降低消失模鑄造自動生產線舊砂溫度的措施

陳風琴，赫連福坤，陳 磊

（山西中條山機電設備有限公司，山西 垣曲 043400）

消失模鑄造也稱氣化模鑄造，造型過程中不需要任何黏結劑，可以制造形狀復雜（包括外部和內腔）的鑄件，不需起模，生產過程簡單，固體廢棄物少，無污染、無垃圾，鑄件尺寸精度高，光潔規則、質量好，節能、環保，是一種近無余量、精確成型的綠色鑄造工藝。造型砂可循環反復多次使用，舊砂利用率高達95%以上，生產成本低，被越來越多企業廣泛選用。

因泡沫模型（模樣簇）是用EPS 珠粒發泡制成，工作溫度不宜過高，一般不超過85 ℃.因而，造型時型砂（舊砂）溫度不宜過高，否則會直接造成泡沫模樣強度降低、變形，導致鑄件變形，甚至塌箱，影響鑄件質量；而且砂溫過高時熱砂與冷庫（砂庫、砂箱）接觸，水蒸汽凝結成水，會產生掛砂粘模（砂箱）現象，不利于落砂；砂溫持續高時，不能連續生產，添加新砂（去除舊砂）會直接造成生產成本增加，不利于企業經營。也就是說，舊砂溫度的高低直接影響著產品質量與生產效率，影響著舊砂的循環使用，關系著企業的生產成本。

1 生產現狀

1.1 消失模鑄造生產線布局

公司現有10 000 t/a 消失模鑄造自動生產線1條，包含自動翻箱機、振動落砂輸送槽、振動落砂輸送篩、磁選機、砂溫調節器、布袋除塵器各1 臺，高溫斗式提升機1 臺，常溫（普通）斗式提升機3 臺等生產設備，造型砂庫（35 t）、砂溫調節庫（25 t）、中間砂庫（50 t）、循環水池（200 m3）各1 座及砂箱61 個，總循環砂量不少于200 t，循環水量200 m3.平面布置見圖1，立剖圖見圖2.

圖1 10 000 t/a 消失模鑄造自動生產線平面布置圖

圖2 消失模鑄造生產線工藝布置立剖圖

1.2 工藝流程

消失模鑄造生產線工藝流程如圖3 所示。從工藝流程圖可見，自動生產線正常生產時，澆注、保溫后的砂箱經自動翻箱機后，鑄件和舊砂經振動落砂輸送槽實現（鑄）件砂分離，鑄件經鱗板輸送機輸送到拋丸清理區，待進一步清理打磨成為成品；舊砂及其他雜物則進入振動落砂篩進行篩分；篩分出來的雜物集中回收到容器，定期倒運外排，舊砂經斗提機、磁選機、沸騰冷卻床、中間砂庫、砂溫調節庫和砂溫調節器等工藝設備進行回收和降低溫度后回到造型砂庫繼續使用，實現循環利用。

圖3 消失模鑄造生產線工藝流程

舊砂的冷卻主要是通過沸騰冷卻床和砂溫調節器，在3#/4#和1#/2#離心式水泵（一用一備）作用下，將循環水池中冷水輸送到沸騰冷卻床、砂溫調節器的進（供）水管路，熱交換后的（高溫）熱水經回水管路到2#/1#玻璃鋼冷卻塔降溫后再回到循環水池中，循環反復將舊砂的熱量帶走實現舊砂冷卻。其他過程均為自然冷卻方式降低砂溫。

1.3 存在問題

公司消失模鑄造生產線于2018 年3 月安裝、投產，自動生產線砂處理能力40 t/h，造型節拍5 min/箱，翻箱節拍3 min/箱～4 min/箱。隨著產能的逐漸提高，自動生產線中舊砂溫度不穩定，常常偏高，影響正常生產。尤其是夏季，砂溫超過要求溫度（要求值≤50 ℃～60 ℃），有時甚至達70 ℃～80 ℃以上，造成模樣簇強度降低，甚至變形，不能滿足造型作業要求，不得不停產，等待砂溫降到許可溫度再生產。據不完全統計，每班至少需停1 次，每次至少2 h～3 h，嚴重制約了正常生產。

2 生產線上舊砂溫度偏高原因分析

消失模自動生產線造型砂重復再利用過程中，舊砂冷卻采用的是“砂-砂、砂-水”熱交換方式。影響因素主要包括：循環砂量和冷卻水及冷卻設備。其中，循環砂量不僅包括砂庫的儲量，還要考慮實際可循環量。也就是說，要考慮砂庫中儲砂是否能全部參與了循環；冷卻水不僅包括冷卻設備的運行情況，還要考慮循環水池的儲量（總循環水量）。

為此，對沸騰冷卻床、中間砂庫、砂溫冷卻器及造型砂庫的進、出口砂溫進行了測量；對砂庫出料角進行測量，核算砂庫循環砂量；對配套的玻璃鋼冷卻塔供、回水溫度進行了測量；對水池水位、冷卻塔設備（狀況）進行了不定期檢查。以分析確定生產線上舊砂溫度偏高的原因。

2.1 舊砂再利用過程主要位置砂溫測量分析

對生產線中和舊砂再利用相關的位置進行了砂溫測量，結果見表1.

表1 自動生產線上砂溫測量結果（溫度，℃）

從測量結果可見：

1）在沸騰冷卻床的進、出口處，溫差大于71 ℃.說明此處循環水冷卻系統發揮了一定作用。

2）在砂溫調節器的進、出口處，溫差僅為-4 ℃～5 ℃，說明此處循環水冷卻系統作用很小，幾乎沒有發揮作用。

3）各儲砂庫進、出口溫差不大。說明自然冷卻效率不高。

4）有的砂庫進、出口處溫度不降低反而升高。分析原因主要是由于砂的比熱容C砂＝840 kJ/kg·℃，相對循環水?。ㄋ谋葻崛軨水＝4 200 kJ/kg·℃），澆注后的等量舊砂冷卻時降低1 ℃時所需時間相比水需要時間要長。當造型作業完成后，造型砂停止循環，各儲庫中砂子處于堆積狀態，與周邊空氣接觸面積少，換熱慢，當低于環境溫度變化速度時，溫度不但不降反而會呈現上升現象。

5）環境溫度對砂溫的降低也有直接影響。陰雨天氣時環境溫度低，生產過程中自然冷卻效果較好；反之，晴天時環境溫度較高，效果不好。

6）連續生產的爐次對砂溫也有影響。連續生產爐次多時，需熱交換的熱量多，總循環砂量不變前提下，冷卻效果相對偏低（不考慮其他因素時）。

2.2 循環砂量降低舊砂溫度分析

2.2.1 舊砂儲量

根據生產工藝特點，消失模鑄造從造型、澆注、保溫和翻箱、落砂回收再利用過程，造型砂不可避免的存在消耗，需不定期進行補充新砂。

根據生產工藝順序，造型作業總是提前澆注完成。在造型作業結束后，按照程序控制，生產線自動翻箱，振動落砂輸送槽分離出來的部分舊砂需存入（不造型的）空砂箱中。按照設計循環砂量200 t 計算，滿足循環砂量時，翻箱后、造型前生產線上空砂箱數量不宜超過6 個。實際生產過程中，據不完全統計，個別班次自動生產線上至少存有10 個空砂箱，甚至達17 個空砂箱，（17-6）×2＝22 t（空砂箱需砂量2 t/箱），也就是說循環砂量少了約20 t，占總循環砂量的10%，儲量不足。

2.2.2 舊砂參與情況（在舊砂輸送過程中影響舊砂流動原因分析）

對中間砂庫（50 t）、砂溫調節庫（25 t）的出料角度進行了測量（核算實際循環量），分析出料角對舊砂輸送的影響。測量點及結果如下：

1）砂庫（50 t）：下錐體角度41°～42°；出料口（入3 級斗提機）溜管50°～51°.

2）砂溫調節庫：錐體（與砂溫調節器連接的天圓地方變徑）處29°～30°；砂溫度調節器出料口（入4級斗提機）溜管處44°～45°.

經查閱相關資料，造型砂安息角靜止狀態是45°，運動狀態是30°。結合測量結果，砂庫下錐體角度41°～42°＜45°；砂溫調節庫錐體（與砂溫調節器連接的天圓地方變徑）處29°～30°＜45°.說明在中間砂庫（50 t）下錐體處、砂溫調節庫（25 t）錐體處有死角現象，甚至部分砂子停滯（存放）在那里，沒有參與到舊砂循環中。

2.3 循環冷卻水降低舊砂溫度分析

2.3.1 沸騰冷卻床、砂溫度調節器循環冷卻水降低舊砂溫度分析

對沸騰冷卻床、砂溫調節器循環冷卻水出入口水溫進行了測量，結果見表2.

表2 測量結果表明：

表2 循環冷卻水溫測量情況（溫度，℃）

1）在沸騰冷卻床的循環冷卻水進、出口處，溫差25 ℃左右，說明此處循環水冷卻系統進行了熱交換，發揮了一定作用。

2）在砂溫度調節器的進、出口溫差為1 ℃，說明此處循環水冷卻系統熱交換很少，幾乎沒有發揮作用。

2.3.2 循環水池降溫分析

隨著鑄造自動生產線的連續進行，熱交換、蒸發等因素，循環水池中水量會減少，需要定期檢查補充，否則會牽制冷卻效果。

設計進水溫度不高于25 ℃～28 ℃，回水溫度不高于45 ℃～50 ℃；水池能力為200 m3；循環水池蓄水尺寸（長×寬×高）17.5 m×3.2 m×5.0 m，蓄水量按照深4.5 m，蓄水量17×2.7×4.5＝206 t，按照200 m3計算。

實際生產過程中，補水不及時，進、回水溫度達38 ℃、55 ℃.據不完全統計，水池中水量位于液面1.0 m～1.2 m 甚至更多，就是說相當于少了50 m3左右（17×2.7×（1.0～1.2）＝45.9～55.1），大約占總量的50/200×100%＝25%，50 m3＜200 m3.

根據熱量計算公式：c1m1△t1＝c2m2△t2，即循環冷卻水系統中熱交換過的冷卻水經回水管路回到循環水池后，還沒有多停留或沒有和冷水進行充分熱交換，又在循環水泵作用下進入供水管路返回熱交換循環中，溫差小，換熱效率低。即循環水總量不足。

2.4 冷卻設備的降溫分析

2.4.1 砂溫調節器結構分析

砂溫調節器的規格為φ1 300 mm×2 000 mm，調節器內部共有砂管n＝241 根，砂管直徑D＝φ42 mm，砂管長度L＝2 m.

1）砂管的截面積為：

2）砂處理生產線輸送能力要求為40 t/h，折合每秒0.007 m3.即：40/1.6×3 600＝0.007 m3/s（按照砂子比重1.6 t/m3計算）。

3）砂流速：0.007/0.33＝0.02 m/s.

4）換熱面積：

S總=n·S單=n·（π·D）·L=241×［3.14×（42/1 000）×2］=64 m2.

從以上計算結果可見，舊砂在砂管中流速為0.02 m/s，2/0.02=100 s.也就是說不計重力加速度因素，熱砂從砂溫調節器入口到出口僅需100 s，熱交換時間短，不可能起到良好的換熱降低舊砂溫度效果。

2.4.2 玻璃鋼冷卻塔（設備）狀況分析。

經現場檢查，玻璃鋼冷卻塔設備狀況不佳，部分填料破損，而且分布不平整，堆積在一起（見圖3），布水器破損、堵塞，甚至缺失（見圖4），不能均勻分布水流，減小了換熱面積，降低了冷卻效果。

圖4 玻璃鋼冷卻塔（設備）狀況

3 解決方案

結合分析各項因素后，本著節約原則，充分利用現有場地和資源，對中間砂庫（50 t）、砂溫調節庫（25 t）、砂溫調節器等進行了改造和調整。工藝布置見圖5.

圖5 消失模鑄造生產線降低砂溫改造后工藝布置圖（立剖）

3.1 砂庫進行改造

3.1.1 對現有中間砂庫（50 t）進行改造

拆除現有錐體，重新制做，要求錐體角度≥45°，保證出料通暢。同時，錐斗和柱體均增加冷卻盤1套。

設計時，充分利用砂庫的殼體空間，保留砂庫的東、西兩側殼體不動，結合南、北兩側的殼體設計制作冷卻盤（盡可能大），將循環水管道及彎頭布置在砂庫立柱外。冷卻盤的冷卻介質在管中流動。

安裝時，在砂庫南北側開孔，將新制作的冷卻盤加入并固定，與砂庫間的間隙處用鋼板條補焊，保證不漏砂。冷卻盤安裝完成后借助砂庫立柱增加支撐進行加固，保證穩固。

錐斗的冷卻盤隨錐斗制作同時進行。

3.1.2 擴容砂溫調節庫和加裝冷卻盤及移位氣動加砂門

1）拆除現有砂溫調節庫的變徑部分（天圓地方）和砂溫調節器（規格型號為φ1 300×2 000）及出料溜管（包含入4 級斗提機的天圓地方變徑和氣動加砂門）。

2）將與現有砂溫調節庫上箱體柱體部分延長0.5 m～0.8 m（擴容）。延長部分與現砂庫連接斷采用焊接方式，另一端預留法蘭連接方式（待加裝冷卻盤）。

3）重新制作冷卻盤和砂庫下錐體，連接均為法蘭方式。尺寸、規格參考砂庫（50 t）做法，充分利用砂溫調節庫。砂庫下錐體的角度≥45°，保證出料暢通；冷卻水在冷卻盤的管中流動。

4）拆除砂溫調節庫出料口到4 級斗提機入砂溜管上的天圓地方變徑，移位氣動加砂門（從斗提機地坑到錐斗出口下地面以上），滿足入4 級斗提機溜管角度≥30°～35°，其他富裕高度均加入到上箱體柱體部分，盡可能擴大砂庫容積。

5）重新制作出料溜管，分別與下錐體和4 級斗提機入口相連。

安裝時，冷卻盤安裝在砂溫調節庫上箱體下邊，砂庫下錐體安裝在冷卻盤下邊，氣動加砂門在下錐體出料口處，出料溜管與4 級斗提機的入料口連接，均采用法蘭連接方式。

3.1.3 砂庫內增加均料板

使最低處與冷卻盤最上層管道距離不大于2 00 mm，保證砂子自由落體到砂庫中，冷卻盤管周邊的砂子流動時處于蠕動狀態，以減小砂子對冷卻盤管道的沖刷，延長冷卻盤使用壽命。

工作時，經2、3 級斗式提升機提升的舊砂入砂庫、砂溫調節庫后，先經均料板的阻擋后多次沖擊、灑落、飛濺、折返，再落入冷卻盤和砂庫中。一方面不直接沖刷冷卻盤管道，延長使用壽命，另一方面便于冷卻盤作業面上料層均勻，促進提升換熱效率。

均料板可分2～3 層（結合入料口與冷卻盤位置決定）。最上層為700 mm×700 mm×6 mm，布置長條形孔為φ70 mm×200 mm；第二層規格800 mm×600 mm×5 mm（位于一、三層側面），布置長條形孔為φ60 mm×200 mm；最下邊層為1 300 mm×1 300 mm×6 mm，布置長條形孔φ50 mm×150 mm.

結合生產消耗情況，及時補充損耗砂量。保證循環砂量不低于200 t.

3.2 循環冷卻水系統改進

1）增加循環水管道與現有的冷卻管道、水泵、循環水池連接。通過三通和閘閥、球閥等元件，實現對每個砂庫的控制與調整。

2）及時補充循環水池中水量。保證水位不低于水池頂面以下0.5 m，循環水量不少于200 m3.

3.3 加強冷卻設備管理，充分發揮冷卻效能

不定期及時檢查冷卻塔設備和管路，清理污垢，更換破損的填料和分水器及管件，保證填料完好、平整分布，分水器后水流均勻，灑落面積大，散熱效果好。

4 使用效果

改造后對砂庫部分循環冷卻水系統溫進行了測量，結果如見表3，溫差10 ℃左右，可以起到舊砂降溫作用。

表3 砂庫部分循環冷卻水溫測量情況（溫度，℃）

經試運行，取得了良好效果：

1）中間砂庫（50 t）擴容增加儲量15 t，加裝冷卻盤減小砂儲量不到16 t，即減小儲砂量1 t，占循環砂量百分比：1/200＝0.5%，忽略不計，循環砂量基本不變。

2）改造后砂溫調節庫的出料口角度增大后，不存在死角，也就是說砂庫中所有舊砂可以參與到循環中，提升了舊砂循環率，增強了換熱效率。

3）改進冷卻方式，增加換熱面積。改造前舊砂是在管中流動，換熱面積64 m2；改造后是水在管中流動，換熱面積470 m2；增加換熱面積406 m2，延長了舊砂在砂庫中停留時間，增加了舊砂與冷卻水管接觸時間（不計沸騰冷卻床部分）。

4）實現了造型砂溫≤50 ℃～60 ℃，滿足了造型的生產工藝要求，避免了因砂溫高而造成的被迫停產現象，為產品質量的穩定奠定了基礎。

5）砂溫度調節庫冷卻水溫度進、出口水溫溫差10 ℃左右，為舊砂循環再利用奠定了堅實的基礎。

6）經試生產，滿足了車間24 h（三班制）熔煉45 爐/天的生產作業，為公司產能的提高奠定了堅實的基礎。

7）減輕了勞動強度，提高了生產效率，促進了環保綠色、清潔文明生產，創造了可觀的社會效益。

5 結束語

消失模鑄造生產中，砂處理生產線中舊砂再利用時砂溫的降低受循環砂量、冷卻水和中間砂庫、砂溫調節庫、砂溫調節器等工藝設備及舊砂循環、環境溫度等多方面因素影響，相互牽制、相互促進。

結合生產現場情況，在砂處理生產線的設計和使用中，舊砂回收再利用部分應當注意以下問題：

1）結合現場位置空間，盡可能優化砂庫、砂溫調節庫的結構，實現庫容量最大化，為增加循環砂量奠定基礎。

2）砂庫錐體等各出料口的角度一定要適當，杜絕砂庫內死角現象，保證所有舊砂都可以參與到循環再利用中。

3）各臺輸送設備間的溜管角度要符合相關要求（安息角），保證物料流通順暢，無堆積、無堵塞現象。

4）循環水冷卻方式時選擇水在管內流動，不宜選擇砂在管內，水在管外。

5）在砂庫、砂溫調節庫均布置冷卻盤，可以增加舊砂與冷卻介質的接觸面積和時間，進而提高降溫效率。使用中須注意定期檢查砂庫中均料板的磨損情況，及時修補，保證物料不沖刷冷卻盤的換熱管道，延長使用壽命。

6）及時補充日常消耗砂量。在日常生產中，隨著澆注和保溫時鑄件及周邊舊砂溫度高低的變化，舊砂晶格受之影響發生，分裂、破碎，部分舊砂粘附在鑄件上進入拋丸清理區，多次輸送過程中經反復摩擦、沖擊等磨損，部分細粉隨收塵氣流進入除塵管路，造型過程中跑、冒、滴、漏等也造成損耗，不及時補充的話，會導致總循環砂量不足。

7）及時補充循環水池的水位，保證滿足循環水量要求。

8）加強冷卻設備（玻璃鋼冷卻塔等）的日常維護保養。尤其是冷卻塔的填料、布水器，要及時檢查、清理雜物，更換，保證填料完好、平整分布，水流均勻，灑落面積大，散熱效果好。