No3湿型砂混砂批料的自动控制-关于混型砂的混砂工艺-高密度湿型的型砂性能要求

1、目录湿型砂混砂批料的自动控制 于震宗 1前言 11.混砂加水量的自动控制“本批控制” 12.型砂的在线监测和批料中膨润土和煤粉加入量自动控制“下批控制” 23.计算机预先计算出膨润土和煤粉加入量的自动控制“预防控制” 34.讨论 6关于混型砂的混砂工艺 于震宗 91.前言 92.几种常用的混砂机类型 93.混砂效率和混砂生产率 114.混砂机的保养和维修 135.结论 13高密度湿型的型砂性能要求 于震宗 14前言 141.紧实率和含水量 152.透气率 153.湿态强度 164.型砂含泥量 195.型砂粒度 196.有效膨润土量 207.型砂的有效煤粉量 218.热湿拉强度 219.型砂韧性

2、和起模性 2210.型砂流动性和可紧实性 2311.结束语 24湿型砂混砂批料的自动控制于震宗（清华大学 100084） 2003/6摘要：本文首先简略叙述国内常用的湿型砂中水分的自动控制，然后介绍国内外关于膨润土和煤粉加入量的自动控制方法概况，并对我国铸造工厂应用可能性提出看法。关键词： 湿型砂 混砂 自动控制前言 湿型砂在混砂时加入到混砂机中的各种材料统称为批料，其中占绝大部分的是用回用旧砂，另外还要补加适量的水分、新砂、膨润土、煤粉等材料。所加入的各种材料的重量比例关系成为批料配方。如果所生产的铸件品单一或结构相近，旧砂中膨润土、煤粉的烧损量和溃碎砂芯的流入量比较稳定，批料配方中的膨润土

3、和煤粉的补充加入量可以基本稳定不变。由于回用旧砂可能或干或湿，只需要调整混砂加水量使型砂最终的干湿程度符合规定，这是比较容易实现自动控制的。但是，假如同一型砂系统的造型线生产多种铸件，铸件大小和厚薄、砂铁比高低等具体条件不同，再加上砂芯多少不等，溃碎砂芯流入量不同，就会使回用旧砂中的有效膨润土、有效煤粉及灰分含量差别激起明显。在这种情况下，虽然加水量的自动控制仍然容易，但混砂批料配方中膨润土和煤粉等材料补加量有很大区别。目前绝大多数铸造工厂仍然是靠经验来人工调整混砂批料加入量的，因而导致型砂性能经常波动。为了使型砂质量稳定和生产成本降低，人们开始试图采用计算机技术解决这一难题。混砂批料的自动控

4、制可以分为：本批控制、下批控制和预防控制三种1 混砂加水量的自动控制“本批控制” 我国仍有很多铸造工厂靠定量水表或定量水箱将水加入混砂机的型砂中。如果回用旧砂中有未浇注的砂型，就会使混制出型砂含有过分高的水分。经过周末或假日尚未落砂的砂型可能使回用旧砂变干，混制出型砂就会有过分低的水分。必然造成型砂的含水量和紧实率都产生极大波动。还有些铸造车间中完全靠混砂工人手工操作给水阀门，根据手捏感觉和混砂机中型砂翻滚或粘附混砂机侧壁现象控制加水量。这种办法要求混砂工人具有丰富经验，并且经常用型砂实验室用仪器测得数值核对手和眼睛的感觉。这样混制出型砂干湿程度也有较大误差。目前我国已有一些工厂的混砂机安装有

5、混砂加水的自动控制装置，使型砂卸砂时的干湿程度已符合规定的要求。常见的自动控制方法有两大类：1.1 一次性加水有些混砂机的自动加水装置是用电容法测定出称量斗中回用旧砂的含水量，连同测得的旧砂温度和砂量，计算出向混砂机中加水量；或者是用电阻法测得混砂机中干湿物料的含水量和温度后计算出加水量，自动控制电磁水阀一次将水加足。1.2 连续加水混砂时陆续加水并随时测得型砂的成型性、紧实率或导电率，直至达到设定值后自动关闭电磁阀停止加水。有以下三种形式：成型性：用成型性判断型砂干湿程度来自动控制加水装置的工作原理与圆筒筛测定成型性是相似的，也是根据型砂是否容易通过细小开口来确定干湿程度。区别是采用带有窄缝

6、隙和宽缝隙的振动槽替代了转动的圆筒筛。在向混砂机连续加水过程中不断取出砂样，根据砂样能否从窄缝和宽缝落下和阻挡光电管光源来判断型砂是否已达到所要求的干湿程度，以此自动控制加水阀门。这种装置在国内也有应用。工厂经验表明，为了装置正常工作，必须保证经常擦洗光源和光电管的玻璃表明，以防聚集尘土阻挡光线通过而失灵。紧实率：其后的改进装置取消了光电检测部分，改用一只以水平轴旋转的轮子。在向混砂机连续加水过程中，从混砂机不断取出型砂经由振动槽向钩槽内送砂刮平，上面有另一只宽度比沟槽稍窄的从动轮对沟槽中型砂压实，其压下距离就代表紧实率。当紧实率符合要求时停止向混砂机中型砂加水。这个办法的原理与用试样筒测定紧

7、实率相似。由于沟槽的深度有限，压实时沟槽中型砂会侧向滑动，以致控制精度不高，现已较少采用。目前应用最成功的自动化紧实率加水控制装置与型砂实验室中测定紧实率的方法完全相同。由螺旋取样器自动从混砂机取砂，经漏斗进入试样筒。刮去多余的型砂后用压力为1Mpa的液压缸压实，使筒中型砂的紧实程度基本上与用冲样器冲击三次近似。用位移传感器测定压砂行程，靠微机计算出紧实率。开始加水时型砂较干，测得紧实率低于规定值，需继续加水直到紧实率符合要求为止。国内有些铸造厂的混砂机安装有从国外引进的混砂紧实率自动控制加水装置。有的控制仪在加水后每15-16s自动从混砂机中取样测定一次，还有一种装置约两分钟取样测定一次，控

8、制效果都较良好。导电率：也可以边加水混砂，边测出混砂机中型砂导电率，并用砂温修正后得出实际含水量，与设定含水量比较后计算机确定出补充加水量，控制电磁水阀加水。有几家外国公司的产品属于此类。我国已有多家铸造工厂应用这种装置。以上三种加水量控制方法都是对正在混制中型砂批料进行控制，因此可称为“本批控制”。2 型砂的在线监测和批料中膨润土和煤粉加入量自动控制“下批控制”国内外有些研究和单位研制出多种型砂多性能在线自动监测装置，有的与成型性或紧实率从混砂机自动取样监测装置结合在一起。还有的安装在混砂机的卸砂溜槽或卸砂带式输送机旁，自动由混制好型砂取样。这些装置除了测定紧实率以外还增加了测定湿态强度（湿

9、剪强度或湿压强度）、温度、含水量、透气率、剪切变形量和砂型硬度等。自动将型砂参数的实测值与预先规定的目标值相比较，由计算机算出以后批料配方中膨润土应有的补加量。因为水比较容易分布均匀，每次加水后估计约十几秒钟（快速混砂机）或三、四十秒钟（碾轮混砂机）后即可达到紧实率基本稳定阶段。所以在混砂机中陆续加水和随时取出样测定紧实率来判断是否已达到规定值是比较方便的。但是膨润土的分散和包裹砂粒比较费时，即使紧实率保持不变，一次加入膨润土后型砂湿态强度会随着混砂时间的延长而缓慢变化。混砂机的工作周期时间有限，在很多工厂中混砂结束时膨润土可能仍未完全发挥出粘结强度。所以不能简单地从正在混制的型砂中取样测得还

10、在变化的湿态强度作为下一批型砂的批料加料设备的调整信息，使以后混制出的型砂具有设定的性能。国外有些单位研究由型砂湿态强度在混砂过程中的变化趋势建立起教学模型，预测出最终的湿态强度和紧实率，从而用来确定本批型砂所补加的膨润土和水是否已够，并确定所需要的继续补加量。这种办法还有待于进一步研究和发展。我国通常使用发气量方法测定有效煤粉量，而国外则是用测定型砂的含碳量、灼烧减量和挥发分含量的办法推测有效煤粉含量。由于型砂中的有效煤粉含量较难用在线方法检测出来，通常是根据工厂所用膨润土和煤粉的材质不同而将二者的比例固定，使煤粉的加入量随膨润土的补加量而异。例如有一些铸造工厂的高效煤粉加入量是优质膨润土加

11、入量的1/(2.53)。3 计算机预先计算出膨润土和煤粉加入量的自动控制“预防控制”如果在一个砂型系统的造型线上生产几种铸件的砂铁比不同、砂芯流入量不同和铸件工艺参数不同，则回用旧砂中的残留的有效膨润土、有效煤粉含量都不相同。假如仍然按照固定的批料配方所规定的膨润土和煤粉补加量进行加料和混砂，即使型砂紧实率符合要求，也必然会造成型砂性能波动和铸件废品率增高。人们早已普遍认识到生产多种铸件的型砂系统应当根据每天的生产计划来改变膨润土和煤粉的加入量。例如80年代初期资料介绍德国Buderus铸造厂的工长按照铸件重量改变膨润土和光亮碳材料的补加量（德国铸造行业习惯将煤粉等铸铁件抗粘砂材料称为光亮碳材

12、料）。在表格中将铸件重量分为13个级别，例如铸件重量级别为2030kg的膨润土和光亮碳材料定量给料器加入时间分别为6s和3s；铸件5060kg的加入时间分别为10s和5s1。其后有些人更加细致地从各种铸件的膨润土和煤粉烧损量、溃散芯砂流入量等方面计算补加量211。自从计算机的功能日益提高和使用日益普遍后，又试图根据生产计划安排用计算机预先确定膨润土和煤粉配方的自动控制方法5!2。以下将简要介绍其内容、应用概况。3.1 膨润土和煤粉的损耗金属液烧注入砂型后，热量使靠近铸件表面的膨润土受热烧损。膨润土的损耗程度取决于(1)膨润土本身的热稳定性：包括钠化程度、矿物组成、化学成分、结晶构造等。例如天然

13、钠土的烧损低于钙土，活化膨润土的热稳定性也高于未经活化处理的钙土。由于还有些未知因素的影响，各种膨润土的热稳定性必须具体测定，不能一概而论。(2)热量作用大小：包括砂铁比、冷却时间等。例如砂铁比低的铸件热量对型砂中膨润土的烧损作用更强些。冷却时间短的铸件对膨润土的烧损更少些。GF公司Mettmann铸造厂的试验工作证明烧注后65min落砂的膨润土烧损比120min落砂的少2。有些铸造工厂通过大量反复的试验工作或几个月膨润土和煤粉实际消耗量的统计工作，得出针对该工厂中铸件所使用原材料的烧损系数。通常用烧注100kg铁，型砂每1%有效膨润土的烧损量kg来表示膨润土的烧损系数，如下所示：膨润土的烧损

14、系数：AB* = 膨润土kg / 型砂有效膨润土量% / 100kg铁Mettmann铸造厂测得结果：膨润土是0.350.58kg / 1%有效土 / 100kg铁。即膨润土的烧损系数（AB*）= 0.350.58。光亮碳材料是0.140.27kg / 1%光亮碳材料 / 100kg铁。即光亮碳材料的烧损系数（AC*） = 0.140.272。其他人给出的膨润土烧损系数（AB*）各不相同。美国Heine得出怀俄明天然钠土为0.19，南部钙土为0.44；而Vingas则分别为0.16和0.275；荷兰Levelink测得0.25；德国铸造技术研究所的结果是膨润土烧损量随铸件壁厚增加而降低，壁厚为

15、10、20、50、100mm时，膨润土烧损系数对应为0.47、0.35、0.23、0.173。瑞士Hofmann调查5家铸造厂膨润土烧损系数，结果表明除了与膨润土来源有关，而且与砂铁比( S / M )有关。这5家铸造厂的膨润土类别和有效土量、砂铁比、膨润土烧损系数分别如下；德国活化土9%、S/M=9、AB*=0.22;德国活化土10%、S/M=5、AB*=0.525；德国活化土10%、S/M=10、AB*=0.175；美国南部钙土7%、S/M=9、AB*=0.205；德国活化土10%、S/M=7、AB*=0.364。德国KHD铸造厂生产曲轴箱、汽缸头等铸件，测得烧损系数(AB*)：膨润土为0

16、.85；灰铁件的光亮碳材料烧损系数(AC*)为0.450.55，球铁件为0.350.45。型砂原来的有效膨润土含量为8.0%，按上面公式计算烧注第一种铸件时热作用使旧砂的有效膨润土降为7.03%，第二种铸件的有效膨润土降为6.96%，第三种铸件的有效膨润土降为5.68%5。3.2 溃碎砂芯的流入和型砂的更新树脂砂芯受铁水的热作用后，铸件落砂时大部分溃碎后混入回用的旧砂中。流入旧砂的砂芯量占旧砂量的比例因工厂的生产条件、铸件种类等众多因素而异。必须通过试验测定才能确定各工厂中各种铸件的溃碎砂芯流入量。例如：Mettmann铸造厂8种铸件的芯砂流入量占相应砂型中旧砂量的0.144.25%2。Har

17、zer铸造厂生产汽车球铁件和灰铁件，砂系统不加新砂，只靠溃碎散芯砂流入。芯砂流入量最多可能达到型砂总量的12%6。第一汽车公司第二铸造厂三种汽缸体铸件落砂时砂芯溃散流入旧砂中的量按砂芯重量的80%计算，分别占相应砂型旧砂量的1.96%、3.25%、4.4%7。德国KHD铸造厂使用冷芯盒砂芯和壳芯。其中第一种铸件无砂芯流入，落砂后该砂型旧砂中有效膨润土仍如前面所述的7.03%。第二种铸件的砂芯有90%流入旧砂中，占该砂型旧砂量的6.7%，连同热作用的影响，使该砂型的旧砂中有效膨润土量为7.0%。第三种铸件中砂芯重量较大，有70%的砂芯流入旧砂中，占该型 量的16.0%，连同热作用的影响，使该砂型

18、的旧砂中有效膨润土量下降成4.8%5。由此可见，生产芯砂流入量不同的铸件时，需要在混砂时补加的膨润土和煤粉量应当有很大差异。混砂时向型砂中加入新砂的作用有以下三个：补充因排出废砂而造成的砂粒损失；调整粗粒芯砂流入而造成的砂粒粗化；冲淡浇注热量造成的失效膨润土失效煤粉等灰分。Mettman铸造厂的经验是如果灰分含量大于3.0%，就会使型砂的比表面积增大，还会干扰所要求的热湿拉强度2。也有人提出灰分不得超过3.25%8。如果型砂中灰分过高，就会迫使型砂加入更多的膨润土，同时也需要提高型砂含水量，从而使铸件缺陷增多。应当及时加入新砂来冲淡灰分，极端情况下需要大量加入新砂并大量排掉旧砂，以免系统中砂量

19、过多。很多人都认为计算膨润土和煤粉补加量时可以将流入的溃散砂和加入的新砂混在一起考虑，两者都同样起型砂更新作用。Egen认为实际上溃散芯盒新砂的加入量通常是1025kg/100kg铁3。但我国有些工厂的溃碎砂芯和加入的新砂总量较高7，原因可能是所选用的膨润土粘结强度和热稳定性较差、煤粉含灰分过高，以致型砂含泥量偏高造成的。3.3 膨润土和煤粉补加量的计算如前所述，加入到混砂机的回用旧砂中膨润土和煤粉的残留量不但受烧损等损耗的影响，也受砂芯流入量的影响。除尘器也有影响，但是为了简化计算大多数将此项忽略不计。补加量通常是按照Egen给出的公式进行计算3，各单位所用计算公式只有微小变化211。以下举

20、例说明Mettmann铸造厂所用膨润土补加量计算公式2：b = Bact × 0.01 × ( SN + SK ) + AB* 式中：b 膨润土补加量，单位为kg/100kg铁； Bact 型砂中有效膨润土设定值，%； SN 新砂加入量，单位为kg/100kg铁； SK 流入旧砂的溃散砂芯量，单位为kg/100kg铁； AB* 膨润土烧损系数，kg/有效膨润土%/100kg铁。煤粉的烧损系数确定方法与膨润土类似。国外有的铸造工厂近似地用含碳量、灼减量或挥发分来估计煤粉的有效含量。该厂的光亮碳材料设定量与补加量都按含碳量计算，所采用的亮碳加入物量计算公式如下：c = C &#

21、215; 0.01 × ( SN + SK + b ) + AC*式中：SN 、SK 、b同上式； c 光亮碳材料补加量，单位为kg/100kg铁； C 型砂中含碳量设定值，%； AC* 光亮碳材料烧损系数，kg/有效碳%/100kg铁。3.4 型砂批料配方的膨润土和煤粉自动控制方案 如图所述，用同一型砂系统分阶段生产多种厚薄、结构和重量相差悬殊的铸件时，煤粉、膨润土的烧损明显不同，溃散砂芯混入量也不相同。为了防止型砂性能过分波动、铸件缺陷增多和节约附加的用量，国外开始重视型砂质量的预防控制（或称为型砂质量的平衡控制），也就是混砂批料的预防控制。其要点是通过大量试验得出各种铸件（或各

22、组类似铸件）的膨润土和煤粉烧损量、芯砂流入量、除尘损失量。根据公式计算出这些铸件的膨润土、煤粉补加量，并确定新原砂加入量。也可以根据该铸件在生产期间的物料消耗量调查出实际补加量。根据生产计划所安排的铸件模板号，利用计算机来自动控制混砂机的批料配方。在开始阶段使用型砂实验室仪器或多功能在线监测仪检测型砂性能是否符合设定值。如有需要就调整附加物加入量。关于中的具体做法有两种，可以用Harzer铸造厂的混砂机批料配方预防控制为例子。该厂曾经使用“背包袱控制法(Huckepack-Verfahren)”，可以理解为“叠加控制法”，即预先将计算出膨润土和亮碳材料补加量加入到生产该铸件的型砂中，提前补足附

23、加材料的烧损，使回用旧砂中各种材料含量基本稳定不变。这种办法比较容易实现。但该厂经使用后发现虽然回用旧砂的有效膨润土量相当稳定，而造型用型砂的有效膨润土实际含量超过了目标值。高膨润土量导致型砂含水量增高，混砂效率下降，型砂中团块增多，流动性变差，极端情况时产生爆炸粘砂。后来改用“随砂箱控制法(Kastenbezogen Steuerung)”,即每一箱铸件落砂前，自动将砂箱中模板号、铁水量、浇注与否等信息通告给控制系统，有造型材料平衡计算机存储的砂箱信息中自动查出该铸件回用旧砂的各种材料损耗量、芯砂流入量。并且自动计算出混制型砂所需膨润土、光亮碳材料、新砂等材料的补加量。计算机将这些数据存储起

24、来，等待一段时间间隔后，当该批旧砂开始送到混砂机中时，按照计算出的膨润土、亮碳材料等材料的补加量自动控制加料。同时混砂机加水设备在此阶段中将本批型砂调整到要求湿度。该厂采用此控制系统后，型砂中有效膨润土量和含碳量稳定在设定的目标范围内。铸件缺陷减少，表面品质良好。取样检验频率由每日6次减为4次6。4 讨论1）如前所述，型砂加水量自动控制技术已经成熟，国内有一些铸造工厂使用进口的检测控制装置后湿型砂质量大为提高。但是，几种国外产品的价格都较昂贵，超过了我国大多数工厂的承受能力。目前国内研制的成型性加水量控制装置的质量并未稳定，而且受混砂机操作平台的位置限制而影响光电仪器玻璃的擦净工作，大多半途而

25、废。电阻法水控装置用于碾轮式混砂机的信号输出与中心加水管的结构复杂，也还需要通过更深入的试验研究得出砂温对电阻信号的影响。可能这种装置用于转子式混砂机的结构稍简单些。国内有的单位研制的紧实率法控制加水装置是基本成功的，提高其稳定性和耐用性后即可推广使用。但各研究单位似乎未重视向生产的转化，而将注意重点转向“水平较高的”型砂多性能测定仪器。2）型砂多性能在线自动监测装置大多安装在混砂机的卸砂溜槽或卸砂带式输送机旁，测定结果与计算机相连，计算出应有的膨润土补加量可供下批混制型砂时参考应有。也有个别装置是从混砂机中陆续取样测得紧实率、温度和强度等性能，但其中只是紧实率对型砂的本批控制有用。混砂中途测

26、得的强度并非终强度，不能用来调节本批型砂所应补加的膨润土量。3）用计算机预先得出混砂批料加入量的自动控制型砂质量的方法是比较理想的。但是并非适用于各种铸造工厂。如果铸造厂中一个砂系统所供应的造型线只生产单一（或近似）品质的铸件，就无需采用计算机进行混砂批料配方的预防控制。如果一个砂系统供应两条或多条造型线各自生产多种结构不同的铸件，用计算机预防控制的难度极大，也不适宜贸然采用。还应当注意到各种参数并不能简单套用资料中给出的数据。例如同样质量和壁厚的两种铸件，一种无或少砂芯，铁水热量基本上全部作用到型砂；另一种铸件的内表面大部分有砂芯组成，铁水接触型砂不多；生产这两种铸件时，不但芯砂流入量极其悬

27、殊，而且膨润土和煤粉的烧损系数也大不相同，不能单纯用铸件重量计算出膨润土和煤粉的烧损量。由于各厂所用的原材料的品种不同，造型和砂处理工艺条件也不全相同，必须逐个铸件进行各种参数的具体测定。此外，实行“背包袱法”计算机管理的控制目标只是保证旧砂性能稳定而预先多加膨润土和煤粉，不如“按砂箱法”合理。但是如果旧砂仓挂料和不能保证“先进先出”就难以确定旧砂循环回用的周期长短，也就不能准确判断进入混砂机的旧砂来自哪种铸件。4）从保证型砂质量和铸件质量出发，即使暂时不采用混砂批料加入量计算机预防控制，也应该测定出本厂生产各种铸件的膨润土和煤粉烧损率和芯砂流入量。从而可以更准确地判断铸造该种铸件的原材料合理

28、加入量。如果所生产的铸件种类多和结构不同，也可以采取简化办法将铸件分为若干小组，分别确定该组的各种参数。试行后定会提高型砂和铸件质量，也将会节约型砂元材料的消耗量。参考文献1. Berndt H.:Neue Aspekte in der Aufbereitungstecknik und Qualitaetssicherung von tongebundener Sanden,Giesserei,1980,Nr.21,667675.2. Wojtas H.- J. et al:Optimierung einer Sandsystems und Einfurung einer vorbeugend

29、e Formstoffsteuerung,Giesserei,1996,Nr.10,1419;Nr.11,2529.3. Egen H. W.:膨润土砂配制过程中控制型砂成分的原理，造型材料，1986，1，7726（原文Gisserei,1984,Nr.8,319325;Nr.9,358361）.4. Hoffmann F.:Investigation on the Effect of Heat on the Bonding Properties of Varieous Bentonites,Trans.AFS,1985,337384.5. Ernst W. et al:Vorbeugende

30、 Rezeptseuerung durch Formstoffbilanzierung am Beispiel einer Graugussgiesserei,Gisserei,1996,Nr.12,1116.6. Ohlmes H. et al:Die kastenbezogene Ruecklaufsandsteuerung bei der Firma Harzer Graugusswerke GmbH,Gisserei,1998,Nr.6,4753.7. 陈浩等：型砂物料补加量的控制，中国铸机，1999，3，2428.8. Vingas G.J.：Green Sand System Co

31、ntrol:An Inventory(Mass Blance)Update,Trans.AFS,1997,279287.9. Vingas G.J.:The Inventory method:A Different Paradigm of Green Sand Control,Mod.Cast.1998,Feb.,3236.10. Berndt H.:回用膨润土砂系统自动监控的新方法，造型材料，1991，1，1420（原文Gisserei,1989,Nr.23,793798）.11. Berndt H.:型砂处理新进展，CP+T(中文)，1993，49.12. 吴浚郊等：型砂系统质量控制的新进

32、展，铸造，1999，12，4448.关于湿型砂的混砂工艺于震宗(清华大学 100084) 2003/6摘 要 当前常见的湿型砂混砂机有碾轮式、摆轮式和各种式样的转子式。国产混砂机与进口混砂机相比的明显区别是电动机功率小，对每批型砂输入电能不足，从而影响型砂性能不良。关键词 湿型砂 混砂机On the Mixing Technology of Green Molding SandYu Zhengzong(Tsinghua University,Beijing 100084)Abstrct For green molding sand,the usually used sand mixers ha

33、s three different types,namely wheel muller,speed muller and a variety of stirrer mixers.In compare with the imported sand mixer,the shortcoming of domestic made mixer lies in the power of electric moyors is too small,the imput energy to the sand is rather not enough.Thus the properties of molding s

34、and are normally quite poor.Keywords Green Molding Sand Green Sand Mixer1. 前言要想制备出优良品质的湿砂型铸件，必须使用性能优良的湿型砂。优秀品质湿型砂的获得，除了需要选用优质的原材料和有一整套较为理想的砂处理设备以外，还要有良好的混制工艺。以下讨论几种不同类型混砂机的混制工艺，其中包括结构特点，加料顺序，混砂时间等。并将分析比较使用进口与国产混砂机的关键性区别所在。2. 几种常用的混砂机类型 国内外铸造工厂常见的混砂机有多种类型，现择要介绍其特点和存在问题如下：2.1 碾轮式混砂机这是使用历史最为悠久的混砂设备。近年来

35、为了减轻滚轮重量采用了弹簧压力，为了加强搅拌作用轮缘侧面加装松砂棒，为了减少刮板磨损采用镶嵌硬质合金或陶瓷片。并且采取了在底盘和围圈铺设石板等等措施。这类混砂机虽然机构简单，然而需要较长时间的混合。这就是在铸造行业中纷纷出现多种其他结构不同混砂机的原因。目前碾轮式混砂机在我国应用仍然较多，但大多混砂作用不够充分。存在的主要问题为：传统的混砂加料方法是首先向混砂机中加入旧砂、新砂和粉料。干混两分钟后再开始加入水分。上个世纪50年代英国Parks认为在干混过程中膨润土和煤粉会偏析聚集到混砂机周围和底盘的夹角处。当加水后此处的膨润土和煤粉遇水形成粘土团，就要花更长的混砂时间才能将粘土团碾开分布到砂粒

36、表面。他主张混砂时加入回用砂和新砂后应先加入适量的水湿混，混均匀后再加入膨润土和煤粉。最后补加水达到所要求的型砂湿度。我国有一些人做过对比试验，结果表明先湿混的方法比先干混的型砂强度提高较快，随混砂时间的延长两者有接近的趋势，为达到所要求的湿态强度，先湿混的混碾时间比先干混缩短1/3到2/5。因此，如今很多混砂机都采用现向干砂中加水所需加水量的6075%左右进行湿混。加水停止后必须碾混1min左右，然后加入粉料。以后即可边混边补加水至紧实率或含水量达到要求和混砂时间足够为止。我国很多铸造工厂所用碾轮式混砂机的混砂时间严重不足。大部分原因是原设计的技术指标是按照过去低密度造型、低强度型砂制定的。

37、过去砂型的压实比压不足300400kpa，型砂的湿压强度不高于7090kpa。膨润土的品质有限，有效膨润土含量不高。如今高密度造型用型砂的湿压强度一般都超过140kpa，有的甚至达到200kpa以上，而且砂芯混入量增多都需长些混碾时间。原有的设计手册上规定的混砂机生产率已不适用。混砂机生产厂商提供的产品目录上注明的生产率至多只可按一半考虑。此外，高密度造型每箱需砂量比低密度造型大约多十分之一左右，原有期望的供砂量不能满足生产要求。因此国内很多工厂所能采取的救急措施是缩短混砂周期，我国铸造工厂常用的碾轮混砂机型号为S1116、S1118、S1120和S1122。根据产品目录给出数据，生产率(t/

38、h)除以每批加料量(kg)可计算得出每批型砂的混砂周期（包括加料和卸料时间在内）时间分别为2.602.70min/批。混砂周期长度严重不足，以致型砂性能逐渐恶化。国外有些铸造工厂使用碾轮混砂机的混砂周期比较充分。例如日本丰田汽车公司上乡工厂的自动控制碾轮混砂机有显示屏表示每15s检测出的紧实率、含水量和砂温。开始混砂以后直到289s时，型砂达到紧实率40%，含水量3.9%，砂温30以后开始卸料，估计其总混砂周期是6min。三菱自动车公司川琦铸造厂的碾轮砂机周期为6min。日本其它铸造工厂的技术人员也表示，碾轮混砂机的周期绝不应少于6min。为了提高生产率，美国Simpson公司生产出“8”字形

39、双碾盘连续碾轮混砂机，可以节省掉加料和卸料所耗费的周期时间。但是仍然遵循间歇式碾轮混砂机的设计规律，并未将节省下来的周期时间用于混砂工作，以致型砂的平均混砂时间仍然不足。而且必然有部分型砂循走捷径，晚进早出，混砂时间远低于平均混砂时间。因此混砂均匀程度值得怀疑。另外缺点是机器外形比较庞大。我国以前个别工厂也有使用，现大多改换其他混砂效率更高的混砂机。2.2 摆轮式混砂机与碾轮式混砂机的结构最大区别是具有两只或三只水平方向摆动的碾轮，碾轮的轮缘和围圈的内层包裹着橡胶衬套。随主轴旋转的刮砂板将型砂抛起到碾轮的碾压轨迹下。摆轮靠离心力向型砂碾压混合。摆轮式混砂机是一种高速混砂机，周期为2min左右。

40、我国原来仿制的SZ124型摆轮混砂机的每车加料量太少（只有0.6t），结构陈旧，缺少良好的配套装置。各厂所用的这类混砂机已趋于淘汰。但新由国外引进的摆轮混砂机则为三摆轮大容量、结构较新和具有全套鼓风机、排气叶片阀、型砂湿度控制、粉料回收膨胀箱等装置。辽宁某铸造厂进口一台属于中型的摆轮混砂机，每批混砂量90kg。国外最大型摆轮混砂机每批混砂量可达2.53.0吨据美国B&P公司介绍，一般情况下混砂周期只需90s，严格条件时也只要105110s。加料顺序较为奇特，在加入干砂以前先向混砂机中加入75%的水，让混砂机被水润湿。随即加砂，在混砂机中挂一层砂，可以减少刮板和底盘的磨损。时间分配：0-

41、5s加水75%,510s清洗，10-15s加入砂，1518s加入膨润土和煤粉，2580s混碾并吹风，在50s时根据型砂的湿度加入其余的水，8090s卸砂。该混砂机的鼓风机自底盘中心向型砂鼓风降温，加入粉料时有 板关闭暂停吹风，排风管道也有闸板暂时堵住风管，以减少粉料损失。围圈侧面有粉料膨胀管，粉料飞逸进入膨胀管后还可自行靠重力流回混砂机。德国Webac公司给出的摆轮混砂机周期85s，也是先加水，但水量按照量斗中砂的湿度而定，一次加入。2.3 转子混砂机德国Eirich公司生产的混砂机主要是单转子和斜角度25°底盘，生产率60m3/h。（另外还有一种容量较大的双转子水平底盘，生产率60

42、m3/h）。加水程序与碾轮混砂机先加入大部分水量进行湿混的办法不同，采用的程序是将回用砂、旧砂、膨润土和煤粉加入混砂机后先干湿。混匀后由混砂机中的检测探头测出干材料含水量和温度，由计算机确定应加水量，然后加水进行湿混。其防止粉料偏析而知混砂时间加长的主要措施是靠与混砂机围圈和底盘密切靠近的刮砂板将该处材料完全刮起。在底盘旋转到顶点附近时，此处的材料受重力影响向下滑落，全部恰好遭遇到线速度约16m/s高速旋转转子叶片冲击，而使型砂揉搓混合均匀。转子下端靠近底盘，几乎所有加料都能受到转子打击搅拌。而且Eirich公司规定的混砂周期较长(140s)，每小时混砂26批。国内外还有几种形式的转子混砂机产

43、品，例如KW公司MW系列转子混砂机和DISA公司SAM系列转子混砂机，以及国产S14系列混砂机等。都是采用静止底盘，靠中央设置持续旋转的大直径刮砂板将底盘上的砂料堆起，受高速旋转的转子叶片的打击而混合均匀。KW公司规定的混砂周期时间为135s，DISA公司规定为90s，我国S1420和S1425规定为120s。研究工作表面我国厂家推荐的周期时间可能偏少，无法使膨润土的粘结力充分展开，同样紧实率条件下型砂达不到湿压强度的最佳值。此外，我国尚有S13、S16等系列具有转子机的混砂机，工厂使用较少，本文步拟多述。3. 混砂效率和混砂生产率如前说述，有些设备制造公司在产品目录上标注的混砂机生产率可能是

44、指低密度造型用砂而言，也不排除设备制造公司有夸大生产率的嫌疑。这就是为何很多国内铸造工厂经常感到混砂速度赶不上造型的主要原因。铸造 应当确实知道所使用混砂机的真正混砂效率如何？是否已将足够的电能传输给了型砂？3.1 混砂机的混砂效率混砂机的混砂效率应当是铸造工厂的常规检查项目。检验方法是先按照工艺规定时间混砂，测定工艺试样的湿态抗压强度。然后再延长混砂时间1分钟，但需预先稍微加入少量水分以保持紧实率基本不变，再一次测定型砂试样强度，强度值将有不同程度的上升。如此每次延长混砂一分钟，并保持型砂紧实率稳定不变和测定强度，直到强度不再上升，即达到“峰值强度”为止。混砂机的混砂效率可以按下式计算：混砂

45、机的混砂效率（%） = （实际混砂强度）/（型砂峰值强度）由于强度接近平台区的升幅极为缓慢，通常认为生产实际中，型砂强度到达峰值的8590%左右即为最适合使用的强度。此时的混砂时间可以认为是混制该型砂的正确时间，工厂可以据此更正工艺规定的混砂时间要求。工厂混砂实际缺少时间（单位均为min）按下式计算：混砂实际缺少时间 = （达到8590%峰值强度的时间）-（实际混砂时间）清华大学曾检验某拖拉机厂铸铁的旧砂，试验结果表明为要达到峰值强度尚需继续混砂6min。又曾检验山东某动力机厂型砂使用S14系列转子混砂机的混砂效果，发现达到峰值强度的混砂周期应当是4.5min，建议工厂达到最适合使用强度的混砂

46、时间定为4.0min，明显高于设备制造公司推荐的混砂周期2.0min。为了简便，也可利用型砂实验室中小型混砂机做试验。取生产混制出的型砂在小混砂机中，保持紧实率基本不变的条件下不断增多混砂时间（每次1min）。检验方法和计算方法如同上面一样。有人提出更简单的办法，将型砂一次延长混砂时间5min，保持紧实率或水分不变情况下测定型砂强度，可以粗糙地计算出：混砂机的混砂效率（%）=（实际常规混砂强度）/（延长混砂5min后强度）此法虽然简单，但是得不出工厂混砂实际缺少时间，对工厂改进生产缺少一个重要参照数据。3.2 混砂机需要的电动功率和向型砂输入的能量型砂的混合均匀和表现出优秀的性能靠的是足够的电

47、能传输到型砂中，使型砂的膨润土在巨大的能量作用下，经过搅拌、揉搓和混合作用，才能均匀和分散地包覆在砂子颗粒表面上。因此，混砂机需要安装较大功率的电动机。分析比较国内外混砂机可以看出：混砂机的电机总功率（KW）至少应当是每小时型砂生产率（t/h）的一倍以上，否则不可能在规定周期时间内混制出良好的型砂。例如Eirich公司的倾斜底盘转子混砂机电动机容量与小时生产率之比大致在2.62.8；DISA公司的SAM-3和SAM-6的电机功率生产率之比基本在2.242.36之间；KW公司的WM混砂机基本在2.582.83；B&P公司的摆轮混砂机大致在1.923.00之间。而国产混砂机S1116、11

48、18、1120、1122的比率较低，分别为1.471.85。国产S14系列转子混砂机电机功率与生产率之比仅为1.33和1.50，明显过低。有人通过试验比较发现不论混砂机的种类形式如何，只需分别给予充分和足够的混砂时间都能使型砂达到优良的性能。区别只是各种混砂机的混砂时间长短不同而已。铸造生产中要想提高电机功率与混砂生产率的唯一办法是降低生产率和延长混砂周期。但是大多数工厂中存在问题是混砂赶不上造型需要，不可能延长混砂时间，只能缩短混砂时间。混砂时间不足的后果是型砂强度不足，韧性偏低。如果是采取先干混后湿混的方案，缩短加水后的混砂时间还会出现型砂湿干不匀，卸砂粘皮带和砂斗。要达到高密度造型用型砂

49、强度就必须过量加入膨润土，因而型砂含泥量。含水量高于正常高质量型砂，型砂中还会出现大量豆粒般大小的“砂豆”，其主要成分是未被充分混合均匀的潜在膨润土。不论混砂机的类型如何，较长的混砂时间才可以向型砂输入足够多的电能。由混砂机生产公司提供的生产率和电机功率可以推算出每吨型砂耗用的电能多少。以下假定各种类型混砂机电机总容量的85%为实际负荷率（包括装料和卸料时间计算在内），计算结果如下表：公司和机型每吨型砂耗能(kWh)平均(kWh)中值(kWh)DISA SAM转子混砂机12种(周期90s)1.762.101.872.1B&P 摆轮混砂机8种（周期105s）1.632.551.92 （周

50、期90s）1.252.191.69EIRICH R转子混砂机6种（周期140S）1.132.611.81KW MW 转子混砂机3种（周期135s）2.23.152.47国产S11碾轮混砂机6种（周期2.62.7min）1.251.571.48国产S14转子混砂机2种（周期120s）1.13和1.281.21国产碾轮混砂机平均每吨型砂耗能也只有1.48kWh，显然低于国外混砂机的平均数和中值。国产转子式混砂机S1420和S1425每吨型砂耗能分别仅为1.13和1.28kWh，与国外产品的中值相比差距尤其惊人！但实际上，铸造工厂绝大多数国家混砂机的维修情况不够理想，混砂时电流达不到额定数值，电机总

51、容量的实际负荷率可能远低于85%。因此，国产混砂机每吨型砂的实际耗能量估计都低于这些计算结果。铸造工厂应当十分关心混砂机耗能量，由混砂机控制室的电度表可以查阅出每吨型砂的混制能量。或者由混砂机的电流自动记录仪来分辨出是否有足够电能施加到型砂中。也有铸造厂恐怕延长混砂时间会使型砂温度提高，这成为不肯延长混砂时间的借口之一。实际上将每吨型砂输入电能提高一倍左右，即提高接近进口混砂机的型砂耗能量，型砂温度也许仅仅升高三到五度左右。考虑到混砂机有效地排风可以促使水分蒸发而降温，如果混砂机有鼓风装置，就更加速水分蒸发。众所周知，型砂水分每蒸发1%，温度可降低25左右。只要混砂机的排风管道通畅，不需担心混

52、砂时砂温升高。但排风管最易堵塞，应勤加清洗。风管外皮应当有电热装置，避免热态的水汽和粉尘沉积在风管内壁。有极个别工厂的混砂机电动机功率并不小，但实际使用功率可能达不到额定功率的一半。例如某国营汽车厂过去使用SZ124摆轮混砂机，尝试摘去摆轮只留两只刮砂板搅动型砂，认为可以节省电能。也有个别工厂使用国产转子混砂机，转子叶片严重磨损或脱落未能及时更换，也出现电机的电流显著下降的现象。这样的混砂机混制出型砂质量之差是可以想象的。4. 混砂机的保养和维修由以上段落可以看出国产混砂设备不论在材质选用或是在结构设计方面都存在一些不足之处，因为经济实力较强的铸造工厂大多喜用进口混砂设备。但本文以下只着重从与

53、工艺密切相关的角度，简要提出有关混砂机保养维修的几点注意事项：4.1 清理混砂机有的铸造工厂不注意混砂机的日常清理。碾轮的外缘局部挂有大型死砂块。其起源可能是由于加入水分时大量淋洒在碾轮的局部表面，有粘附富含膨润土的型砂。日复一日，越集越多，从未得到认真清除。改用先湿混后干混的方法和还用喷雾加水方法会有改善，但更根本的措施是每日下班以前必须将混砂机清理干净。碾轮上、地盘上、刮砂板上和围圈的内表面都必须将粘附的砂子清除掉。有的混砂机的围圈可以吊起。清理时无需工人钻入混砂机内，不仅有利于公认的安全防护，而且便于充分清除混砂机各部位的积砂。4.2 调整刮砂板和转子叶片刮砂板和转子叶片是最易磨损的零件。曾看到个别铸造工厂的碾轮混砂机由于刮砂板严重磨损，底盘上积存的型砂结成厚达数十毫米的硬块。不但混砂质量难以保证，混砂机容量也大为减少。虽然正轨生产混砂机的刮砂板等零件锋刃部位已然镶嵌有耐磨材料。底盘改用石材铺衬，工厂的机修部门仍必须按照预