郭 云，趙春鋒，佘昌全

（1.宜昌奧力鑄造有限責(zé)任公司， 湖北遠(yuǎn)安 444200；2.三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北宜昌 443000）

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)混砂質(zhì)量的監(jiān)控

郭 云1，趙春鋒1，佘昌全2

（1.宜昌奧力鑄造有限責(zé)任公司， 湖北遠(yuǎn)安 444200；2.三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北宜昌 443000）

簡(jiǎn)要介紹了型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理和工作流程，探討在線檢測(cè)參數(shù)設(shè)置及設(shè)置要求，通過(guò)對(duì)緊實(shí)率、濕壓強(qiáng)度、混砂時(shí)間、注水量等參數(shù)的在線監(jiān)控，型砂性能和型砂質(zhì)量得到進(jìn)一步穩(wěn)定和提高，大幅降低沖蝕、粘砂、砂眼缺陷和造型型廢率，滿足了自動(dòng)化造型生產(chǎn)線對(duì)高質(zhì)量型砂的需要。

型砂；在線檢測(cè)；混砂質(zhì)量；監(jiān)控作用

在“機(jī)器換人”的大背景下，鑄造企業(yè)新建或改造的高密度粘土砂自動(dòng)化造型生產(chǎn)線日益增多，如果還是按照傳統(tǒng)的人工取樣檢測(cè)型砂的性能，然后由技術(shù)人員憑借自己的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整型砂配方，是很難滿足大規(guī)模、自動(dòng)化造型線生產(chǎn)對(duì)型砂質(zhì)量的要求的。型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，使型砂的質(zhì)量由“事后調(diào)控”變?yōu)椤笆虑氨O(jiān)控”，提高了型砂質(zhì)量的穩(wěn)定性，滿足了自動(dòng)化造型生產(chǎn)線對(duì)型砂質(zhì)量的要求。因此，型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)的有效運(yùn)用，為型砂質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和科學(xué)管理提供了有力的保障。

1　生產(chǎn)條件

1.1混砂及砂處理系統(tǒng)

混砂系統(tǒng)：5000型高效變頻轉(zhuǎn)子混砂機(jī)1臺(tái)，混砂轉(zhuǎn)子數(shù)量4個(gè)；最大混砂量5 000 kg，最大混砂生產(chǎn)率125 t/h（混砂機(jī)標(biāo)定值）。

砂處理系統(tǒng)：由振動(dòng)落砂機(jī)、回砂皮帶輸送系統(tǒng)、懸掛帶式永磁分選機(jī)、八角篩砂機(jī)、雙盤冷卻器、雙排斗斗式提升機(jī)、砂庫(kù)、圓盤給料機(jī)、螺旋給料機(jī)、變頻轉(zhuǎn)子混砂機(jī)、型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)、出砂皮帶輸送系統(tǒng)、除塵器系統(tǒng)等構(gòu)成。設(shè)有三個(gè)儲(chǔ)砂庫(kù)，其中舊砂庫(kù)2個(gè)，新砂庫(kù)1個(gè)，總儲(chǔ)砂量450 t。

1.2在線檢測(cè)系統(tǒng)

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)一套，包含取樣裝置、測(cè)量裝置、加水裝置以及微機(jī)控制系統(tǒng)等。

1.3自動(dòng)化造型生產(chǎn)線

造型線為1 850 mm×800 mm大型靜壓造型生產(chǎn)線，造型壓實(shí)比壓為0.8～0.88 MPa，設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍為60整型/h，砂箱尺寸為1 850 mm×800 mm×350/300 mm，下芯工位8個(gè)，澆注工位10個(gè)。靜壓造型生產(chǎn)線設(shè)置三條冷卻通道，鑄件冷卻時(shí)間≥120 min。

2　型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)械取樣系統(tǒng)、氣動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、加水控制系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)等四大系統(tǒng)構(gòu)成。

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)型砂的緊實(shí)率、濕壓強(qiáng)度等重要技術(shù)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控型砂質(zhì)量。即通過(guò)對(duì)混砂過(guò)程中型砂的緊實(shí)率、濕壓強(qiáng)度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較、經(jīng)微機(jī)運(yùn)算處理后，自動(dòng)調(diào)整和控制水、膨潤(rùn)土的加入量，達(dá)到控制并穩(wěn)定型砂質(zhì)量的目的。

3　混砂與在線檢測(cè)

3.1型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

（轉(zhuǎn)子）混砂機(jī)啟動(dòng)—添加舊砂（4～5 s）—自動(dòng)檢測(cè)舊砂砂溫和水分，修正緊實(shí)率參數(shù)，計(jì)算注水總量—第一次注水，注水量為總水量的80%～90%（9～10 s）—添加輔料如膨潤(rùn)土、煤粉、添加劑等（30～40 s）—混砂（設(shè)定時(shí)間120～180 s）—在線檢測(cè)系統(tǒng)取樣檢測(cè)型砂的緊實(shí)率—與設(shè)定值（修正值）比較（±5%）—符合—出砂；若不符合—第二次注水—混砂（30 s）—在線取樣檢測(cè)型砂的緊實(shí)率—再次與設(shè)定值（修正值）比較（±5%）—符合—出砂；若不符合—第三次注水—混砂（30 s）—在線取樣檢測(cè)型砂的緊實(shí)率，...以此類推。一般設(shè)置注水不超過(guò)四次，為了保證混砂效率，要求第一次注水后在線檢測(cè)混砂成功率要達(dá)到60%～70%，盡量減少二、三次注水，杜絕第四次注水。

檢測(cè)緊實(shí)率的同時(shí)檢測(cè)型砂的濕壓強(qiáng)度，通過(guò)濕壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)值與設(shè)定值（±8%）進(jìn)行比較，自動(dòng)判斷膨潤(rùn)土加入量的合適度。如果檢測(cè)濕壓強(qiáng)度值在合適區(qū)間，下一循環(huán)膨潤(rùn)土加入量保持不變。如果檢測(cè)濕壓強(qiáng)度值靠近下限值，下一循環(huán)增加膨潤(rùn)土的加入量；如果檢測(cè)濕壓強(qiáng)度值靠近上限值，下一循環(huán)減少膨潤(rùn)土的加入量，依此不斷循環(huán)（參見(jiàn)圖1）。

圖1　型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

3.2在線檢測(cè)（型砂）參數(shù)設(shè)置及要求

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)是型砂混砂系統(tǒng)的子系統(tǒng)，該系統(tǒng)的正常工作是與型砂混砂機(jī)的運(yùn)行密不可分的，其參數(shù)設(shè)置也是根據(jù)混砂機(jī)混砂的基本參數(shù)和生產(chǎn)鑄件對(duì)型砂的具體要求進(jìn)行的。

型砂在線檢測(cè)參數(shù)設(shè)置主要有：緊實(shí)率、濕壓強(qiáng)度、混砂時(shí)間（s）、注水量及注水次數(shù)（注水調(diào)整百分比）、膨潤(rùn)土加入最小值及最大值、煤粉加入量（占膨潤(rùn)土的百分比）、添加劑加入量（占膨潤(rùn)土的百分比）等。

3.3緊實(shí)率

緊實(shí)率是反映型砂的濕強(qiáng)度、韌性、含水率及混碾的柔和程度等型砂綜合性能的重要指標(biāo)，可作為型砂性能在線檢測(cè)和控制的首選項(xiàng)目［1-2］。通過(guò)緊實(shí)率參數(shù)的變化，反映型砂中水分和有效膨潤(rùn)土的比例是否合適。當(dāng)型砂緊實(shí)率太高時(shí)，說(shuō)明型砂太濕、太粘，型砂的流動(dòng)性差，不宜緊實(shí)，使得鑄型硬度偏低。當(dāng)型砂緊實(shí)率太低時(shí)，則反映型砂干燥發(fā)脆，韌性差［3］。

當(dāng)型砂水分控制在2.8%～3.5%時(shí)，緊實(shí)率的參數(shù)設(shè)定值為30%～40%。

3.4濕壓強(qiáng)度

濕壓強(qiáng)度也是反映型砂造型綜合性能的重要指標(biāo)。水分適當(dāng)時(shí)，隨著有效膨潤(rùn)土含量增加，型砂的濕壓強(qiáng)度增高［3］。因此，當(dāng)型砂中水分、含泥量控制在合理范圍內(nèi)時(shí)，型砂的濕壓強(qiáng)度就可以間接地反映型砂中有效膨潤(rùn)土的含量。由此就可以控制膨潤(rùn)土的加入量，監(jiān)控型砂中有效膨潤(rùn)土是否合適。

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)中濕壓強(qiáng)度參數(shù)設(shè)定值為0.15～0.17 MPa（1.500～1.700 kgf/cm2）。

3.5混砂時(shí)間

據(jù)資料介紹，碾輪混砂機(jī)混砂最佳時(shí)間為8～16 min/碾，轉(zhuǎn)子混砂機(jī)混砂最佳時(shí)間為4～6 min/碾。普遍認(rèn)為，碾輪混砂機(jī)混砂質(zhì)量好，轉(zhuǎn)子混砂機(jī)混砂生產(chǎn)率高。

通常情況下，自動(dòng)化生產(chǎn)線用型砂選用轉(zhuǎn)子混砂機(jī)混砂。混砂時(shí)間太長(zhǎng)影響生產(chǎn)效率，混砂時(shí)間過(guò)短影響型砂質(zhì)量。如何兼顧混砂質(zhì)量和混砂效率？混砂時(shí)間的設(shè)定尤為重要。

在線檢測(cè)系統(tǒng)中混砂時(shí)間設(shè)定值為120～180 s，總混砂時(shí)間≤6 min/碾。

3.6注水量及注水次數(shù)

型砂水分是影響粘土砂鑄造工藝性能最主要也是最敏感的參數(shù)之一[2]，型砂水分控制的好壞直接關(guān)系到鑄件質(zhì)量，準(zhǔn)確而快速地檢測(cè)控制型砂的水分是提高鑄件質(zhì)量、降低鑄件廢品率的重要手段。

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)舊砂砂溫和舊砂含水量，根據(jù)檢測(cè)的舊砂溫度、舊砂含水量以及每碾舊砂加入量等參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出該碾砂需要注入水的總量。設(shè)定第一次注水量為總需水量的80%～90%；第一次注水后，使得混砂合格率達(dá)到60%～70%。第二次注水后，混砂總合格率應(yīng)達(dá)到90%以上。少數(shù)通過(guò)第三次注水混碾，達(dá)到型砂的性能要求，杜絕第四次注水，這樣有利于控制混砂時(shí)間，提高混砂效率。

3.7其他參數(shù)

膨潤(rùn)土加入量。型砂中膨潤(rùn)土加入量為補(bǔ)充加入量，即補(bǔ)充型砂中有效膨潤(rùn)土的不足，其加入量為每碾總砂量的0.4%～0.8%，實(shí)際操作時(shí)要根據(jù)舊砂中有效膨潤(rùn)土含量進(jìn)行取值。舊砂中有效膨潤(rùn)土含量低時(shí)取上限，舊砂中有效膨潤(rùn)土含量高時(shí)取下限。型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)中按膨潤(rùn)土加入最大值及最小值進(jìn)行設(shè)置，最大值和最小值中的差值一般取2～6個(gè)單位（kg），如16Min～20Max等。

煤粉加入量和添加劑加入量。型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)中煤粉和添加劑的加入量是與膨潤(rùn)土的加入量聯(lián)動(dòng)的，這主要是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制，通常情況下，煤粉加入量為膨潤(rùn)土加入量的40%～60%，添加劑的加入量為膨潤(rùn)土加入量的15%～25%。

3.8外圍系統(tǒng)(外在因數(shù))對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的影響

舊砂砂溫的影響。通常情況下，砂溫高于30 ℃時(shí)，砂中的水分就會(huì)蒸發(fā)，型砂水分波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致混砂效率降低，易使鑄件產(chǎn)生掉砂和砂眼等缺陷，因此，型砂的質(zhì)量與舊砂砂溫息息相關(guān)。型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)有砂溫補(bǔ)償程序，當(dāng)舊砂砂溫超過(guò)30 ℃時(shí)，系統(tǒng)對(duì)設(shè)定的緊實(shí)率予以修正。砂溫超過(guò)越多，修正值越大。如果進(jìn)入混砂機(jī)中的舊砂溫過(guò)高，必然會(huì)對(duì)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)造成較大影響。

舊砂水分的影響。保持舊砂中適當(dāng)?shù)乃?，有助于恢?fù)舊砂中有效膨潤(rùn)土的活性。在線檢測(cè)系統(tǒng)要求舊砂水分控制在2%左右。水分過(guò)高、過(guò)低或水分波動(dòng)過(guò)大都會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，不利于混砂時(shí)的水分調(diào)整。

有資料認(rèn)為，進(jìn)入混砂機(jī)的舊砂砂溫必須控制在35 ℃以下，最好控制在24～27 ℃[4]；舊砂水分控制在1.8%～2.2%。如果砂處理系統(tǒng)中安裝雙盤冷卻器，問(wèn)題就可以得到解決。雙盤冷卻器帶有噴水裝置，能起到很好的增濕、降溫作用，并且還兼有預(yù)混的效果。據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，澆注后冷卻2～3 h打箱落砂，進(jìn)入雙盤冷卻器前砂溫為78～82 ℃，經(jīng)雙盤冷卻器后，砂溫為38～42 ℃[5]。有學(xué)者根據(jù)理論測(cè)算，舊砂中增加（或蒸發(fā)）1%的水分，可降砂溫25 ℃左右。因此，舊砂通過(guò)雙盤冷卻器增濕、降溫和預(yù)混[6]，可提高在線檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4　在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)混砂質(zhì)量的監(jiān)控作用

型砂在線檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)型砂的緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度，進(jìn)而控制型砂的水分和膨潤(rùn)土的加入量，達(dá)到穩(wěn)定型砂性能、型砂質(zhì)量的目的。緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度是反映型砂基本性能的重要綜合性指標(biāo)，在線檢測(cè)系統(tǒng)選擇緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度作為型砂性能的控制參數(shù)，也是基于該參數(shù)控制起來(lái)比較簡(jiǎn)單、方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

我公司通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)型砂性能實(shí)施監(jiān)控，作用十分明顯。在線檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行5年來(lái)，型砂的性能十分穩(wěn)定，濕壓強(qiáng)度（實(shí)測(cè)）0.18～0.23 MPa，緊實(shí)率25～35，水分2.8%～3.5%。鑄型綜合型廢率由5.3%下降到1.5%以下，砂眼由2.3%下降到0.2%,沖蝕、粘砂缺陷大幅降低，鑄件表面質(zhì)量大幅提高，為德國(guó)KUKA公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人鑄件達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)，得到德國(guó)客戶的高度認(rèn)可。

在實(shí)際生產(chǎn)中（生產(chǎn)車橋鑄件和工業(yè)機(jī)器人鑄件），在線檢測(cè)參數(shù)設(shè)定值如下，（實(shí)時(shí)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1）。

緊實(shí)率：36%；

濕壓強(qiáng)度：0.16 MPa（1.600 kgf/cm2）；

混砂時(shí)間：140 s，總混砂時(shí)間≤6 min/碾；

第一次注水量及注水次數(shù)：90%（第一次注水量占總注水量的百分比）,注水次數(shù)≤4次；

膨潤(rùn)土加入最小值及最大值：最小值16 kg,最大值20 kg；

煤粉加入量：55%（占膨潤(rùn)土加入量的百分比）；

添加劑加入量：20%（占膨潤(rùn)土加入量的百分比）；

表1　實(shí)時(shí)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)表（節(jié)選）

（續(xù)上表）

舊砂加入量：4 300 kg；

由于影響型砂性能和質(zhì)量的因素比較多（砂溫、水分、含泥量、有效膨潤(rùn)土、有效煤粉、舊砂的均勻性等），型砂的緊實(shí)率與水分、濕壓強(qiáng)度與有效膨潤(rùn)土的含量也不是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，加之舊砂水分偏差較大，因此，通過(guò)控制型砂的緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度來(lái)精確控制型砂性能是不容易的。為使在線檢測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段也還是必不可少的。將型砂在線檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析形成緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)差異的原因，找出內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律，進(jìn)而對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，更好地發(fā)揮在線檢測(cè)對(duì)型砂質(zhì)量的監(jiān)控作用。

型砂實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目及要求 ①型砂檢驗(yàn)：水分、緊實(shí)率、透氣性、濕壓強(qiáng)度等，要求每小時(shí)檢測(cè)一次，混砂機(jī)卸料皮帶口按四分法取樣；②舊砂檢驗(yàn)：有效膨潤(rùn)土含量、有效煤粉含量、水分、含泥量、灼減量等，要求每天檢測(cè)1～2次，舊砂庫(kù)圓盤給料機(jī)口間隔一定時(shí)間取10點(diǎn)，混合后按四分法取樣[5]（型砂實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)表2）。

5　結(jié)束語(yǔ)

表2　型砂實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

高密度粘土砂靜壓造型生產(chǎn)線對(duì)型砂質(zhì)量的要求是十分嚴(yán)格的，應(yīng)用在線檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控型砂的性能，效果也是十分顯著的。推薦的技術(shù)參數(shù)（設(shè)定值）為：緊實(shí)率30%～40%，濕壓強(qiáng)度0.15～0.17 MPa(1.500～1.700 kgf/cm2),混砂時(shí)間120～180 s，總混砂時(shí)間≤6 min/碾。通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)型砂的監(jiān)控，型砂性能和型砂質(zhì)量得到進(jìn)一步穩(wěn)定和提高，大幅降低沖蝕、粘砂、砂眼缺陷和造型型廢率，滿足了自動(dòng)化造型生產(chǎn)線對(duì)高質(zhì)量型砂的需要。

［1］ 劉業(yè)金，郭安娜，陳紹華，等，濕型砂緊實(shí)率在線檢測(cè)和控制［J］.鑄造技術(shù)，1997（2）：6-9.

［2］ 楊恢飛，朱世根，傅增明，等，型砂質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)與控制研究現(xiàn)狀［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（2）：130-133.

［3］ 胡彭生，型砂（第二版）［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994：134-150.

［4］ 趙書城，型砂質(zhì)量存在問(wèn)題及改進(jìn)措施［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)， 2000（1）：34-38.

［5］ 郭云，大型靜壓造型線型砂的質(zhì)量控制［J］.鑄造，2015（4）：368-371.

［6］ 李玉青，吳殿杰.濕型砂處理工藝設(shè)備的創(chuàng)新理念與改進(jìn)升級(jí)［J］. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2014（2）：1-6.

The Supervisory Control Action of Molding Sand On-line Detection System In Sand Mixing Quality Control.

GUO Yun1，ZHAO ChunFeng1，SHE ChangQuan2
（1.Yichang Aoli Casting Co., Ltd., Yuanan 444200, Hubei, China；2. Three Gorges Polytecnic, Yichang 443000, Hubei, China）

This artical described the fundamentals and workfow of sand on-line detection system， to explore its setting parameters and requirements. By supervising parameters like sand compactability,green compressive strength, sand-mulling time , water injection rate and others, it could help to stabilize capability and improve quality of molding sand， thus signifcantly reducing misshaping waste rate and defects like erosion， sticky sand and sand voids, and meeting the needs of high quality molding sand in automated production lines.

Molding sand；On-line detection；Sand mixing quality；Superivisory control action

TG231.2；

A；

1006-9658（2015）06-0040-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.012

2015-07-16

稿件編號(hào):1507-996

郭云（1963—），男，高級(jí)工程師，主要從事鑄造技術(shù)工作.