，因此這類澆包多采用人工操作，手動控制澆包的傾轉，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角度呈線性關系，在傾轉時可以實現勻速、定點出鐵液。有利于自動控制系統的程序設定，實現傾轉機構的自動化。

傾轉式澆注機的特點：

1）機械結構比較簡單，操作和控制方便。

2）鐵液在澆包內，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）采用自動化控制后，澆注速度有所提升，應用范圍更加廣泛。

5）當鐵液澆注完之后，澆注機需要停下來進行換包操作，因此在澆注過程中會有停頓，不適用于連續運行的高速造型線。

傾轉式澆注機如圖5所示。

圖5 傾轉式澆注機

3.3 氣壓保溫澆注爐

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

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

保溫澆注爐因為能夠保持鐵液溫度恒定，可以精確地控制澆注溫度，非常有利于鑄件質量的提高，常用于對鐵液溫度要求嚴格的鑄件產品。另外，因其爐體容量較大，鐵液可長時間留存，而比較適用于產品單一的鑄件。

氣壓保溫澆注爐的特點：

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

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）鐵液能夠長時間留存，適用于長期運行、生產品種單一的鑄件。

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

6）由于其特殊的進鐵液槽和頂部結構，除渣不便，工作量較大。

7）鐵液在澆注爐內長時間留存，不適合用于球墨鑄鐵件的生產。

氣壓保溫澆注爐如圖6、圖7所示。

自動化澆注設備需與造型線配合應用，與造型線的對應性很強。因此，自動化澆注機的選型首先要與造型線匹配，要符合造型線的運行速度和造型能力。其次，也要考慮鑄件的澆注重量、品質和澆注工藝等要求，并結合設備的經濟成本和企業自身狀況等因素來綜合考量。

圖6 氣壓保溫澆注爐

圖7 氣壓保溫澆注爐現場

4 結束語

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和供給效率。鐵液的品質直接決定著鑄件產品的質量，而鐵液的供給效率，也決定著整個鑄造車間的生產效率。因此，熔煉工部的設備選型必須科學合理，嚴格匹配。合理的選型和配套設備，能最大限度地發揮設備功能，提高生產效率，擴大產能，為企業在日趨激烈的市場競爭中贏得先機。