離心球墨鑄鐵管承口自動清砂工藝設備開發研究

摘 要：離心球墨鑄鐵管在離心澆注過程中，承口砂芯是形成鑄管承口內腔的尺寸保證，要求砂芯具有較高的強度和熱穩定性外，還要潰散性好。離心澆注完成后常常會有殘留砂塊或砂層粘留在鑄管承口內不易清除，使殘砂帶入退火爐內甚至形成承口質量問題降低生產合格率。通過分析研究殘砂粘留形式，采用機械破碎、承口噴霧冷卻的方式成功使殘砂與鑄管分離，分離后的殘砂在后續的吹砂工序中清理干凈，實現了在無人工參與的情況下將殘砂清理干凈。

關鍵詞：離心鑄管;砂芯;殘砂;自動清砂

引言

隨著社會的不斷進步和經濟水平的提高，如今市場中的生產力競爭也是越演越烈，所以為了能夠更好的適應市場發展以及提高生產效率，在原有離心離心球墨鑄鐵管自動化生產線設備基礎上進行相應的擴展和完善。提升設備生產速度，有效降低勞動力度，使企業生產效益得到進一步的提升，當前離心球墨鑄鐵管往往在澆注生產過程中，承口易粘砂和夾砂，后期處理難度大，增加成本。承口粘砂的清理已成為制約生產率提高，影響鑄管產品質量的重要因素，因而需要解決鑄管中存在的粘砂。

1 承口粘砂對離心球墨鑄鐵管生產的影響

中小口徑球墨鑄鐵管通常采用水冷金屬型離心鑄管工藝，生產過程的自動化水平和生產效率高。鑄管生產在離心澆注過程中，承口砂芯是鑄管承口內腔成形的保證，砂芯承受強大的離心作用力，因此離心球墨鑄鐵管砂芯需要較高的強度。當鑄管成型后，鑄管承口部分在冷卻時收縮，砂芯發生潰散。拔管鉗拔管時會輔助砂芯碎裂，使砂芯與鑄管分離。

在生產過程中砂芯在高溫鐵液澆入鑄型后，承口砂芯表面承受著高壓高溫鐵液的作用，鐵液有可能滲入砂芯中，造成鑄管承口內表面的粘附砂層。砂芯潰散過程中常常會遇到砂芯碎裂后殘留塊狀碎芯粘留在承口內壁。當殘留砂芯碎塊較多時，將直接影響成型鑄管的稱重準確性，此時離心鑄管機會根據該稱重反饋結果對離心澆注進行參數調整，造成離心澆注生產的不穩定性，進而降低產品合格率。粘砂的鑄管在進行吹砂清理時無法清理干凈，會將殘砂帶入退火爐，增加退火爐人工清砂作業強度。在退火后仍未脫落的殘砂，會增加鑄管承口打磨的時間甚至直接造成鑄管產品檢驗判別困難。降低生產線的連續生產率，增加成本。

2 當前清理粘砂方法

鑄件常見的清理粘砂的方式有：半手工或手工清理、水力清砂、振動清砂、拋丸清理、電液壓清砂等。半手工或手工清理效率無法滿足離心鑄管機的連續生產節奏;水冷金屬型離心鑄管拉管后鐵素體在材質中呈現片狀，結構中有15%-25%的共晶碳體產生，其材質呈現"白口化"，在退火前鑄管呈現脆性，不易采用振動方式清砂;鐵液澆注區域不易采用水力清砂;這些方式并不適用連續生產的離心鑄管生產線，存在效率低、投資成本高的問題。

為了降低承口粘砂對鑄管生產率和質量的影響，鑄管廠往往需要專門設置值守人員對設備無法正常清理的殘砂進行人工清理。此時鑄管剛澆注完成，鑄管溫度高達400-600℃，人工清理不僅效率低，影響離心鑄管機的連續生產，還需要工作在高溫的惡劣環境下。考慮到降低人工成本，優化工人工作環境，提高生產系統自動化、智能化，研發了自動清砂的工藝設備。

3 鑄管自動清砂工藝的實現

鑄管自動清砂裝備的設計有以下幾個難點：

①生產效率不低于水冷離心鑄管機生產效率，不能因清砂裝置成為生產線的瓶頸;

②清砂裝置設置在離心鑄管機后，鑄管稱重前，設備占用空間要小，不能影響當前生產工藝設備;

③剛離心鑄造出來的鑄管呈脆性，機械碰撞易產生裂紋;

④需要實現無人值守全自動化運行。

鑒于鑄件常用清砂工藝方法各自優缺點，在確定自動清砂工藝方案時，進行了充分的研究論證，結合多年生產經驗，揚長避短設計出來自動清砂工藝設備并投入適用。鑄管自動清砂設備采用承口破砂裝置、噴霧清砂裝置結合，即破除承口粘留的塊狀殘砂，又能有效清理薄層粘砂。

增加清砂裝置后生產工藝流程為：離心鑄造→拔管→承口破砂→鑄管稱重→無驅動軌道→噴霧清砂→吹砂→鑄管退火。

3.1承口破砂裝置

采用移動小車帶動破砂機構前后運動，破砂完成后破砂機構退出鑄管承口，實現鑄管經撥管自動進入下一道工序。錘頭前部設有彈簧柔性錘擊臂，避免了破壞鑄管。經過破砂錘頭反復錘擊砂塊，清理承口內的塊狀砂芯殘留。由破砂裝置、移動小車、旋轉托輪、放管臂、殘芯槽、電器控制、氣動系統等組成，結構見圖1

破砂裝置工作流程：鑄管從離心鑄管機拔出→放管至托輪旋轉帶動鑄管旋轉→承口破砂小車前進到位→承口破砂飛輪旋轉→破沙頭破砂→破碎后砂芯掉落入殘芯槽內→破砂頭停止→破砂小車后退→放管臂將鑄管放入稱重工位。

破砂力：150KG;破砂小車行程：500mm;破砂捶擺動距離：120mm;錘頭速度：200-600次/min;鑄管旋轉速度：30r/min;裝置功率：8KW。

3.2噴霧清砂裝置

由管徑識別、送管擋撥、承口噴水裝置、水系統、氣動系統、電控系統等部分組成，結構見圖4。

承口噴水裝置由伺服電機驅動電動推桿實現進退，通過小車滾輪行走，實現前后行走。升降裝置由一個絲杠滑軌模組組成，采用伺服電機驅動帶動噴嘴上下移動，通過水平行走、上下移動兩套系統精準控制噴頭位置實現DN100～600mm不同規格鑄管的全系適用。機構中裝有水系統，水系統由自閉型水箱供水，水箱裝有浮球閥控制水位，采用CHM2-6水泵、霧化傘型噴嘴，經PLC控制實現自動噴水。系統裝配有HMI人機交互界面，噴嘴水平位置、上下位置，噴霧持續時間等均可直接輸入調整。

承口噴霧清砂裝置工作流程：鑄管從爐前擋撥分管開始→鑄管對中→管徑識別→噴水小車高度調整至鑄管中心位置→鑄管經過對中擋撥進入噴水工位→噴水小車前進→噴水→噴水結束→小車退回→鑄管經過噴水擋撥進入承口吹砂工位→吹砂小車前進→吹砂→吹砂結束→吹砂小車后退。

噴水泵壓力：1Mpa-0.1Mpa可調;流量：2h/min;噴水噴嘴升降距離300mm;氣動控制：氣壓采用壓力閥，調節精度≤0.02Mpa;氣源壓力≥0.6Mpa。設有管徑識別，噴水時間控制，HMI屏幕顯示調節參數等功能。

4 結語

離心鑄管承口自動清砂設備采用PLC控制系統，依據管徑識別，實現無人化、工作參數的自動調節、自動運行。自動清砂設備上線運行以來，能夠順利的對殘砂進行清理，達到來“穩定、準確、快速”的生產運行目標，保障了鑄管表面質量，不僅可以使人從繁重的體力勞動和惡劣危險的工作環境中解放出來，而且自動化設備改造可以擴大人工的功能，大大提高勞動生產率。

參考文獻：

[ 1 ] 范英俊.離心球墨鑄鐵管工藝及裝備.中國科學技術出版社， 2001.

[ 2 ] 王文清、李魁盛. 鑄造工藝學. 機械工業出版社，2011.

[ 3 ] 成大先. 機械設計手冊（第六版）. 化學工業出版社.2017

作者簡介：

張秀峰（1970- ），男，本科，機械工程學士學位，主要從事項目管理和設備工程技改工作。

（圣戈班管道系統有限公司，安徽 馬鞍山 243000）