李玉青，吳殿杰

（1.長春職業(yè)技術學院，吉林長春 130000；2.機械工業(yè)第九設計研究院有限公司，吉林長春 130011）

1 濕型砂處理工藝應用現狀

1.1 濕型砂工藝路線的確定

目前，濕型砂工藝是以石英砂+粉料（膨潤土，煤粉，淀粉，微粉）+水，按一定比例混制而成，并達到型砂工藝要求。目前流行的工藝路線基本如下：

落砂—磁選—篩分—測濕、測溫—加水冷卻—一次粉料、水加入—預混—調勻—測溫、測濕—稱重定量— 二次粉料、水投入—終混—水分、緊實度（CB）在線測定—松砂—造型線。典型布置見圖1為某發(fā)動機鑄造廠為兩條氣沖線配套的能力為220 t/h的砂處理系統圖。

圖1 某發(fā)動機鑄造廠220 t/h砂處理系統圖

砂處理工藝對鑄件產量和質量至關重要，在大批量流水生產條件下，型砂周期性循環(huán)使用，必須重視反復使用過程中型砂性能的變化規(guī)律，力求選擇好的處理工藝和設備，依靠逐級多點檢測并自動控制。目前，國內如一汽二鑄廠采用兩套200 t/h的砂處理單元，分別配有美國辛普森22G高效混砂機和連續(xù)雙盤冷卻器。哈東安發(fā)動機公司和天津內燃機等進口日本新東SSD砂處理系統，回砂采用測溫加水（MIA）和測濕加濕（MIC）及型砂成形性控制儀，配以先進的檢測系統向靜壓線提供合格的型砂。圖1是通用東岳動力為兩條氣沖線配套的砂處理系統（兩臺德國GFD新型轉子高效混砂機）能力為220 t/h，整個砂處理系統以塔式布置在一個24 m×24 m×25 m的空間內。

1.2 濕型砂傳統處理三部曲

目前，由于高效大型斗提機的應用使得濕型砂處理系統較多采用塔式疊加布局，塔式布局工藝設備可以直接銜接，這里我們將這種常規(guī)傳統的砂處理過程稱為“三步曲”。

第一步曲：舊砂工藝處理單元：關鍵單元，破碎、篩分一般分別采用振動落砂機和落砂滾筒篩、懸掛磁選和頭輪磁選。

第二步曲：舊砂冷卻緩沖處理單元：測濕增濕測溫增濕、冷卻，這一過程是獲得優(yōu)質型砂至關重要的一步，通常設置具有一定時間儲存緩沖砂量的舊砂緩沖儲存調勻斗，一般3～4 h砂量或更多的中間儲存斗。舊砂儲存量大,周轉次數少，性能穩(wěn)定。多個調勻斗采用依次進料和同時出料可保證多個時段的舊砂預混均勻,使舊砂有效粘土及煤粉含量、水分、溫度等成分和性能波動最小,型砂性能易于穩(wěn)定控制。

第三步曲：配料終混單元：以混砂機為核心的配料、稱量、混制單元?；焐皺C配有量程不同的微機配料秤對舊砂、粘土、煤粉、微粉（淀粉或收塵）、水分稱量配入型砂，保證鑄件光潔度、型砂韌性和流動性、透氣性和收塵中有效成分的回收。

2 砂處理流程經濟適用理念的建立

針對傳統砂處理流程的“三步曲”，國內鑄造工作者如常州法迪爾克對大批量流水作業(yè)的砂處理工藝進行大量的研發(fā)投入，根據砂處理“冷卻、混砂、檢測”三要素成功研制出系列新型RFD多功能雙盤冷卻器、MXC變頻冷卻混砂機/RTM變頻混砂機、RTC型砂在線檢測儀等集約節(jié)能型現代裝備，這就為改變原本采用傳統“三步曲”工藝的生產企業(yè)實現工藝優(yōu)化改革提供了更新的理念與和合理化的布置。其特征是變“三步”為“兩步”，布局緊湊、工藝過程合理，廢品率降低90%，膨潤土費用節(jié)省50%，節(jié)省電能11.4%，見圖2。

圖2 傳統常規(guī)“三步曲”集約為“兩步曲”

2.1 砂處理流程經濟適用理念研制背景

通過對目前國內部分濕型砂處理系統進行初步統計，以100 t/h濕型砂砂處理系統作為依據，匯總了以下三種配置現狀如下。

2.1.1 現狀與方案A：沸騰冷卻床+高速固定轉子混砂機

（1）優(yōu)點：設備投資略低。

（2）缺點：無法有效控制砂溫；無法控制舊砂濕度；無預混作用；沸騰冷卻床的故障率高，多處于停用狀態(tài)；混砂周期加長、二次升溫嚴重，型砂質量無法控制；輔料加入量高，膨潤土的加入量在1%（國產中檔膨潤土600元/t）。

例：中國兵器某廠2007年10月投產的一條80 t/h砂處理系統使用情況。

冷卻器：沸騰冷卻床。

混砂機：高速固定雙轉子式混砂機，2臺配置，每臺功率為：轉子2×37 kW，底刮板55 kW。

型砂檢測：人工取樣。

實際砂處理狀況：沸騰冷卻床實際使用時無法控制水量，出現魚鱗板堵塞，一天清理幾次的狀況，目前不加水，舊砂水份在0.5%～1.6%之間波動。水份波動較大，車間自行在中間砂庫上方皮帶機上加霧化噴水，采取人工定時巡檢的辦法檢查水份；混砂機的額定混砂效率為40 t/h，每盤加砂量1 300 kg，實際加砂量1 200 kg。濕混時間135 s，放砂時間25 s，加砂時間13 s，總計173 s/盤。一小時混砂量26 t，兩臺每小時混砂量52 t/h，遠不能達到80 t/h，濕壓強度0.11～0.125 MPa，緊實率不穩(wěn)定達32%～40%。實際的檢測方法為人工取樣檢測。

2008年4月20日開始至5月已連續(xù)出現幾次型砂導致批量報廢，累計有十幾爐鐵液報廢。由于采用人工檢測，每次檢測結果出來，已經有多碾砂混完放出。當再根據檢測結果調整加水量時，實際舊砂中的含水量已不再是所檢測時的舊砂含水量，所以又造成新的調整量的不準確，這樣有時會造成連續(xù)調整不準，型砂質量完全失控，造成批量報廢。

（3）分析原因：①由于舊砂水份不穩(wěn)定，人工取樣檢測時間過長，出現型砂連續(xù)無法控制，尤其溫度越高，舊砂水份控制愈困難，波動會越大；②混砂機效率遠達不到設計要求，一般說來此種混砂機（類似于DISA TM系列），混砂周期為總時間100 s，而實際總時間為173 s，造成型砂升溫12℃左右，混砂效率下降?；熘茋嵣昂碾娏刻螅_5 kW/t砂。③混砂均勻性、包裹性較差，總時間173 s，強度才達到0.12 MPa。

2.1.2 現狀與方案B：雙盤冷卻器+高速固定轉子混砂機

（1）優(yōu)點：有效控制砂溫在50℃或室溫加10℃以內；有效控制舊砂濕度在2.0±0.2%；充分的預混作用；混砂周期縮短30 s，型砂質量基本穩(wěn)定；降低一定的使用成本及提高成品率。

（2）缺點：型砂的二次升溫；輔料加入量中等，膨潤土的加入量在0.8%（國產中檔膨潤土600元/t）。

例：煙臺某制動盤生產廠兩條砂處理的實際使用情況。

一條160 t/h砂處理線采用方案A配置，混砂周期130 s，型砂升溫9℃左右，膨潤土加入量0.7%（國產高檔膨潤土）。另一條60 t/h砂處理線改造后為方案B配置，混砂周期100 s，型砂升溫6℃左右，膨潤土加入量0.6%（國產高檔膨潤土）。

2.1.3 現狀與方案C：雙盤冷卻器+低速變頻多轉子混砂機+在線檢測

（1）優(yōu)點：有效控制砂溫在50℃或室溫加10℃以內；有效控制舊砂濕度在2.0±0.2%；充分的預混作用；多轉子、250～350 r/min中低速運行，型砂基本沒有二次升溫；高的混制效率，大大降低輔料加入量，膨潤土的加入量在0.5%（國產膨潤土600元/t）；配置型砂在線檢測，提供穩(wěn)定及高質量的型砂，大大提高成品率；高可靠性的設備，減少砂處理用工人數及降低維護費用。

（2）缺點：設備投資略高。

例：山東某鑄造廠不同配置砂處理的實際使用情況。

山東某廠鑄造五車間于2007年10月投產80 t/h砂處理系統一套（選用常州法迪爾克RFD多功能雙盤冷卻器和MXC80/RTM5000低速變頻多轉子混砂機+在線檢測），配套兩條東久造型線，生產套管類鑄件，電爐熔煉，日產1 400箱，每箱兩件，僅有3～5件的廢品，成品率≥99.5%。系統膨潤土加入量僅為0.5%左右。

鑄造三車間，同樣上了兩條東久造型線，同樣的電爐熔煉，同樣生產套管類鑄件，2006年采用沸騰冷卻床+高速固定轉子混砂機的80 t/h砂處理系統時成品率為92%，系統膨潤土加入量為1.0%左右。2007年改造為雙盤冷卻器+高速固定轉子混砂機，成品率為96%，膨潤土加入量為0.8%。

2.1.4 不同配置現狀方案的經濟性比較（表1）

2.2 砂處理流程經濟適用理念的實施方案

隨著濕型砂處理工藝設備的改進升級，砂處理系統應以下面三大原則考慮：

穩(wěn)定性——為造型設備提供性能合格而且穩(wěn)定的型砂。

經濟性——系統運行成本要低，原輔材料消耗低，能源耗量低。

可靠性——系統可靠性要高。

2.2.1 經濟適用方案。

依據“冷卻、混砂、檢測”三要素研制的MXC變頻冷卻混砂機/RTM變頻混砂機、RFD多功能雙盤冷卻器和RTC型砂在線檢測儀三種關鍵裝置在國內已經得到迅速推廣。依據方案C（雙盤冷卻器+低速變頻多轉子混砂機+在線檢測）理念，我們考慮一種集約節(jié)能型的組合布置方案，見圖3。

表1 不同配置現狀方案的經濟性比較

圖3 集約節(jié)能型經濟適用布置方案

2.2.2 濕型砂處理關鍵設備的改進升級

2.2.2.1 雙盤冷卻器

目前冷卻舊砂的設備主要有雙盤冷卻器、滾筒式冷卻裝置和振動冷卻沸騰床，在設備選型上大多選用雙盤冷卻器為主。多功能雙盤冷卻器（如法迪爾克FRD、美國辛普森SIMPSON、德國KW）是歐美鑄造企業(yè)公認的最理想的舊砂冷卻和預處理設備，也是國內目前首選的砂處理設備。

國內生產的FRD系列雙盤冷卻器舊砂冷卻處理能力45～300 t/h。系統首先對冷卻前的舊砂檢測溫度、濕度，據此確定加水量，以及風量、出砂門的開度等多個參數。舊砂進入冷卻器內時，在攪拌器、鼓風風力的帶動下，砂層在水平和垂直2個方向呈∞字形立體運動軌跡，自動檢測裝置連續(xù)對舊砂溫度、濕度進行檢測，自動反饋調整噴水量，自動精確控制風量、砂層厚度和出砂門的開度。砂層作∞字形立體運動的同時，向下傾斜的等壓高速出風口對砂層產生懸浮沸騰狀，水蒸發(fā)的熱量迅速排出，被抽進除塵系統，舊砂獲得了冷卻。雙盤冷卻器除具有冷卻作用外，還具有無可替代的預混作用，大大減輕了混砂機的工作負荷，為充分發(fā)揮混砂機的效率（包括更高的型砂性能和盡可能短的混砂周期）提供了近乎完美的舊砂預處理。經過冷卻處理出來的舊砂，能滿足舊砂冷卻處理的工藝要求。舊砂冷卻效果明顯，溫度控制在≤49℃（或環(huán)境溫度±10℃）。出料口舊砂濕度控制在2.0±0.2%。舊砂性能均勻一致。舊砂具有預混效果，預先活化了舊砂中的有效膨潤土，提高了型砂的混制效率。圖4為國內生產的RFD系列多功能雙盤冷卻器運轉示意圖。

圖4 RFD系列多功能雙盤冷卻器

2.2.2.2 轉子混砂機

（1）轉子混砂機已成為當前主流設備

混砂機的發(fā)展是隨著造型方式的進步和對混砂機理的深入研究，逐步從碾輪式混砂機、碾輪轉子式混砂機、固定轉子式混砂機、行星轉子混砂機、高速轉子混砂機、變頻多轉子混砂機各階段的發(fā)展演變過程。變頻技術的采用，是20年來粘土砂混砂機在混砂技術領域的重大突破和進步，形成了新的混砂理論，在混砂周期內的任何時刻，混砂機轉子轉速自動適配于混制特性，轉子轉速是時刻變化的一條曲線。其主流混砂機見表2國內外目前砂處理系統普遍應用的轉子混砂機。

（2）變頻多轉子混砂機

國內生產的RTM變頻混砂機和MXC變頻冷卻混砂機，成為當今國內外市場幾家主流混砂機之一。國內外用戶已采用100多臺套同類型的變頻混砂機和砂處理自動線。

RTM混砂機處理能力：19～175 t/h，其中RTM7000變頻調速轉子式混砂機的生產能力達到175 t/h，而國內市場上沒有單臺混砂能力超過100 t/h的混砂機，在同行業(yè)中處于領先地位。

表2 國內外目前砂處理系統普遍應用主流轉子混砂機

圖5是RTM多轉子變頻混砂機內部結構示意圖，圖6是RTM混砂機外形圖。

圖5 RTM多轉子變頻混砂機結構示意圖

圖6 RTM混砂機外形圖

RTM混砂機特點：①采用變頻技術，轉子自轉轉速 200～360 r/min；②型砂的混制效率最高；③型砂混制均勻、性能更穩(wěn)定；④低的陶土、煤粉加入量，降低了生產成本；⑤混制出的型砂不發(fā)熱、水分低、流動性好；⑥耐磨件壽命更長，工作時間到達6 000 h；⑦節(jié)能;⑧國際標準、國內價格、性價比高。

RTM混砂機與傳統轉子混砂機的區(qū)別見表3；性能比較見表4。如按照砂處理系統生產率50 t/h、年產3萬噸鑄件綱領布置，其成本比較見表5。

（3）MXC變頻轉子冷卻混砂機

表3 RTM變頻轉子混砂機與傳統轉子混砂機的區(qū)別表

表4 RTM變頻轉子混砂機與傳統（固定）轉子混砂機的技術性能比較

MXC變頻冷卻混砂機是在RTM系列變頻混砂機的基礎上引入氣流冷卻，是一次創(chuàng)新性的突破，混砂機與冷卻器不再是2個獨立的設備，而是集成二者功能為一體的集約節(jié)能性一體化裝備，從而減少了系統設備，另外設備占用場地面積小、布置簡單化、減少投資和設備維護量。常州法迪爾克生產的MXC120變頻冷卻轉子式混砂機的生產能力達到120 t/h，填補了國內市場空白，是混砂設備改進創(chuàng)新的突破。圖7是MXC變頻冷卻混砂機外形圖，圖8是MXC變頻冷卻混砂機內部結構圖。圖9是標準型（RFD雙盤冷卻器+RTM轉子混砂機布置，圖10是冷卻+混砂一體機經濟集約型布置。

圖7 MXC變頻冷卻混砂機

圖8 MXC變頻冷卻混砂機內部結構

10 冷卻+混砂一體機布置

2.2.2.3 型砂在線檢測

目前，型砂在線檢測已經是智能化數字化砂處理線關鍵手段，已得到廣泛應用。型砂在線檢測儀使型砂檢測的過后檢測變成在線實時檢測，真正實現混砂過程的實時、修正、控制、記錄、儲存、系統管理等功能。

RTC檢測項目：型砂緊實率、濕壓強度。

RTC調整項目：加水量、輔料加入量。

RTC檢測系統項目：（a）型砂工藝參數的設定和自動修正；（b）實時檢測型砂的緊實率、濕壓強度；（c）控制混制時間、原料、輔料、水的加入量；（d）在顯示屏上顯示檢測結果，記錄可查。混制時間和加水量數據收集統計顯示可查；（e）集成設備維修檢查和出現故障點記錄顯示可查、集成維修操作說明和儲存記錄。系統配置1臺FONDARC工業(yè)控制器可實現砂處理系統的自動化生產，實現全過程的統計、記錄、管理的功能。

RTC106型砂檢測儀的主要作用：通過對混砂過程中型砂的緊實率、濕壓強度的實時檢測，并與型砂工藝參數的設定值進行比較計算，自動調整加水量和輔料加入量，修正混砂時間，混制出滿足工藝參數的型砂，型砂合格率100%。同時長久自動記錄相關的工藝數據和設備故障診斷分析原始記錄，為工藝員、設備維修員提供相關的分析和判斷資料。

RTC106型砂檢測儀的主要優(yōu)點：（a）依據實時檢測混制過程型砂的緊實率、濕壓強度，自動調整水和膨潤土的加入量，減少了由人工靠經驗控制造成的型砂性能的不穩(wěn)定；（b）混砂過程是靠在線檢測儀來工作，避免了人工控制造成的混制時間、加入量的不穩(wěn)定現象；（c）自動記錄型砂每碾的混制時間、批次、水和原輔料的加入量、緊實率和濕壓強度的設定值及修定值;d)提供設備故障診斷、記錄和檢修方法等大量原始數據信息；（e）有效的減少混砂工序的操作人員；（f）檢測控制精度高：緊實率精度2%～5%、濕壓強度精度5%～8%。圖11是法迪爾克MXC冷卻變頻多轉子混砂機配置的在線檢測儀。

圖11 MXC冷卻變頻多轉子混砂機配置的在線檢測儀

3 砂處理工藝設備改進升級的發(fā)展趨勢

一個優(yōu)質的砂處理系統是滿足高質量型砂工藝性能要求的關鍵，從國內目前的砂處理系統設備的改進升級，我們看到了國外先進的砂處理工藝和技術的導入，必將加速國內鑄造濕型砂處理工藝設備的改進創(chuàng)新速度，高性能、高精度、高效率、低成本、智能化已成為濕型砂處理工作者的主要目標。

參考資料

[1]吳殿杰.全新的概念全新的設計[J].中國鑄造裝備與技術,1999(06).

[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(05).