鑄造砂處理核心裝備技術的研究與設計

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400）

現代鑄造工業的砂處理系統，是一個復雜又龐大的工程技術系統。不同的鑄造工藝有不同的造型方式，對型砂性能、混合處理、舊砂再生有著不同的技術指標與要求。

大型鑄造砂處理系統的型砂質量目標，體現在核心工藝裝備技術的先進性和可靠性。如制備型砂的高效轉子混砂機，落砂工部的大型振動落砂機以及舊砂再生的強力搓磨再生機等。

以下分別對三種核心裝備的研發與設計展開描述。

1 大盤徑轉子混砂機

大盤徑轉子混砂機（以下簡稱轉子混砂機），是應用于大型粘土砂鑄造工藝中型砂制備的核心裝備，在傳統的轉子混砂機基礎上改進設計的一種大型混合設備，其運行狀態是利用雙轉子機構與犁型刮板的高速混合機理，優化了傳統的動力驅動系統，設置快速水噴淋和大容量加料機構等。

盤徑2800mm 的轉子混砂機單臺生產能力達到70 t/h 以上，設計總功率75kW+44kW。

轉子式混砂機的基本參數是按技術標準JB/T 2656-2007《輾輪混砂機、輾輪轉子混砂機基本參數》選擇設計[5]。

圖1 轉子混砂機外形結構

圖2 轉子混砂機轉子、刮板、卸砂門結構

1.1 研發設計的技術特征

（1）轉子混砂機底盤下主電機設計采用變頻異步電機，配置液流偶合器連接硬齒面減速器的驅動形式（避免三角帶的低效率傳動）。

（2）采用全電氣控制系統驅動，取消氣動控制。配套型砂檢測儀，主要對水份、溫度的檢測控制。同時對砂庫溫度和水份的聯合監測控制，設置聯合數據采集，適時掌握型砂混合性能。

（3）加進砂系統設置為快速定量加料機構（閉式防塵給料、配置溫度的檢測，包括粉料）。

（4）轉子混砂機的出砂機構是關鍵問題之一，設計采用快速松砂排出料機構（機動閘門式排料、避免堵砂、漏砂）。

（5）設計采用智能環狀噴淋加水管路與型砂性能控制互聯。

（6）設計配置一個操作檢修、觀察、防護平臺，立柱采用矩形結構，承載能力強（可為砂處理工藝設計提供模塊）。

（7）為提高生產能力與運行性能，對葉片轉子的結構形式、犁型刮板的結構形式進行了新的設計。

（8）轉子混砂機內襯圍圈采用不銹鋼材料，防止粘砂（粘砂也是混砂機的常見問題之一）。

（9）轉子混砂機主體為封閉式筒體結構（防止粉塵外溢），頂部設置有排放口（連接除塵系統方便熱氣、回流氣的排放）。

（10）轉子混砂機筒體上設置有取樣口，可以與型砂檢測控制（粘土砂型砂性能檢測必備之一）互聯。

1.2 轉子混砂機工藝參數設計

（1）混砂機盤徑（mm）：?2800；

主軸轉速（r/min）：28（32）；

主電機功率（kW）：75；

主軸犁型刮板形式：對稱S 形、硬齒面減速器選型配套。

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

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

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

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

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

（5）兩組轉子（上部安裝、減速電機獨立驅動）：

轉子葉片直徑（mm）：?560；

轉子葉片轉速（r/min）：300；

單轉子功率（kW）：22（30）。

選擇主要技術參數的對比，在設計理念上保持傳統混砂機的合理要素，同時提升混砂機的結構性能，達到合理的產能與能耗[1，3]。

2 大型雙質體振動落砂機

在鑄造生產中，落砂清理是鑄造生產線上砂處理工部的重要環節。振動落砂機則是工序的關鍵核心裝備，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、應用振動落砂機改善工況環境是至關重要的。

對于大型鑄件的落砂（如載荷40t 以上鑄型的落砂）宜采用臺面尺寸6000mm×5000mm 規格的雙質體振動落砂機。相對單質體落砂機而言，具有工作平穩、能耗低、噪聲低和減輕勞動強度的特點，是一種環保型的慣性振動機械。

國內鑄造用落砂機的基本參數、技術條件按技術標準JB/T 6575-2006《落砂機》選擇設計執行。

雙質體振動落砂機的力學模型是建立在動力隔振基礎上的振動原理，在近共振狀態下工作。振動狀態與單質體振動落砂機相比有明顯的區別[2，3]。

2.1 雙質體振動落砂機工藝設計

在載荷重量與臺面尺寸確定以后，動力驅動與參振體、彈性力、載荷的平衡設計是雙質體振動落砂機的主要工藝參數。由于振動機理是利用了振動激振的慣性力和彈性力的合成，形成有效的振動沖擊對載荷（鑄型）進行碰撞，而實現落砂破碎。

工藝參數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質體間達到平衡，是雙質體振動落砂機成功的關鍵[2，7]。

其他振動電機、減振彈簧、質體結構可按常規設計、選擇要求。

2.2 雙質體振動落砂機結構型式

雙質體振動落砂機主要結構由上質體（含柵格板）、下質體、激振彈簧、減振彈簧、機座和振動電機組成（圖示3）。

主振上質體和隔振下質體通過激振彈簧連接，振動電機安裝在隔振下質體上，隔振下質體通過減振彈簧安裝在機座上。

圖3 雙質體振動落砂機外形圖

兩臺獨立的、同極振動電機是激振源，相向旋轉運行、自同步激振，形成上下形式的線性振動。上下質體利用減振彈簧的作用，有效地隔離了激振力和振動慣性力對基礎的影響（動力隔振原理）。

2.3 振動衰減的控制

（1）當振動系統停止了外力（激振力）的作用，振動系統仍然會按其固有頻率作自由衰減振動。這個過程中穩態振動逐步消失，出現瞬態振動。振動系統又被干擾力（阻尼力）影響進入共振區段，直到振動衰減停止。

（2）阻尼在振動系統中具有一個特性關系，能使瞬態振動迅速衰減，特別是能降低受迫振動中的共振區振動。阻尼力也是控制振動狀態的重要措施（衰減時間受阻尼力影響）。

（3）合理選擇阻尼、阻尼力來減少振動系統在啟動或停止過程中過共振區的時間，限制振動系統的過振幅值，對振動機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、橡膠質彈簧、空氣彈簧、機械阻尼器等彈性阻尼。振動落砂機及其他振動設備上，都有不同形式的阻尼裝置在振動狀態中（應用）起作用[2，3]。

3 機械強力搓磨再生機

在鑄造生產中需要再生、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的、以有機脂為粘結劑的、或經使用后的砂型和砂芯（包括覆膜砂、樹脂砂、有機自硬砂、殼型砂、粘土砂），所產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械再生工藝，適用于具有一定生產規模的鑄造產生的舊砂再生處理。工藝流程簡單，一般對澆注落砂后的舊砂，進行冷卻、破碎、篩分、磁選處理后，再利用強力搓磨再生機進行機械搓磨處理，會獲得更好的舊砂品質。產能配套在：5～8t/h（工藝參數）。

3.1 強力搓磨再生機搓磨機理

強力搓磨再生機在舊砂再生技術中是一種核心設備，是新型的機械干法再生裝置。適用于有機脂舊砂、覆膜砂、殼型砂和粘土砂等廢舊砂的再生處理。

（1）強力搓磨再生機工作機理：廢舊砂進入再生室體，經分流板導流后，分布在搓磨葉片的工作區域。搓擦葉片分別安裝在三個由電機直接驅動的傳動主軸上，作同向高速旋轉運動，形成對舊砂的對流搓擦。在折射板的作用下，舊砂反復被對流搓擦。同時，鼓風機風量由蝶閥進入風箱，通過沸騰孔板進入室體，形成砂氣混合，使舊砂在流動、沸騰的狀態下，實現砂與砂之間，砂與搓擦葉片之間相互流態化的強力搓擦，達到脫膜再生的目的。

（2）利用高速旋轉的搓磨輪（葉片）對舊砂進行強力搓磨，同時進行沸騰風選去灰和冷卻，達到脫膜、凈化的效果。由于是干法機械搓磨機理，可適應較高的廢舊砂溫度進入。

（3）室體內形成的粉塵氣流（包括熱氣流），由除塵風口排放。經過一定流量的對流搓擦后，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 強力搓磨再生機外形圖

強力搓磨再生機是以有機脂砂鑄造產生的廢舊砂處理為分析研究對象。由于型砂成型性的工藝不同，所產生的廢舊砂性質亦不同。用戶可根據鑄造生產的特點進行選擇和再生工藝的調整[6]。

3.2 強力搓磨再生機搓磨結構形式

強力搓磨再生機的主要結構由上部室體（含沸騰孔板）、下部風箱、搓磨葉片、驅動電機、鼓風機、機座、進砂口、出砂口和除塵風口組成（圖示4）。

4 砂處理系統中應注意的幾個問題

（1）由于高效造型生產線的廣泛應用，對型砂的質量要求越來越高。所以應根據造型工藝要求，采用先進高效的混砂設備和配套的砂處理線，淘汰落后的老設備，以提高鑄造產能、生產效率和環境保護。

（2）鑄造落砂工部必備的落砂設備，應根據工況環保要求，選用先進的落砂設備。目的是提高生產效率、降低噪音，降低對工況環境的影響。

（3）落砂后的熱舊砂溫度較高，轉運過程中宜采用振動輸送機過渡，并通過相關的破碎、磁選和必要的冷卻設備進行預處理，再進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，會給設備直接造成損傷。主要表現在設備上的粘砂、粘結、拉傷、破損、老化等現象（注意及時維護）。所以應關注熱舊砂對砂處理設備的危害。千萬不要把砂溫調節器當做舊砂冷卻器使用。二者有本質上的區別。多地企業在舊砂降溫上，人為設計使用砂溫調節器來處理熱舊砂的降溫是不合理的。

（5）舊砂再生利用對降低成本、節約資源有直接的經濟利益。在考慮設備更新換代時，應考慮鑄造工藝的可行性，考慮利用舊砂再生工藝實現在線生產作業或者離線生產作業的必要性[8]。

（6）砂處理生產線與舊砂再生線的維護、保養應在議事日程，注意維護保養在先，維修在后。提高使用效率是企業獲得利益的前提。

（7）中小型鑄造企業，在鑄造生產的各環節應提高機械化操作水平，局部應用智能傳感技術，檢測和監控生產流程與安全，是有利于企業創新發展的長效機制。體現以人為本，減輕勞動強度，穩定作業崗位的用工人員。

5 結束語

注重現代鑄造工業生產，實現不同的工藝技術、不同生產方式和不同品種、批量。選擇先進的鑄造砂處理工藝流程和裝備技術，提供機械化、自動化程度，是提高鑄件產能、質量、生產效率和工況環境的必要條件（值得重視的發展理念）[4]。