现代化湿砂型铸造厂工厂设计

现代化湿砂型铸造厂工厂设计及一些具体问题的探讨第1章概述粘土砂型主要由原砂、粘土（湿型砂为膨润土，干型砂为普通粘土、煤粉或FX粉等附加物）和水组成。上述组成材料来源广泛，价格相对便宜，供应也有保证，而且粘土砂湿型造好后不必烘干，可以直接浇入高温金属液生产出优质铸件。因此，粘土砂湿型是目前使用最广泛的铸造工艺。本文内容只涉及粘土砂湿型铸造工艺的流程设计和设备选型，以及它们与生产的关系，避免因考虑不周投产后给生产造成损害。在铸造行业里，传统铸造工艺和现代化铸造工艺仍同时并存。传统铸造工艺指手工造型、震实造型和震压造型，现代化造型工艺指射压造型、高压造型、气冲造型和静压造型等。现代化造型与传统造型的最大区别在于将机械化、自动化和计算机等新技术应用于铸造生产中，使生产的砂型紧实度、刚度高，因而铸件的表面质量好，尺寸精度高，加工余量少。同时造型速度快，生产率高。当然，与之关联的砂处理、制芯、熔化、清理等工部设备技术水平也相应提高。由于汽车、拖拉机、机床等产品对铸件的品质要求，使用的造型机（线）造出的铸型，最基本的条件是铸型紧实度（即砂型硬度）要能达到8590度。只有这样，才能满足机器造型大批量生产铸件达到CT810（甚至CT79）的尺寸精度，RA250500M（甚至RA125250M）的表面粗糙度的要求。因此，现代化铸造厂一般采用射压造型、高压造型、气冲造型和静压造型工艺。这些铸造工艺的造型机及组成的造型线机械化、自动化程度高，因而造型速度快，生产效率高。第2章造型工部21砂型造型设备的发展上世纪60年代以前，我国砂型铸造设备主要采用手工造型或半自动机器造型，砂箱与砂型搬运、翻箱、合箱、扣箱等工序均由人工借助起重设备进行。砂型紧实度低，均匀性差，加上人工影响因素多而铸件质量难以控制，表面粗糙度和尺寸精度都不理想，这种状况在国内仍有部分存在。到了上世纪6080年代，国内开始出现射压造型、气动微震造型和高压造型。射压造型系将型砂射入型腔内达到一定紧实度后辅以一定比压的压实，生产率高，散落砂较少；气动微震造型以弹簧或气垫微震震击机构代替原砧座式震击造型机构配合中等比压（36KG/CM2）之震击使紧实度增加且较均匀；多触头高压造型则由于压实力的提高使比压达到1015KG/CM2，加上多触头压实提高了砂型的紧实度和均匀性，适应于大尺寸砂箱造型，生产较大尺寸的铸件。与此同时，生产率高，利用压缩空气突然膨胀产生强烈冲击波压实型砂的气冲造型得到迅速发展。随着生产的铸件复杂程度的提高和对铸件质量越来越高的要求，20世纪90年代末用“气冲予紧实多触头压实”的静压造型开始被大量采用。22造型机的种类及适应范围按照砂型紧实机理的不同，常用的粘土砂湿型造型机主要可分为震实造型机、震压造型机、压实造型机、射压造型机和气流紧实造型机五大类。（1）震实造型机型砂、砂箱和模板受到反复震击，型砂靠重力和惯性作用在模板表面得到紧实而成型。得到的砂型紧实度低且不均匀。震实造型机结构简单，操作方便，劳动强度大，但使用灵活，不受铸件重量、大小、批量限制。（2）震压造型机经过震实后在砂型背面挤压方式使砂型紧实度得到进一步提高，整个砂型的硬度分布也更加均匀。震压造型有低中压和高压两种，低中压多用平压头，高压则多用成型压头或多触头。此类造型机用于一般铸件的批量生产和中小铸件的各种批量生产。（3）压实造型机压实造型机的压实方法有单向压实和差动压实，单向压实有上压式和下压式两种。上压式的余砂在砂箱上方，压头将余砂压入砂箱中。下压式则是余砂在下，压实时模板将余砂压入砂箱，最终模板与砂箱齐平。上压与下压兼有则为“差动压实”。单向压实造型机结构简单，噪音小，但砂型坚实度不均匀。“差动压实”是压头先予压（上压），然后模样下压，最后压头再终压，砂型紧实度和均匀度都高。压实造型机主要用于简单、扁平铸件的中小批量生产。差动式压实可用于生产较复杂的铸件。（4）射压造型机先用低压射砂，然后用高压压实。砂型紧实度高，均匀性也好。用于中小铸件的大批量生产。（5）气流紧实造型机气流紧实造型分气流冲击造型机和静压造型机两种。1）气流冲击造型机加砂后利用压缩空气快速释放（或燃气爆炸）产生的强烈冲击波使砂型得到紧实。此种造型机结构简单，能耗少，生产率高，砂型透气性好，但浇口杯必须单独铣出来。适于中小铸件的大批量生产。缺点是会产生“搭桥”现象和对造型机架产生循环冲击疲劳损坏。2）静压造型机加砂后用压缩空气冲击予紧实，然后再用多触头压实。此种造型砂型紧实度高，均匀性好，铸件工艺出品率高，噪音小，适合生产复杂铸件。23造型设备的选择造型工艺的分析是选择造型设备的基础。通过分析包括所生产的铸件材质、重量、尺寸大小、结构形状、表面质量和其它工艺要求，以及生产规模（批量）等因素，从而确定将要采用的造型工艺和流程，选择与之相适应的造型方式和设备、模板布置、砂箱尺寸，进而确定设备的型号规格，并为制芯、砂处理、熔化、清理等工部的设计提供依据。选择造型设备应考虑如下因素（1）根据铸件精度，表面质量等要求，结合不同造型方式所能达到的砂型质量（刚度和表面硬度，紧实度和均匀性）选择设备。形状复杂，精度及表面质量要求高的铸件，应选择能造出砂型紧实度高、均匀，表面硬度高且刚性好的设备，同时要求造型机精度要好，起模精度高。（2）根据不同铸件材质对砂型硬度和刚度的要求选择设备。由于球墨铸铁凝固过程的石墨化膨胀高于灰铸铁和白口铸铁，选择能造出较高硬度和刚度砂型的设备；铸钢和锡青铜由于凝固时收缩大，则应选用造出的砂型硬度和刚度均适中的设备。一般而言，黑色金属铸件对砂型硬度和刚度的要求高于非铁合金。（3）根据铸件的使用条件选用设备。例如轿车底盘上的保安铸件、汽车盘式刹车铸件和起重设备类零件等，由于一旦损坏有可能会造成人身、设备重大安全事故，应采用能保证铸件内在质量的造型工艺和设备。（4）大批量、产量高的铸件生产，应选用生产率高的造型设备；品种单一时可采用专用造型设备；单件、小批量及多品种生产选用组织灵活方便的造型设备。（5）制造厂商所提供的造型设备生产率并非设计所需求的工艺生产率，要根据各种具体情况考虑一个合适的系数。（6）根据投资规模选用设备。24造型生产线铸工带的布置形式在铸造车间里，人们将造型机和辅助设备一起组成造型生产线，用以批量生产铸件。不同的造型机和辅助设备，以及不同的组合布置和技术水平，造型生产线差异较大，铸件生产的适应范围和批量规模也不同。造型生产线铸工带的布置形式常用有如下三种（1）开放式铸型输送机直列布置。根据铸件要求的工艺冷却时间决定并列的条数。直列两端由转运小车相连接。输送机为脉动式，一般由液压缸（推送液压缸缓冲液压缸）驱动，或由转运小车上的伺服机构推动，转运小车由变频电动机或“子母”电动机驱动，或者通过齿轮齿条传动，也有的使用钢丝绳拉动。滚道上的砂箱移动为脉动式，由液压（气）缸推动或伺服电动机驱动。开放式布置适合生产多芯、复杂、重量大需冷却时间长的铸件（如汽缸体等）。也可根据生产的铸件所需不同的工艺冷却时间来选择冷却段的使用数量，方便灵活。（2）封闭式输送机环形封闭布置，运行形式有连续式和脉动式两种。连续式按调定速度运行，对下芯、合型、浇注、落箱及落砂等工序不利（均在动态运行下进行）。脉动式则为“开停开”模式运行，下芯、合型、落箱、浇注等均可安排在“停”的时间内完成，方便生产。封闭式由于占用面积大，目前使用较少。（3）直列式直列式主要用于垂直分型无箱射压造型线或水平分型脱箱造型线。主机、浇注段和冷却均在同一条中心线上（也有的采用多列浇注段或冷却段）。主机造好的砂型从造型机推出进入浇注，与此同时浇注好的砂型也被推进同步冷却段，冷却段最前方砂型则被推入落砂机进行落砂。有的铸件需要较长冷却时间，砂型通过过渡小车转运至多条冷却段继续冷却后再落砂。直列式布置局限性大，虽然宽度方向占用面积小，但由于布线长，有时给工厂平面布置带来一些不便。但是，此种方式适合大批量生产中小型铸件。25造型生产线的选择原则造型线的选择内容包括造型机类型、型号及规格、造型线的布置及相关设备的组成、造型线自动化程度和技术水平等。（1）根据所生产的零件大小、复杂程度、生产材质和批量的大小选择主机和生产线。零件小、批量大，应优先选择生产率高且辅助设备少的垂直分型无箱射压造型线（无砂芯、少砂芯更优先）和水平分型脱箱压实（射压）造型线。零件复杂，质量要求高且多芯的则应尽可能选用静压造型线。如果零件扁平，形状简单则可选择高压造型线或能耗低、生产率高的气冲造型线。（2）同一条线生产的铸件质量要求不同，要求的工艺冷却时间不同，应以冷却时间最长的铸件考虑。选用开放式布置线，生产时可以根据铸件的工艺冷却时间长短决定投入使用的冷却铸型输送条数。多品种、多牌号，生产应采用模板穿梭（或转盘）式的主机。（3）选用的造型线和各种参数应与其它工部（制芯、砂处理、熔化、浇注、清理等）的设备技术水平和生产能力相匹配，保证车间均衡流水生产顺利进行。当然，工厂设计时一般做法是先确定造型生产线，再以造型生产线技术水平和生产能力的要求，考虑熔化、砂处理、浇注、制芯等工部。（4）同一条造型线生产多品种铸件时，造型线应优先满足批量较大的且具有代表性的铸件，考虑有较高工艺要求的关键铸件。（5）在满足工艺条件的情况下，优先选用无箱或脱箱造型线，以减少投资和缩短建设周期，降低生产运行成本。但这种造型线型板利用率降低，也易产生错箱。（6）造型线应考虑两班制生产，以提高造型线的利用率和设备投资利用率。（7）选择造型线时应考虑其综合利用率（或者称工艺生产能力、实际生产率）在7585之间（无箱或脱箱线取上限），同时还应考虑留有一定的应变能力。（8）造型线辅机的技术水平和自动化程度应与造型机相适应，才能最大限度发挥造型机的效能。（9）在生产纲领合适和经济条件允许的同时又有一定技术支撑的情况下，尽量选用自动化水平高的造型线。但是，如果工厂技术力量较弱时，宁可选用技术水平和自动化水平一般的造型线。（10）选用的造型线不但技术水平和自动化水平高，而且应该运行平稳可靠，故障少。26落砂设备及流程设计落砂设备及流程设计往往被人们忽视。国内许多铸造厂铸件落砂时“跑砂”是一个普遍现象，大量砂团随铸件落入板式输送机跑掉（有的厂达1/31/2落砂量）。实际上，随铸件跑掉的砂只有510紧靠铸件表面被铁水烧烤过的废砂，90以上是好砂。（1）应正确选用落砂设备各种现代化造型工艺由于砂型紧实度高，落砂机必须有高的破碎力才能将砂团破碎。安装有偏心块的振动电机的落砂机由于安装维修方便而被广大铸造厂采用。但是这种落砂机破碎力小，对砂型破碎能力差，造成大量未被破碎的砂团随铸件一起跑掉。根据使用经验，落砂设备最好采用二台落砂机，一台落砂机的破碎力应不小于34吨。有条件的铸造厂应尽量采用滚筒式落砂机。滚筒式落砂机常用有四种1）L32系列滚筒式落砂机。该滚筒为单层筒壁，内壁有螺旋叶片，砂型在滚筒内边落砂边前进，分离后的旧砂和铸件到达滚筒前段带分离孔板时，旧砂被分离并从排砂口排出落入底下的带式输送机，而铸件则继续前进从滚筒出口缷出。这种滚筒在落砂过程铸件容易产生磕碰伤。2）L33系列双层落砂滚筒。该种滚筒有两层筒壁，滚筒内加入一定量星形铁。内壁不但有使铸件和砂子被带起的螺旋叶片，还布满落砂网孔。落砂过程砂子不断从网孔进入外筒与内筒之间的夹层，被外筒壁上的反向螺旋叶反向送回型砂入口段的缷砂口，然后落入回砂皮带机。随铸件前进的星形铁到达滚筒头部的铸件与星形铁分离段时同铸件分离，也通过网孔落入内外滚筒夹层，被反向螺旋叶片反向送回滚筒入口，再次进入滚筒，从而实现星形铁自动循环，铸件则继续前进从出口缷出。借助星形铁的作用，与之接触的铸件和浇冒口系统表面的粘砂被清理干净，从而减少了铸件表面抛丸清理量，表面干净的浇冒口回炉料减少熔化过程的炉渣，节省电耗，提高炉子熔化率。因此，该种落砂滚筒也可用于浇冒口等回炉料的净化。双层落砂滚筒在使用过程中会使铸件产生磕碰伤。3）CDR系列落砂滚筒CDR系列落砂滚筒有下列特点滚筒内壁没有使铸件翻滚的螺旋叶片，只有促使铸件前进的直线导向角钢，因此铸件在滚筒内翻滚很小，而且大部份时间与型砂一起前进，砂型在滚筒内停留时间长（约2030分钟），有利于延长铸件的保温时间，特别适合无箱造型线和脱箱造型线（弥补冷却段较短的不足）。铸件的前进是依靠后面不断进入的铸件推送，前进速度慢，也基本不翻滚，所以铸件不产生磕碰伤现象，适合生产不能磕碰伤的铸件。4）SST振动鼓是一种振动式冷却落砂滚筒，用于造型线落砂。振动鼓由弹簧支撑，机械式激振器安装位置与垂直方向成一定角度，与圆筒的水平轴夹角小于900，从而产生一个在水平方向和垂直方向均为倾斜的激振力，使滚筒产生一个与激振力同一方向的振动。砂型进入滚筒后沿一条螺旋缓慢地向出口移动，在移动过程中砂型被破碎振落，铸件因埋于砂中减少了磕碰伤。采用滚筒式落砂机时，为了防止铸件产生相变，进入滚筒的铸件温度不能高于7000C，而砂铁比为（31）（101）。（2）落砂工艺流程有二种设计形式1）落砂和铸件落地分别在造型车间和清理车间（见图1）图1落砂和铸件落地分别在造型车间和清理车间工艺流程图如图1所示，铸件连同大量“跑砂”一起通过板式输送机被送至相距较远的清理车间，大量“跑砂”和废砂被一起送至废砂斗抛弃，“跑砂”回用困难，浪费严重，最好不采用。2）落砂和铸件落地均在造型车间（见图2）图2落砂和铸件落地均在造型车间工艺流程图如图2所示，由于落砂及铸件落地均在造型车间，“跑砂”很容易通过落砂机地下室的回砂皮带机返回砂处理回用。为了简化工序，减少工序间流动，铸件与浇冒口分离可在爬坡短板式带的水平段上进行。为了改善工作环境，落入板式带的铸件温度应尽量低些，也就是说要考虑铸型的冷却时间要长些。27造型工部设计中的一些注意事项国内有的铸造厂由于工艺流程设计或设备选型考虑不周，投产后给生产和设备维修带来困难，甚至出现“先改造后生产”的被动局面。为了防止此类问题的发生，本文将根据现场一些容易被忽视的问题列出，供大家参考。（1）造型线油泵站油泵站是造型线的“心脏”，要注意如下几点1）油泵站必须留有20的能力，保证将来液压阀及油缸因长期工作磨损产生泄漏以后仍能有足够压力油维持造型线正常运转。另外还必须有一套油泵备用，它与予留能力是完全不同的两回事，这一点在与国外制造商谈判尤为重要。2）由于油泵站液压油长期连续处在高压力下工作，液压油发热严重，应该配置合适的油冷却器保证液压油始终在550C以下工作。订货时必须向制造商提供当地最高环境温度，冷却用水温及流量，供制造商设计正确的油冷却器做依据。很多铸造厂进口造型线后都要对油冷却器进行改造（一般都是增大冷却面积），就是因为国外的工作环境和冷却水情况与国内不同造成的。3）如果油泵站位置在地下室，则必须设计排风系统和送凉风系统，同时应采取防止粉尘污染的措施，以及开设与地下室走廊相通的门，通往地面有踏步。（2）铸型冷却段的位置铸型浇注后应通过过渡小车转运至主厂房外的辅房内冷却。辅房与厂房隔离封闭，外墙则设玻璃窗。冷却段对应辅房顶梁设埋板，供维修小车时装吊砂箱用的葫芦（例如可安装手拉葫芦用的单轨）。同时辅房顶部安装一定数量的管道式轴流风机排热、抽烟气。如果由于面积限制，还可采用多层冷却段的立体布置。（3）地下室走廊造型工部有较长的地下室走廊用于布置回砂皮带机及板式输送机等，它也是造型线主机检修的通道，应该设置二个以上通往地面的踏步明通道。另外在墙壁的一定高度上应有埋板供安装各种管线用。第3章熔化工部31铁水小时需求量的计算计算铁水需求量有二种方法，一是计算年总铁水需求量后再算小时需求量，另一种则是根据造型线生产率直接计算小时需求量。本人认为第二种方法准确，它可以确保能适应造型线的需求，使造型线能够顺利运行。（1）计算依据1）每型铁水重量（KG）G铸件单重（KG/件）G1每型件数（件/型）N1浇冒口重量（KG/型）G2每型铁水重量（KG/型）GGN1G1G22熔化过程铁水烧损率（）K1中频炉一般K1取53）扒渣及浇注过程铁水损耗率（）K2一般K2取24）铸件废品率（）L一般L取510注L值视所生产铸件的复杂程度和技术要求而定。简单的铸件取下限或再低，保安铸件取上限（甚至1020）。5）造型线实际（工艺）最大小时生产率（整型/H）N（2）造型线最大小时铁水需要量（KG/H）QQN1G1G2（1K1）（1K2）（1L）N32熔化炉的确定（1）熔化炉总的工艺熔化率应根据造型线最大实际生产率所计算出的铁水需求量来确定，也就是说熔化炉总工艺生产率必须等于或大于造型线实际最大生产率铁水需要量。当每型铁水需要量小（铁件重量小）时，应适当选多台小炉，反之则选用容量大而数量少的熔化炉，这样有利于生产组织，或减少保温铁水的电耗。（2）熔化炉的确定目前，从环保和保证铁水质量来看，大多数铸造厂都选用中频感应电炉熔化铁水。因此，此处僅指选用中频炉的步骤。1）把根据造型线实际最大小时铁水工艺熔化率做为选用炉子的总的工艺熔化率。2）根据制造商提供的炉子理论熔化率计算炉子实际熔化率。炉子制造厂商提供的熔化率为按照国家有关部门规定的测试条件下，将金属固体料熔化升温至14500C时所计算出来的理论熔化率，并非工艺要求的熔化率。不同类型的中频炉其实际熔化率也不同。A串联电路中频炉工艺（实际）熔化率09炉子理论熔化率B并联电路中频炉工艺（实际）熔化率（0607）炉子理论熔化率由此可见，确定炉子实际熔化率时，要根据造型线最大实际铁水需求量，考虑准备选用的炉子类型，以及生产铸件的具体情况（或每型铁水重量的大小），计算出炉子的设计台数。由于炉衬要定期更新，拆炉和筑炉时会对生产造成影响，在设计炉子台数时也应适当考虑。（3）“一拖二”串联电路中频炉“一拖二”串联电路中频炉最大特点是一套电源同时向二台炉子供电，其中一台熔化铁水，与此同时另一台保温铁水。两台炉子使用功率可通过旋钮任意调配，电源的利用率提高，生产组织也方便，可减少浇注等待铁水的时间，要优先选用。33串联电路中频炉与并联电路中频炉的比较目前，中频感应电炉有串联电路中频炉和并联电路中频炉两种，它们的特点比较如表1。串联电路中频炉和并联电路中频炉比较表1序号项目串联电路中频炉并联电路中频炉1功率因数任何使用功率下其功率因数均在095以上只有在较高功率情况下才能达到092与熔化炉料的关系不论投入炉料多少均可满功率、恒功率运行与炉料多少有关，不能满炉料满功率运行3电耗比并联电路中频炉省584使用过程变化最大功率投入没有减少使用后期不能达到最大功率投入5冷启动成功率可100成功率6电源与炉体可方便地实现“一拖二”，“一拖三”必须通过换炉开关切换电源7生产组织灵活性好8产生的高次谐波较小较大由上可以看出，串联电路中频炉比并联电路中频炉优越，这也是目前被广大铸造厂采用的原因。34炉体的安全措施炉体内的铜制造感应圈在铁水熔化过程必须用水进行冷却，保护它不被高温的炉衬熔化。一旦感应圈被高温的炉衬熔化，冷却水与高温金属液相遇产生高压水蒸气将引发炉体爆炸事故。因此保证冷却水在感应圈内能正常冷却循环是安全使用中频炉的关键。炉体的保安措施有如下几个主要方面、（1）炉体冷却水循环系统水泵站1）水泵站使用双泵双电机，其中一套使用另一套备用，两套水泵系统可以自动切换。同时，水泵站还有一套用于紧急水循环系统，当外界停电时，该套系统利用备用电源启动，继续对炉体进行循环冷却。2）水泵站使用的电源与中频炉主电源分开，它一般来自车间里的动力电源。中频炉主电源停电后，不影响水泵运行。为了尽量减少故障，水泵站供电来自车间不同的两个动力电源，提高供电可靠性。（3）应急水循环系统应急水系统由应急水系统、应急柴油发电机和应急水源组成。当外部停止供电时，水泵站停止工作，此时车间应急电源（应急发电机）供电，使水泵站内应急水泵、冷却塔内水泵和风扇继续工作，紧急水系统向炉体感应圈提供冷却循环水冷却。（4）直接使用应急水源冷却（应急水流量为正常循环水的1/3即可）当外部电源及应急电源完全停止供电时，可快速启动应急水源直接供炉体冷却。应急水源由车间自来水和高位水箱组成。A当车间有自来水时，打开炉体与车间自来水系统的连接阀门，让车间自来水直接进入冷却炉体内的感应圈，出水口通至车间排水系统（此时应关闭正常循环系统的阀门）。B当车间自来水也停止时，应打开来自高位水箱的水阀门，利用高位水箱内的水冷却感应圈。35熔化工部设计中应注意的一些问题（1）炉前坑应考虑在紧急情况下可容纳整炉铁水，以便在紧急情况下使用。平时，炉前坑上面可放一块钢板，供放集渣料箱。如果炉前坑主要功能作为渣坑（例如低炉台），则可在炉台附近增设貯铁水坑。坑内应考虑能将铁水冷凝后成方便加料的小块。（2）炉前坑必须保持干燥，防止高温金属液与潮湿的炉坑因产生高压水蒸气引发爆炸事故，故土建设计应考虑防止地下水向炉坑渗漏（如可增加埋设钢板制造的箱体）和地面水流入。（3）安装炉体的地下室由于炉体和电气发热，土建设计时应考虑地下室自然通风和采用强制通风措施。（4）液压油管安装时应尽量离开地面和炉体，避免漏铁水时引发火灾事故。（5）炉子地下室应有排水沟和集水坑，在集水坑处应有排水措施（用潜水泵将积水排至车间排水管网的系统）。（6）地下室炉体与电气柜、油泵站、水泵站、电容器柜等分开布置，其间应有隔墙分开，但前后有联系门洞。（7）上、下炉台应有二个或以上的走道，炉体四周有安全防护栏杆。进入炉体地下室也应有二个或以上的走道（设有门）。（8）炉台及进入地下室的门和窗必须用金属材料制成，不得用木料。（9）炉子地下室及炉台上电控间必须安装应急灯照明，炉子地下室最好安装监控系统。（10）使用频繁的较大油泵站应采用油冷却器，冷却用循环水可采用来自炉体的外部冷却循环系统。（11）冷却水软管应采用无碳胶管，以防止因铁水溅落产生火灾事故，并防止循环水导电率提高。（11）采用自来水和高位水箱的紧急水源直接冷却炉体感应圈时，冷却水的直排口必须高于炉体感应线圈最高处，以保证紧急水源流量小或压力过低时也能充满感应圈冷却。第4章砂处理工部随着射压、高压、气冲和静压等现代化造型技术的出现，对型砂的质量要求大大提高，砂处理工艺流程也被不断完善，砂处理设备也得到很大发展。当前，现代化铸造厂型砂制备已形成了一个大系统，它包括新砂处理、储备和输送系统；旧砂处理（破碎、磁选、过筛、冷却）、储存和输送系统；型砂混制（包括各种物料定量加入）和输送系统；辅料储存和输送系统；型砂质量在线检测和控制系统；机械化运输电气化联锁控制等。41造型对型砂质量的要求（1）一般要求型砂通过造型机紧实后的砂型必须满足两个基本要求1）能经得住在被搬运或推送、翻转过程的振动而不被破损或塌落。2）砂型型腔表面应有足够的强度和刚度能抵抗得住浇注时融熔金属液的压力和冲刷，以及凝固过程金属膨胀或收缩产生的压力，减少或防止型壁的移动，保证所生产铸件的尺寸精度和表面粗糙度，减少加工工作量。（2）现代造型对型砂质量的要求现代造型最突出的特点是高比压和高生产率，以及高型砂密度，要求型砂水分低、流动性好、湿压强度高且韧性好。通常要求如表2。现代造型对型砂质量要求表2项目造型类别含水量（）紧实率（）透气性湿压强度（MPA）砂温0C备注中、低比压造型3555405012015000801240高比压造型283536458012001540注混制好的型砂要求松散、无结块、砂团和杂物。42砂处理系统的要求一个完善的砂处理系统有如下要求（1）旧砂1）进入混砂机的旧砂温度和含水量应保持恒定，波动小。例如旧砂温度应低于500C（或比环境温度高出100C），含水量保持在2002。2无残铁等磁性物质和芯头等杂物，3MM5MM的小砂团小于5。3）旧砂在一个生产班次的循环使用次数不超过3次。4）旧砂中有效粘土为78，失效粘土5，总含量泥应保持在1315。（2）各种物料和水的加入应有准确的称量并能方便地改变配比，可以混出不同工艺要求的型砂。（3）应有排放旧砂的系统。当系统旧砂中含泥量太高时能够排放掉部份旧砂，多补充新砂，借以降低旧砂中含泥量。因为旧砂中总含泥量每增加1，混砂时加水量要增加02，铸件产生气孔等缺陷倾向增加。（4）设有“跑砂”等砂团重新回至砂处理系统装置。（5）混砂单元性能要优越，配置要完善。（6）配置效率高、效果好的除尘设备，因为除尘设备也是一种调节旧砂含泥量的工艺设备。（7）有不合格型砂回流进入砂处理系统的装置，包括整碾不合格型砂就近回流和造型机上方型砂斗内不能造型的型砂排卸回流。43砂处理系统设计和设备选用原则（1）根据所生产的铸件工艺分析确定造型方式和造型设备，从而确定型砂的种类。（2）根据生产规模确定型砂需要量以及系统型砂周转量，确定系统的生产能力。（3）根据系统的生产能力和型砂的工艺要求选择设备的型号、规格和数量。（4）根据车间生产批量、规格和型砂种类，采用相应配置的方式。一般情况下对型砂种类相同而性能要求相似的多条造型线，应采用一个砂处理系统，集中制备供砂；对车间内有不同造型设备但型砂种类相似而性能要求不同时，应分别建立专用系统，但系统中尽量考虑有联络线路，在必要时能够共供。多条造型线共用一个砂处理系统时，在回砂系统中旧砂冷却设备尽量使用双盘砂冷却器，使不同砂铁比的回砂能够被最大限度混均。（5）设备选择时应首先确定混砂机，再确定混砂机的配套设备。单台设备所能达到的实际生产率应大于系统所需生产率，但应低于设备的名义生产率。（6）原则上一道工序设置一台设备，但对于生产率高、易造成故障停机并引发整个车间停产的设备（如混砂机），可以设置2台或2台以上的设备。（7）不同型砂有不同的工艺要求，选用的砂处理系统的要求不同，系统设备的技术水平、自动化程度也不同。现代造型设置的系统功能应完善，设备技术水平要高，以保证混制出质量高的型砂。44砂处理系统的工艺组成及布置砂处理系统的工艺组成见图3。图3砂处理系统工艺组成示意图热旧砂经过破碎、磁选、过筛、冷却后成为干净冷旧砂，按工艺要求定量加入新旧砂综合料斗。新砂也定量加入新旧砂综合料斗。煤粉和粘土则分别定量加入辅料综合料斗。混砂时，新砂、旧砂、煤粉和粘土等同时从综合料斗加入混砂机，水则通过称量装置定量加入混砂机内。混砂过程由型砂质量在线检测控制仪控制型砂的质量，合格的型砂被皮带机送往造型机进行造型。从图3看到，质量不合格的型砂被排放至回砂皮带机送回砂处理系统；“跑砂”或好的旧砂也通过回砂皮带机进入砂处理系统回用；系统总含泥量高于工艺要求时则排卸掉部份旧砂。45粘土砂混砂机粘土砂混机主要可分为碾轮式混砂机、摆轮式混砂机、辗轮转子式混砂机和转子式混砂机四大类。现代化铸造厂多采用造型线造型，造型线配置的混砂机多为混砂效率高、混砂效果好的转子式混砂机，因此本文仅介绍转子式混砂机。（1）混砂机生产率和台数的设计计算混砂机名义生产率的方法有两种一是根据所有砂型尺寸和数量计算每种型砂的全年需求量；二是计算小时最大型砂需要量。大批量生产的铸造车间，混砂机每小时总生产率以满足造型机每小时最高造型数进行计算。为了保证生产顺利进行，混砂机每小时总生产率应大于造型线每小时最大型砂需要量。1）造型线小时最大用砂量的计算Q11LBHNYK式中Q造型线小时最大用砂量（T/H）L砂箱内框长度（M）；B砂箱内框宽度（M）H上下砂箱总高度（M）；N造型线小时最大造型数（箱/H）Y造型砂（松散时）堆积密度（T/M3）取0911T/M3；K压实系数（K值低比压造型取125135，高比压造型取155165，气冲造型及静压造型取16165）；11撒落砂系数。注计算时对铸件体积（型腔）所减少的用砂量往往忽略不计。2）混砂机总的生产率等于造型线小时最大用砂量。需用的混砂机台数为NQ/Q式中N混砂机台数（台）；Q造型线小时最大用砂量（T/H）Q所选混砂机每台小时名义生产率混砂机实际生产率彽于名义生产率，它与所要求的型砂湿压强度和混砂机结构有关。因此造型线根据上述公式计算出所需的混砂机台数以后，再除以5080的负荷率得出最终实际需要的混砂机台数。（2）转子式混砂机主要类型及比较转子式混砂机是伴随着各种现代造型工艺的产生而发展起来的。由于转子式混砂机具有混制的型砂质量高和生产率高等优点，从20世纪80年代开始，各种形式的转子式混砂机不断出现，发展讯速。1）转子式混砂机的特点混砂机构（转子叶片）埋在砂层中，对物料冲击混合使粘土团破碎分散，将机械能直接有效地传给物料，混砂效率高。利用转子叶片对物料的冲击力、剪切力和离心力（离心力使物料产生速度差）进行混砂，物料一直处于快速运动的松散状态，物料的混合、扩散和对流作用突出。通过高速转子对物料的高速剪切、搓擦、涂抺，使砂粒表面很快形成粘土浆膜。因此转子式混砂机生产率高，混出的造型砂松散不结块，质量好，被各个铸造厂用于造型线相匹配。2）转子式混砂机主要类型比较转子式混砂机有固定转子和既自转又公转的行星式转子两种；转子转动速度有定速和变速两种；底盘有固定和转动两种。根据结构形式主要可分为三大类，其特点比较见表3。三种主要转子式混砂机的比较表3混砂机类型底盘围圈不动固定转子混砂机行星转子混砂机底盘和围圈旋转、固定转子混砂机结构特点1转子固定位置高速旋转，底盘和围圈不动；2双“S”刮板高速旋转向转子供砂；3侧面缷砂1转子自转的同时公转；2刮板公转向转子供砂；3侧面缷砂；4公转机构有齿轮传动和硬齿带传动两种1转子固定在由支柱支撑的顶盖上高速旋转；2底盘和围圈缓慢旋转通过固定刮板向转子稳定供砂；3底盘中心卸砂；4有水平和倾斜安装两种机型混砂特点1转子和双“S”弧形刮板分别在上、下运动；2转子下方刮板将物料上抛使砂流与转子接触；3转子将先到砂流反向加速与后来的非连续砂流逆向冲击摩擦和穿插混合1与转子相对位置不变的弧形刮板，将砂流连续推挤导向堆高，稳定地送向高速旋转的长柱形转子；2转子叶片全部埋在砂层里，使转子驱动电机稳定地处于满载，充分发挥高速转子混砂功能。1高速旋转的定位转子和缓慢回转的供料底盘分别转动；2底盘回转中经固定刮板将砂流推挤向外侧并堆高，连续稳定地供料给旋转的长柱形转子，使转子充分而稳定地发挥强烈的剪切混砂作用。混砂效率和型砂质量1刮板位于转子下方，转子悬离于底盘，上部与砂流接触比下部差，影响混砂效果；2靠刮板旋转给上方转子供砂，供料不稳定可能造成型砂质量不均匀；（1）转子叶片底面可与底盘贴得很近，转子深埋物料中，混砂效率高；（2）转子满负荷工作，充分发挥混砂作用，混砂效率高，型砂湿压强度可达017022MPA；（1）转子叶片底面贴近底盘，深埋砂层里，充分发挥转子混砂作用，混砂效率高；（2）底盘稳定和均匀地供砂给转子，混砂效率和质量高；（3）型砂质量好，湿压强度可达46旧砂冷却系统及设备（1）热砂的危害型砂在浇注时受到熔融金属液的烘烤，温度会升高，反复多次循环浇注，砂温可达1000C以上。热砂不冷却将会造成许多危害1）运输过程水分会在温度较低的传送带、砂斗壁凝结，吸收粉尘和粉料，造成掉砂、堵塞砂斗出口、斗提机损坏等，也恶化环境。2）热砂进入混砂机对混砂造成不利影响型砂质量波动大；粉尘在混砂机内积聚，降低混砂机生产效率；3转子不能充分发挥作用，工作效率不高；4正常规定混砂周期内型砂湿压强度013MPA5型砂有结块，松散度差6混制高湿压强度的型砂则生产率下降较多。（3）型砂松散度好。017022MPA，无结块，松散良好。转子功率与供砂功率比较转子驱动功率与供砂刮板的驱动功率之比约为12，主要功率用于驱动刮板转子驱动功率与刮板驱动功率之比约为2181,主要功率用于转子混砂,是名符其实的转子混砂机转子驱动功率与底盘驱动功率之比约为3141,主要功率用于转子混砂,是名符其实的转子混砂机设备维修性1刮板与底盘有很高的相对运动速度,故刮板与底盘衬板磨损快,寿命短,维修费用高；2设备较简单,维修性好1回转机构较复杂，要求密封和润滑严格,维修工作量大；2刮板与底盘相对运动速度一般,刮板和底衬板寿命一般1固定安装的刮板与缓慢转动的底盘相对运动速度低,刮板和底盘衬板磨损小,寿命长,维修费低；2设备结构简单,维修工作量小其它1可直接从机内取砂样侧面；2价格较低1可直接从机内取砂样侧面；2价格中等。1直接从机内取砂样困难，需通过专用取砂样机构；2价格较高。代表机型国产S14系列、SIG系列、GS系列国外DISA公司TM系列，KW公司WM系列。RTM系列，MXC系列，SAM系列国产S18系列德国EIRICH公司DW系列和R型系列。混砂期间水分过度蒸发要求较多的加水量，导致混砂周期延长，生产率下降；当旧砂温度高于700C时，粘结剂（膨润土）就很难附着在砂粒表面，需较长的混砂时间。3）旧砂温度高，混出的型砂温度也高容易粘附型板，起模困难，型废增加；造型时必须加热模板，造成与之接触的砂型表面水分蒸发，引起松散，强度降低掉砂，增加铸件砂眼、冲砂、夹杂物等缺陷，能耗也增加；冷的芯子放入热的型腔里，砂中水汽容易在芯子表面凝结成水分，铸件产生气孔倾向增加。（2）旧砂冷却的方法、机理和条件1）旧砂冷却的方法考虑到经济性，排放物对环境污染及可随意使用和容易得到等因素，国内外普遍采用给旧砂加水，利用水分蒸发吸热的方法来冷却旧砂。根据测算，砂中每蒸发1的水份，可以使热砂温度降低23250C。2）要使热旧砂得到冷却必须具备三个条件砂子必须是湿的；砂子必须与空气充分接触；必须有足够的风量将蒸发的水汽带走。3）旧砂冷却系统的组成（见图4）图4旧砂冷却系统组成示意图注有的加水设在砂冷却器内，可以不用增湿搅拌器（3）常用旧砂冷却设备的比较及选用双盘砂冷却器、振动沸腾冷却装置、冷却滚筒和冷却提升机是铸造厂常用的砂冷却设备。这些冷却设备的比较及选用见表4。常用砂冷却设备的比较及选用表4设备名称特点适用场合双盘砂冷却器（1）运行平稳（2）冷却效果尚好，能耗高（3）砂子被冷却同时有予混功能（4）驱动装置较复杂（5）进风口埋在砂里易被堵死（1）用于与造型线配套冷却旧砂（2）可作为混砂机前道予混砂设备振动沸腾冷却装置（1）旧砂冷却效果好，电耗也低（2）结构较庞大，占用面积大（3）除尘罩和振动床间软连接容易损坏，需及时更换，维修工作量大（4）有振动噪音（5）床板孔眼易被堵塞，需定期清理（1）用于与造型线配套冷却旧砂（2）用于对旧砂温度要求敏感的场合冷却滚筒筛（1）热砂在滚筒内与空气接触尚可，冷却效果较好用于大量流水生产的旧砂冷却（2）有筛分和破碎作用（3）设备自重大（4）设备简单，维修量小冷却提升机（1）热砂与空气接触不充分，冷却效果差（2）兼有旧砂提升功能（1）用于生产率较低对型砂要求不是很高的场合（2）要求有提升旧砂功能的场合（4）混砂机内冷却旧砂的混砂机带冷却功能的混砂机有两种1）德国EIRICH公司VAC型真空冷却转子混砂机该种混砂机是在R型混砂机基础上开发的，其原理是利用负压下（真空度为2050KPA）水的沸点降低，容易汽化而带走旧砂热量的原理。在15分钟内可以使混砂机内旧砂从1000C降低到400C左右。使用该混砂机可省去冷却设备，减少环境污染，节省电耗，在真空冷却期间膨润土在蒸汽环境下被快速活化，型砂抗压强度高。但是，它延长了整个混砂周期，混砂机生产率下降较多。为了保持真空，对混砂机密封性能要求严格，设备维修工作量大，维修费用高。2）常州通力MXC冷却混砂机该种混砂机在RTM变频混砂机基础上开发。水、物料加入混均匀后鼓入空气，使砂子呈沸腾状态，空气与砂子充分接触汽化带走砂里热量。冷却是在常压下进行，用4050秒时间使砂子降到500C以下。这种方法不用砂冷却设备，减少污染，节电并简化系统流程，但对生产率有影响。（5）RCT带冷却功能滚筒筛RCT滚筒筛集筛分及冷却功能于一体，在日资铸造厂使用较多。加湿的热砂进入RCT后，通过勺式导向板把热砂从滚筒底部带到顶部像下雨式淋下，同时与砂前进方向相反进行抽风，水大量蒸发带走热砂中的热量。夏天出口砂温不大于480C，冬天一般在220C以内，含水量可按工艺要求控制。滚筒简单，免维护，能耗大大降低。47砂处理工部设计需考虑问题（1）砂处理工部布置设计砂处理系统应考虑物流畅通，流向合理，维护管理方便，同时它是铸造厂主要污染源之一，应尽量减少对其它工部的影响。（2）与造型线相互关系垂直分型射压造型线的用型砂点和落砂点在造型线两端，采用三段塔式水平直线串联布置砂处理，混砂和型砂输送系统尤为合适。由于造型线占地长而宽，可平行分段、靠近匹配、顺序整齐布设除尘系统，系统阻力小，外观整齐，通道畅通，维护清扫方便。对于水平有箱造型线，由于落砂点与用型砂点相距较远，则采用“U”形往返式布置，将整个砂处理系统布设在15M15M24M24M方形或矩形独立厂房内。（3）除尘系统管道砂处理系统工作中由于粉尘含水汽高，应采取保温和防堵塞管道的措施，对除尘器要求也高。（4）根据生产工艺要求选用砂冷却设备生产结构复杂、质量要求高的铸件一般要求型砂质量好且稳定，应选用冷却效果好的砂冷却设备。（5）振动冷却设备和鼓风机噪声大，应安装在主厂房外或用隔音室进行隔音处理。（6）使用双盘砂冷却器和振动沸腾冷却装置应设有当设备停机检修时供旧砂循环的旁路通道。（7）回砂及型砂输送皮带机应尽量靠厂房墙壁布置，除尘系统尽量安装在主厂房外。第5章制芯工部砂芯通常用于形成铸件内腔或孔洞。制芯一般单独制备，然后由人工或下芯机放置到造好的铸型里。由于浇注后除芯头外，大部分砂芯都被液态金属所包围，因此砂芯应该比铸型有更高的常温干强度和高温强度。制芯工部的任务是为造型工部提供合格砂芯，本工部主要生产工序包括制芯、烘干、修芯、组合、装配、上涂料、二次烘干、储存运输等。51制芯设备的种类和选用目前铸造厂所使用的各种制芯方法中，主要以壳芯（型）法、热芯盒法、温芯盒法、冷芯盒法为主。冷芯盒法又分气硬冷芯盒法和自硬冷芯盒法。冷芯盒法制芯因其生产率高、节能、砂芯尺寸精度高、发气量低、芯盒寿命长、变形量小，铸件表面光洁、尺寸精度高，浇注后落砂溃散性好以及适应性好等优点被广泛采用。以砂芯硬化的方式，制芯设备可分为五大类（1）壳芯机用覆膜砂制砂芯，芯盒必须加热到2302900C，使砂芯仅外表层受热硬化，内部未被硬化的覆膜砂通过翻转机构反复多次翻转后倒出形成壳芯。（2）热芯盒制芯机芯盒必须加热至2002500C，使砂芯整体受热硬化。（3）温芯盒制芯机芯盒加热温度低于1750C，使砂芯整体加热硬化（其制芯机可与热芯盒制芯机通用）。（4）冷芯盒制芯机制芯时无需加热，在常温下整体硬化。（5）多功能制芯机可用两种或两种以上不同硬化方式制芯。对于大批量生产砂芯的制芯机，设备的自动化程度要求较高。如要求设备能全自动运行且具备自诊断功能，有手动操作、半自动操控功能。52常用制芯工艺和设备的选用树脂砂制芯工艺按固化条件大致可分加热固化和冷芯盒法两大类。（1）加热固化法加热固化法是砂芯经过外部热源加热，使砂芯在一定温度和时间下固化形成的一种制芯工艺。目前铸造厂广泛使用的有壳法和热芯盒法两种。1）壳法壳法制芯采用的覆膜砂流动性、充型性和存放性好，常温和高温强度较高，容易获得尺寸精确的砂芯；可制成中空或薄壳的重量轻、透气性好的砂芯，容易搬运；可生产出表面光洁、尺寸精确的铸件；覆膜砂消耗小，清砂也容易；可以长期存放。目前市场上有商品覆膜砂供应，铸造厂可根据铸件的种类和不同结构要求选用合适的覆膜砂。壳芯机是用覆膜砂生产空心砂芯为主的制芯设备，制壳的方法有翻斗方法和吹砂法。吹砂法可分底吹法和顶吹法两种。顶吹法在壳芯盒上方通入低压压缩空气，芯砂充填性好，适合制较复杂的砂芯。底吹法芯砂由芯盒下方吹入，充填效果较差，通常用于生产结构形状简单的小砂芯，自动化程度低。大批量生产中应用的壳芯机以顶吹法为主。常用壳芯机主要有K8系列、95系列、Z96系列和德国MSA系列壳芯机。2）热芯盒法热芯盒法制芯是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂，射入加热到2002500C温度的芯盒内，贴近芯盒表面砂芯受热，其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。由于只要砂芯的表层有数毫米结成硬壳即可自芯盒内取出，中心部分的砂芯利用余热和硬化反应放出的热量即可自行硬化，因此芯砂制备简单，硬化快，砂芯强度高，尺寸精确，溃散性好。缺点是砂芯厚度受到限制，由于截面硬化不一致而造成制芯破损率大，能耗多，劳动条件差。芯砂流动性差，存放性不好，吸湿性大，含氮量也高，易造成铸件气孔缺陷。当芯盒加热固化的温度低于1750C时（它取决于所采用的树脂和固化剂）则称为温芯盒法。目前热芯盒法已逐渐被冷芯盒法制芯所取代，部份还将热芯盒法制芯机改造后用覆膜砂制芯，用来大批量生产强度高、形状复杂和薄壁高强度砂芯，也可改造用于冷芯盒法的制芯机。热芯机常用有Z86系列、ZHTO系列、Z94系列、2ZZ86系列、SLC系列、SHA系列和SVA系列等。（2）冷芯盒法将原砂与冷芯盒树脂混合后吹（射）入芯盒，然后吹入气体固化剂，砂芯即在常温下快速固化，净化残余的固化剂后即可出芯。这种工艺目前最常用的是三乙胺法和SO2法。1）三乙胺法三乙胺法使用的粘结剂为双组分，组分是液体酚醛树脂，组分为聚异氰酸脂，将组分和组分加入原砂混匀吹（射）入芯盒，然后通入以空气、CO2或氮气为载体的三乙胺，使砂芯在数秒之内硬化，再用干燥的空气将剩余的三乙胺冲净后，砂芯即可取出使用。三乙胺法固化时间短，砂芯强度高，存放期长，落砂溃散性好，可制复杂大小不同的芯子。2）SO2法在原砂中加入115的酚醛或呋喃树脂及有机过氧化物（约占树脂重量的40）混制芯砂。芯砂吹（射）入芯盒后，向砂芯通SO2气体使砂芯很快硬化。这种方法的好处是热强度高，出砂性好，发气量低，浇注时烟雾小，强度增加快，生产率高，劳动强度小，节能。其缺点是腐蚀性强，整个系统要严加密封，不能泄漏；过氧化物易燃需妥尚保管。由于芯盒特别容易积垢（树脂堆积物）而很难清理，给流水生产带来麻烦。冷芯盒工艺中，三乙胺法和SO2法都要求把液态硬（催）化剂转变为气（汽）态来应用，这就需要使用气体发生器。雾化式气体发生器适用于生产不同批量和大小的砂芯，但硬化效果比其它的差；发泡式气体发生器结构简单，适用于生产不同批量的中小砂芯，但定量不准确，生产率低且体积大；汽化式气体发生器适用于各种砂芯的生产，可供多台造芯机同时使用，但它需要加热，要求发生器距造芯机较远；汽雾式气体发生器可用于各种砂芯的生产，可供多台造芯机同时使用，兼有汽体式和雾化式两种的优点，硬化速度快，生产率高，但结构较复杂且需加热。冷芯盒制芯机主要有Z84系列、ML系列、MLA系列、MLB系列、MLC系列，德国L系列、LT系列、LF系列、LB/LFB系列、LCM系列和CB/FC系列。53制芯工部平面设计需考虑问题1）砂芯和造型线的距离尽量短，芯砂和制芯运输距离短；2）大批量生产的制芯车间应独立，或设置在靠车间墙壁，或尽量与辅助跨相近，以便于通风除尘和避免粉尘及废气污染其它工部。3）制好的砂芯不要直接摆放在地面，而应放在垫板或运输架子上，避免吸潮。4）造型线需要芯子品种和种类较多时，必须有足够大的贮存库面积，保证各种砂芯有一定贮存量。5）每一条造型线应单独设计专用砂芯供应线。第6章清理工部在铸件生产中，清理是最后一道工序，它包括落砂后铸件的冷却、清砂、去除浇冒口、表面清理、表面铲磨、热处理、缺陷修补、铸件各项检查及防锈涂底漆等工作，有的还