铸造全自动砂处理工艺孙志扬1庄肃栋杜纪柱（潍柴动力股份有限公司铸造二厂山东潍坊 261001）摘要：本文着重介绍了全自动生产条件下在线型砂性能检测控制仪、双盘冷却器控制参数的优化，结合生产铸件对型砂性能的实际要求，对型砂含泥量、透气性、紧实率等参数进行的调整和优化，以及全自动生产条件下砂处理工艺参数的控制范围和控制方法，本文可为相似生产条件下砂处理系统的调试和型砂性能控制提供一些参考。
关键词：砂处理水分紧实率含泥量Full Automatic Sand Preparing Technology for CastingProductionZhiyang Sun, Sudong Zhuang, Jizhu Du(2nd foundry factory, Weichai Power Co. Ltd., Weichai Group, Weifang, 261001, Shandong,China)Abstract:In this paper, on full automatic production condition, parameters of on-line sand testing system and double-disk cooler were optimized, and moulding-sand parameters of clay content, permeability, compactibility, and so on, were adjusted and optimized, and moulding-sand property parameters’ control on full automatic production condition was also involved. The results can supply some reference for other similar production.Key words:sand preparing moisture content clay content compactibility1、前言潍柴新建铸造工厂主要以国外先进铸造设备为主，自动化程度高。
2007年6月进入设备热调试阶段，并开始小批量试生产，砂处理系统调试期间遇到了一些技术问题，如砂型成型率低、脱箱、铸件局部粘砂、混砂不均等。
通过反复的生产工艺试验，最终确定了在线型砂性能检测控制仪、双盘冷却器的控制参数，并结合生产铸件对型砂性能的实际要求，对型砂含泥量、透气性、紧实率等参数进行调整和优化，制定了全自动生产条件下砂处理工艺参数的控制范围和控制方法，型砂性能较好的满足了铸件质量要求。
本文主要针对以上内容作简要介绍。
2、砂处理系统设备状况砂处理系统是与生产效率70箱/小时的KW气缸体造型线相匹配，主要设备为德国KW公司制造的混砂机、在线型砂性能检测控制仪、双盘冷却器等。
全套系统通过中央PC控制，主要参数通过电子显示，菜单更改设置，其中混砂机为高速转子式，生产能力为160吨/小时，辅料、水采用电子秤定量自动加入；旧砂回收系统采用：三级磁选、两级滚筒破碎筛分，通过双盘冷却器对旧砂增湿、冷却、预混，通过中间砂库对冷却后旧砂“熟化”。
3、型砂控制参数的调整、优化生产初期造型过程存在的主要问题：成型率低、落砂前脱箱、铸件下箱成型面粘砂严重、1作者简介：孙志扬（1969- ），铸造工程师，E-mail:sunzhiyangwdf@冲砂等缺陷。
试生产所用型砂主要由老厂调运的旧砂与大量的新砂组成，新砂含量相对较高，同时由于产量小，型砂周转量少，排尘能力强，导致含泥量低（小于9%），水分较低（2.3～2.8%）, 砂处理按传统生产工艺要求控制。
针对以上问题，结合生产现状，从砂处理方面进行原因分析。
3.1粘砂问题卧浇气缸体下箱成型面粘砂是一个普遍问题，特别现生产气缸体砂型底部形成许多凸起砂胎，局部表面不紧实，在高压头铁水作用下，便形成粘砂，因此要改善粘砂状况，必须提高砂型表面紧实度，影响砂型表面紧实度的型砂因素主要是含泥量、透气性、紧实率。
型砂紧实率减低，流动性提高，有利于砂型局部成型，有利于提高紧实度；提高型砂含泥量有利于充填砂型表面砂粒间隙，有利于提高紧实度；型砂透气性过高，砂粒间隙较大，不利于提高紧实度。
3.2砂型成型率低、脱箱及冲砂缺陷原因分析造型成型率低、砂型脱箱及冲砂缺陷，与生产初期型砂含泥量过低关系很大。
高压造型状况下，型砂含泥量低，含水量2.3～2.8%时，型砂并不好用，因为这种低含水量的型砂，水份只要有0.1%波动，就会对型砂性能造成极大影响，这是由于型砂中的吸水物质过少造成的[1],一定量的吸水物质对型砂性能有“微调与稳定”的作用，水分高时，吸水物质吸水，可以使膨润土所吸收水分比较稳定一致；混好的型砂在输送过程中水分蒸发时，吸水物质所吸的水先蒸发，而粘结砂粒的粘土膏中的水分较稳定，型砂的性能也就波动较小[2]。
由于试生产状况下型砂含泥量过低，导致水分较低，这种型砂“微调与稳定”的作用难以发挥，同时环境温度较高，由于水分进一步损失，导致造型时型砂性能变化大，型砂的强度及韧性下降，故成型率会低，同时砂型局部水分损失严重干化，浇注后易产生冲砂；同样，由于型砂强度的下降，砂型与砂箱间的附着力小，导致砂型落砂前移箱时脱箱问题。
基于以上分析，我们首先调整砂处理生产工艺，含泥量由原来≤13%只控制上限，改为10～12%，同时控制上下限，结合试生产条件，通过加大膨润土及砂处理系统排尘收集的细粉补加量提高含泥量；紧实率由传统的38～50调整为34～42，；透气性由≥100改为100～140，控制透气性上限。
在修改砂处理工艺的同时，调整造型工艺参数：上、下箱采用不同的压时比压，保证下箱砂型紧实度的同时，使上箱具备合理的透气性；调整预加砂量及加砂分布情况，使砂型实际紧实度、强度更均匀。
通过以上改进后，造型成品率显著提高，脱箱、冲砂问题彻底解决，粘砂状况有效改善。
因此，新造型线调试，在条件允许的情况下应尽可能多的加入旧型砂，若型砂主要由新砂构成，调试过程应加大粉状材料加入量，砂处理系统排尘收集的细粉可重新回收利用。
4、设备生产参数的优化4.1 双盘冷却器生产参数的优化双盘冷却器工作原理：旧砂进入双盘后，一方面经搅拌器翻腾搅拌，同时底部由鼓风机进行高压吹风，使旧砂有一定沸腾作用，与喷淋的冷却水充分接触，形成水汽，经过排尘吸出，排出粉尘的同时带走热量。
旧砂在双盘冷却器内经过加水、冷却、搅拌，使旧砂中的粘土，粉尘和各种吸水物质与水分初步调匀，旧砂在后续砂库中滞留一段时间可以起到“熟化”型砂的作用[2]，这样不仅能缩短混砂机的混砂时间，而且可以提高混制后型砂成分的均匀性，减小混制后型砂性能的的波动，因此双盘冷却器能同时起到增湿、冷却、预混作用。
本设备旧砂处理过程水分可通过探头即时检测，出砂温度通过热电偶检测，电子显示。
水分含量是双盘冷却器最重要的工作参数，如果设定过高，型砂在后续周转过程可能在砂库产生挂料问题，不利于维修，同时增加冷却周期，降低生产效率；另一方面如果设定过低，削弱预混功能，同时旧砂温度偏高，基于以上考虑，我们结合设备调试，在试生产阶段进行了多次调整试验，确定双盘冷却器旧砂处理后水分为2.1%，能够保证出砂温度在35℃以下，满足工艺要求。
4.2混砂机及在线型砂性能检测控制仪生产参数的优化混砂机及在线型砂性能检测控制仪工作流程：旧砂、煤粉、膨润土、细粉、水分按预定设置完成定量，首先定量的旧砂、一定量的水加入混砂机预混T1秒，然后加入煤粉、膨润土、细粉，同时第二次加入水（两次水加入总量为上碾水分总量的75%）进行进一步混砂T2秒,然后三次加水（根据探头测定值与水份加入量要求之间的偏差进行调整）混砂T3秒，混砂结束。
在线型砂性能检测控制仪自动测试混好型砂的紧实率，每碾自动测试紧实率两次，每三碾取平均值，对比设定紧实率自动反馈调整混砂时水份加入量。
混砂加料顺序的合理性分析：第一阶段首先旧砂与部分水混匀，一方面可以避免后期加入粉料时扬尘和污染，另一方面分散加水，可避免后期加入膨润土后形成粘土球，使型砂更易均匀[2]；第二阶段加入粉料同时加入少量水进行较长时间混制，使型砂均匀；第三阶段根据实际检测的水量，补加水分达到在线检测自动反馈水分量，可以使水分控制更加准确。
我们认为这样的混砂加料顺序是合理。
混砂机生产参数的确定：混砂过程各个阶段的时间是最重要的生产参数。
考虑到旧砂经双盘冷却器处理及过程存放熟化，我们设定第一阶段混砂时间T1较短约13秒左右；由于混砂机为高速双转子混砂机，虽然混砂生产率较高，但混砂时间过短，在同样紧实率条件下型砂达不到湿压强度的最佳值[3]，且型砂均匀性差，结合试生产初期铸件存在夹砂、掉砂等缺陷，我们延长第二阶段混砂时间T2，最后确定为60秒；考虑第3阶段补加水分量相对很少，此阶段既是对水分的精益控制，也是第二阶段混砂的延续，在可能的情况下尽可能延长，最终确定为35秒；按以上设定进行型砂混制，每碾混砂时间从加料至放完砂混砂周期为160秒,能够满足生产线要求，且对消除夹砂、掉砂缺陷起到立竿见影的作用。
在线型砂性能检测控制仪生产参数的确定：在线型砂性能检测控制仪通过检测型砂紧实率控制型砂水分，因为型砂紧实率是对水分与含泥量的综合反映，当设定一定紧实率值时，可根据型砂含泥量的变化，动态调整水分，所以这种检测方式更合理科学。
对于一定含泥量的型砂来说，设定的紧实率值与水分控制呈线性关系，因此为确定在线控制紧实率参数值，我们结合型砂工艺要求水分（2.6～3.3）、含泥量（10～12%）紧实率（34～42），通过一段时间反复试验总结，确定在线控制紧实率参数值为38～41。
5、型砂性能的控制型砂性能的控制主要依据型砂实验室及在线检测仪提供的检测数据，对水分和各种辅料的补加量进行适当的调整，使各组分含量及型砂性能指标控制在工艺规定的范围之内。
5.1型砂实验室检测项目及频率由于我厂KW造型线只生产单一铸件，所以回收旧砂相对稳定，鉴于设备本身具备的在线检测及质量控制能力，我们调整工艺参数的同时，也对检测频率作了调整，如下表所示：调整前型砂工艺参数及检测频率调整后型砂工艺参数及检测频率5.2辅料补加量的控制膨润土、煤粉、细粉的补加量可通过调整控制面板上对应参数值进行调整，通过电子秤定量补加，需补加的具体数量应根据旧砂检测的结果来判定。
煤粉、膨润土、含泥量通过调整补加量来控制，水分通过在线检测紧实率来控制，由于紧实率综合反映了水分、含泥量两种指标，而型砂含泥量与煤粉、膨润土、细粉补加量相关联，故型砂控制是一种综合控制。
结合型砂含泥量一直处于较低状态，同时又有较稳定的芯砂流入量，所以批量生产后，不进行新砂补加，这样也有利于膨润土、煤粉、细粉的补加量确定；通过检测细粉成分，其中含煤粉33%左右，因此补加细粉时，既可调节含泥量，又可补充煤粉。