李樹楨，吳 劍，包艷青

（1.江陰市德昌鑄冶環(huán)保機械有限公司，江蘇江陰 214431；2.江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400；3.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東濟南 250306）

目前，在現代鑄造工業(yè)的轉型創(chuàng)新發(fā)展中，大規(guī)模的鑄造機械化、自動化以及智能化的生產線上，不同程度地體現出二十一世紀國內鑄造工藝和技術裝備的先進性和實用性。其中廣泛應用的鑄造砂處理設備、舊砂再生工藝裝備和鑄造環(huán)保除塵系統(tǒng)等均已在鑄造生產線各工序環(huán)節(jié)獲得良好的應用，并發(fā)揮著重要作用。突出的環(huán)保問題也進一步得到控制和改善。

為了讓現代鑄造砂處理、舊砂再生和環(huán)保除塵工藝裝備在鑄造行業(yè)中得到更好的利用和發(fā)揮，對砂處理工藝流程和新技術裝備做一技術推廣，以促進現代鑄造砂處理、砂再生和環(huán)保除塵工藝裝備應用技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展[1]。

本文的研究對象及著重點，是圍繞廣泛而常見的70～140t/h 大型現代鑄造砂處理、砂再生工藝裝備的工作機理、技術參數和性能展開的，并進行專業(yè)性的技術描述和圖文介紹。

1 鑄造砂處理現代技術裝備

1.1 對稱雙環(huán)繞刮板中置轉子混砂機

對稱雙環(huán)繞刮板中置轉子混砂機（初定型號S19××C 型，見圖1），采用圓周線速度18～22m/s 的高圓柱型大直徑轉子，其三維傾斜葉片環(huán)繞二刮板轉動，其混合物料進入轉子的空間大、形成的環(huán)形料層厚。葉片對物料充分攪拌、混勻，減少了攪拌過程中形成的顆粒物。而且從轉子二側對稱進料，相當于二臺轉子混砂機濕混工作的效率，并達到型砂綜合性能。經過測試其濕壓強度0.17～0.21MPa，水分≤3.6%，滿足型砂性能要求。

型砂中大于3mm 砂顆粒（僵豆），可長期控制為8%以下，以減少鑄件廢次品率。轉子主軸軸承對稱受力減少了彎矩，運行平穩(wěn)可靠、降低了混合過程的噪音。

新型S19××C 型轉子混砂機運行性能良好，在粘土砂型砂混合中，中高檔粘土的加入量在0.8%～1.1%，減少了型砂配比，鑄件廢品率低，性能上優(yōu)化了混合驅動系統(tǒng)。

驅動系統(tǒng)中，在高速級采用標準減速機用稀油潤滑，在低速級帶齒圈回轉支承為油脂潤滑，轉子主軸上下軸承、驅動電機和刮板驅動電機的上下軸承，均采用微機集中調控的潤滑脂高壓泵注油系統(tǒng)。轉子驅動功率與刮板驅動功率比約為2：1，與型砂混合能力比，其綜合成本低。

圖1 對稱雙環(huán)繞刮板中置轉子混砂機

新型S1932C 型轉子混砂機，其結構設計：盤徑3200mm，總功率約600kW，生產能力近200t/h。圍圈、弧形刮板均采用內襯不粘料、摩擦系數小的耐磨工程塑料板，減輕了日常維護、清理的工作量，混砂機運行功率、能耗節(jié)省約20%。

1.1.1 型砂性能與混砂原理

現代高速高壓造型機生產精細高檔鑄件，要求型砂綜合性能、流動成型性能以及均勻性好，緊實率為36%～42%，強度為0.17～0.20MPa，水分在3.4%以下[2]。

為解決好這一對型砂性能矛盾，必須要求混砂機具備相當高的混勻能力，對混合機理、主參數和設備動力結構的穩(wěn)定性、可靠性都有比較高的要求。

提高混合質量的首要條件是混砂“力足”：選擇混砂轉子圓周線速度18～22m/s，可給予混合料足夠的“旋搓力”。再者混合力的利用要充分、并避免互相干擾，使進入轉子混合區(qū)域的物料“量大”（見圖2）。而向轉子推砂混合的刮板速度一般較低（1～2m/s），如果速度過高，功率會大大增加。

圖2 三維轉子

轉子葉片如果采用水平直葉片將物料推出時，會把刮板推進來的物料相反向外推出，不利于旋搓。所以采用傾斜葉片十分必要，弧形刮板將物料從水平方向分層推入轉子的下傾15°～18°葉片上面，由于葉片前刃口有30°的傾角，使葉片在轉子上形成雙螺旋交叉排列。物料進入轉子的混合區(qū)域比較大，提高了物料混合的空間[3]。

為保證合理的、較高的型砂性能和生產能力，必須相應配置合理的轉子驅動功率。通常選擇轉子驅動功率（kW）/ 濕壓強度（MPa）×實際生產率（t/h）≥11，作為考核設備的性價比因素。也可用價格×型砂中大于3mm 砂豆的百分比（n%）/生產率（t/h）×濕壓強度（MPa）來考核設備的性價比（參考值）。

1.1.2 S19 系列混砂機型式與參數

S19 系列混砂機型式與參數見表1。

1.2 大型落砂清理冷卻滾筒

1.2.1 L33 型雙層落砂清理冷卻滾筒

1.2.1.1 主要技術特性

（1）內外雙層滾筒中配置適量的鐵星介質參與循環(huán)流動，參與滾動包裹并緩沖鑄件的碰撞，可保護鑄件的棱角且易于清理。如，在生產百萬片扁圓剎車盤、輪轂生產線的應用中，鑄件碰撞輕，加工余量減少30%；鐵星介質流反復搓擦使鑄件光潔，沒有黑粘砂，免去一次初級清理，可直接輸送到拋丸清理環(huán)節(jié)。

（2）舊砂從鑄件上分離剝落后，隨即在進料端破碎篩分進入外筒，出砂溫度僅70～90℃，并含有約2%的水份。落砂、清理過程的滾筒前和滾筒內不需要增濕。后續(xù)砂處理系統(tǒng)中僅需少量增濕（視舊砂溫度變化），為舊砂冷卻和除塵減少負擔[2]。

而相對的單層落砂冷卻滾筒，由于舊砂受灼熱鑄件烘烤，熱擴散時間長，若筒內不加水增濕，出砂溫度會高達130～180℃，且水分低到1%以下，給后續(xù)舊砂處理和混砂質量控制帶來很大的難度，如筒內噴霧增濕過量，造成滾筒粘砂、堵砂甚至返流，并影響后續(xù)的鑄件機械加工。

圖3 L33 型雙層落砂清理冷卻滾筒

表1 參數、結構尺寸表

（3）灼熱鑄件上分離剝落的、硬結的舊砂團塊由鐵星介質流參與碾壓、搓磨破碎，并經內筒體上14～16mm 柵格縫排出，舊砂回收率近100%。

（4）雙層落砂清理冷卻滾筒在封閉狀態(tài)下工作，其除塵效果好，工況環(huán)境清潔。采用的工程尼龍托輥壽命長，可保護滾筒的主輥道不磨損，并吸收滾筒運行噪聲。鐵星與筒體磨擦產生噪聲，一般宜采用筒體設置在地坑內或包附吸音襯或全罩吸音，以使工況噪聲降至80dB（A）以下。

（5）筒內設置有不同高度的螺旋導流板，鑄型、鑄件、鐵星等輸送流動順暢，生產率為同直徑單層滾筒的3 倍以上。

滾筒可降低轉速，在滿足工藝性能的同時保證足夠生產能力。滾筒轉速降至1～1.5r/min 后，能適應直徑為400～500mm 的中大型鑄件的分離落砂。

1.2.1.2 型式與參數

L33 型雙層落砂清理冷卻滾筒型式與參數見表2。

1.2.2 L32 型單層落砂清理冷卻滾筒

為避免帶收口錐體單層滾筒出料不暢導致鑄件相互碰傷現象，采用直體圓柱形滾筒，并將筒體轉速由3～5r/min 降為1～1.5r/min。配套500 型/h擠壓線的鑄件落砂，鑄件不碰傷，設備運行良好。另外在1000mm×800mm 砂箱的水平分型造型線上，中大件鑄型落砂的使用，筒體內只落砂分離，筒外配置落砂機分離舊砂，運行流程優(yōu)良。但單層落砂滾筒存在共有的缺點——鑄件少量帶砂和少量舊砂團塊從筒尾排出現象。

1.3 振動沸騰冷卻裝置

振動沸騰冷卻裝置（配置自動測溫、比例增濕），其原理和工藝指標特性是：熱舊砂在振動的同時，通過鼓風使熱舊砂沸騰，帶走按比例增濕后的熱舊砂中水分，使舊砂溫度穩(wěn)定地降到40℃以下水分調整為1.5%～2.5%（比例增濕特性）；為達到工藝指標和運行的穩(wěn)定性，解決和完善沸騰冷卻裝置以前存在的一些技術難題，采用以下措施。

（1）自動測溫、比例增濕特性（機電一體化）：測溫線性度好、精度高、免維護、采用遠紅外溫度傳感器連續(xù)測得舊砂溫度，按舊砂最高溫度降到40℃為標準值，每降25℃需加1%水分，由微機指令加水，水量比例為8：4：2：1 的4 組噴霧頭和電磁水閥的啟閉，可得到與舊砂溫度成比例的15 個線性的數字水量。舊砂溫度每增加5～6℃增加一個數字水量。系統(tǒng)采用國外噴霧公司的加水噴霧器、德國寶得電磁水閥、日本微機軟件程序配置等。確保自動測溫、比例增濕系統(tǒng)準確穩(wěn)定工作。

（2）床內增濕調整為床外增濕：本測溫增濕系統(tǒng)有二套測溫運算裝置控制噴霧加水量，分別裝在落砂后篩分前和沸騰床前的給料機上，二道測溫增濕確保系統(tǒng)舊砂冷卻效果。避免床內增濕而形成的含水量較高的舊砂顆粒。

（3）采用精細模具沖壓出細密均勻的不銹鋼魚鱗孔板，作為沸騰孔板，鼓風透氣均勻。濕熱舊砂能達到沸騰冷卻、充分熱交換和輸送，具有不粘砂、冷卻效果好和生產率穩(wěn)定的特點。

（4）結構設計和工藝改善：主機振動沸騰冷卻裝置是一個采用振動電機為激振源的單質體振動輸送機。選擇中轉速激振電機和低機械指數（慣性加速度與重力加速度的比值）的振動沸騰床體優(yōu)化設計，選擇橡膠彈簧與鋼制螺旋減震彈簧組合的調諧比優(yōu)化設計。

振動沸騰冷卻裝置相關技術特性吳劍已作過闡述[3-5]。

1.4 大型精細破碎篩分機

傳統(tǒng)的大型六角滾筒破碎篩，破碎篩分流程是倒置的。物料破碎篩分時，從六角篩筒的小端進料，導致過篩面積小、物料多、不宜擴散，直接影響物料的破碎與透篩，且破碎效果差。而面積大的六角大端排料，篩網面積利用率不夠，以致選擇大的篩孔直徑10～18mm 甚至20～40mm 來過篩，導致舊砂中顆粒雜物增多。

S43 型六角精細破碎篩分機，采用大端進料，使破碎篩分過程充分合理。進料時大端物料多容易擴散，相應篩分面積大，物料透篩效率高。而且物料有提升高度、易破碎，破碎過程有沖振篩網的作用，網孔自動清理效果好。選擇標準供貨篩網6×16mm2、4×14mm2（活塞環(huán)行業(yè)為2×12mm2），可將≥3mm 顆粒砂豆篩除干凈。

表2 L33 型雙層落砂清理冷卻滾筒型式與參數

在近30 家生產流水線上使用破碎篩分，其高壓造型舊砂回收率就達到99%以上。采用冷撥高硬度不銹鋼絲編織篩網壽命8 年以上，且不粘料、篩孔保持性好，改善的篩網張緊機構使維修維護方便。

圖4 精細六角破碎篩分機

S43 型大端進料的六角精細破碎篩，具有良好的綜合經濟效益。

1.4.1 型式與參數

精細下角破碎篩分機的型式與參數見表3。

1.5 高效雙排斗重錘張緊式提升機

高效雙排斗重錘張緊式提升機（STD 型，以下簡稱雙排斗提升機，見圖5），具有大提升能力的垂直輸送機，可以滿足大型鑄造生產線的砂處理及物流的垂直運輸。

高效雙排斗重錘張緊式提升機技術特征如下。

（1）雙排斗提升機采用雙排斗左右、上下交錯排列（或四排斗兩兩成對上下交錯排列）形式。選擇小型料斗，達到斗內物料承載輕，又錯開排列，使上部驅動頭輪回轉卸料時，拋物離心慣性力小，沖擊振動輕，料斗不易甩脫，因而可獲得（采用）較高的帶速[3]。

帶速由傳統(tǒng)的D 型提升機的1.25m/s 提高到1.7～2.0m/s，回轉離心加速度（ω2A）提高180%～250%。因而，提升后的離心卸料完善、不粘斗、向下散落回料小。由于帶速高、多排斗全寬大于帶寬的技術特點，提升能力成倍提高?？蛇m用于大批量濕型鑄造的、濕熱粘的舊砂提升轉運。

（2）雙排斗提升機尾輪采用重錘箱張緊，當生產過程中物料溫度變化時，導致提升帶伸縮，而張緊力仍然保持穩(wěn)定。驅動頭輪與尾輪二側的支撐軸承均可上下調平使提升帶不跑偏。鼓形頭輪包膠，鼠籠式鼓形尾輪內設置排砂錐，尾輪軸端設置轉速繼電器聯鎖保護。

（3）雙排斗提升機機殼2.5m 高，每段設置6件一組跑偏托輥，防止提升帶前后、左右跑偏。提升帶采用耐熱高強滌綸帆布簾芯帶EP300、400（傳統(tǒng)采用棉帆布簾芯帶），三班制工作，使用壽命約一年半。如果采用鋼絲繩芯背襯鋼絲網耐熱提升帶，三班制工作，使用壽命兩年以上。

（4）雙排斗提升機采用重型軸裝式硬齒面齒輪箱（博能傳動產品）傳動，強化驅動綜合措施，使STD 型雙排斗提升機具備大生產能力并可靠性運行，滿足現代鑄造高生產率和高穩(wěn)定性的市場要求。

表3 精細六角破碎篩分機的型式與參數

圖5 STD 型雙（四）排斗重錘張緊斗式提升機

雙排斗提升機型式與參數見表4。

1.6 彈性連桿振動輸送機

彈性連桿振動輸送機是一種非慣性振動的振動輸送機，具有穩(wěn)定的振動幅度與頻率，具有輸送槽體寬和輸送距離長的特點。

在鑄造砂處理工部應用的彈性連桿振動輸送機，實現了在落砂后鑄型和鑄件在有通風罩的封閉式振動輸送中輸送10～18m 距離。由于輸送槽底襯有齒形耐磨不粘砂球墨鑄鐵襯板作用，使物料爬坡傾角約10°，后續(xù)大型落砂滾筒設備、輸送鑄件的鱗板輸送機易于布設在地面，便于人工操作（清理澆冒口和分選鑄件）。

彈性連桿振動輸送機的技術特征如下。

（1）激振運行頻率低（≈320 次/min）、雙振幅大（≈30mm），機械指數低（近似于擺動輸送機），使輸送機的機械結構近乎少維護。

（2）由于輸送物料在槽底運行形式是進3 退1，反復摩擦，使?jié)駸崤f砂不宜粘槽底，而且濕熱鑄型保持長距離穩(wěn)定勻速輸送，已成為落砂滾筒前的鑄型給料機配置的首選。

表4 STD 型雙（四）排斗重錘張緊式斗提機型式與參數

圖6 雙排斗提升機頭部形式

圖7 彈性連桿振動輸送機形式

（3）適當調整機械結構中部上、下質體間的共振彈簧數量，使參振體遠離共振區(qū)，使振幅不致過大，而又增大共振彈簧壽命。共振簧采用優(yōu)質彈簧鋼50CrVA，熱卷后拋丸強化處理。

彈性連桿振動輸送機相關技術特性吳劍在相關文獻中已有闡述[7，8]。

2 鑄造砂處理現代工藝技術

2.1 三段塔式串聯工藝布置

由于高效率、高可靠性的雙排斗提升機的應用，使鑄造砂處理工部在工藝布局上產生了技術性突破——塔式布置。不僅省去大量低效率水平輸送的皮帶輸送機，使工藝設備簡化，并可直接技術銜接，總體布局緊湊、生產線工藝流程更合理。

三段塔式串聯工藝布置，已成功配套應用于目前現代鑄造生產線高效率的各類中小件、中大件造型生產線，如國內第一條500 型/h DISA-230造型生產線以及西班牙、日本、德國等十多條鑄造工廠的造型生產線。三段塔式串聯工藝布置滿足各種垂直和水平、有箱和無箱造型線的砂處理工部配套的鑄造生產線。

2.1.1 第一塔特征（舊砂處理單元）

第一塔設置是為獲得優(yōu)質型砂的重要預處理工藝單元。

（1）在落砂工部（落砂滾筒或振動落砂機）排出的高溫熱舊砂，首先通過皮帶輸送機，經第一道自動測溫和噴霧增濕。由地坑爬出后進行懸掛磁選和皮帶機頭輪二道強力磁選，隨即由雙排斗提升機提升到第一塔進入大型精細破碎篩分。經磁選和篩分的僵豆和鐵雜物，流入廢鐵料桶（小車）定期清理，保證了工況的環(huán)境清潔[1]。

（2）一塔中部是安裝有計量料位計的勻量儲料斗，以控制物料輸送過程的熱舊砂流量均勻，使皮帶給料機上遠紅外傳感器同步進行檢測舊砂溫度變化，以準確比例調控向熱舊砂噴霧增濕。增濕后的舊砂由葉片松砂機攪拌均勻，提高熱舊砂快速冷卻和減少濕熱舊砂對振動沸騰冷卻孔板的影響。

（3）增濕均勻后的濕熱舊砂進入一塔下部的振動沸騰冷卻裝置，在魚鱗沸騰孔板下方鼓入的高速氣流作用下，使熱舊砂形成流態(tài)化沸騰熱交換，快速帶走熱舊砂中增濕的水分和大量的汽化潛熱，使舊砂溫度控制在環(huán)境溫度+15℃以下，水份控制在1.5%～2.5%。從而可以提高舊砂回用性能和型砂性能，減少鑄造缺陷[2]。

（4）一塔的測溫增濕設置：通常砂處理工部在專用的熱舊砂冷卻設備內進行測溫增濕處理。為了避免工序加水過量，影響水分蒸發(fā)和冷卻效果，避免產生濕團、砂豆及物流粘堵現象。塔式布置上采用二段自動測溫增濕系統(tǒng)，控制熱舊砂輸送流量的不穩(wěn)定因素，可以將冷卻汽化熱充分擴散，以達到舊砂回用的冷卻效果。

（5）新砂補充加入的設置：新砂補充加入量應與造型、落砂的砂型數量成比例，加入點設置在落砂后第一條皮帶機上（或在鑄型冷卻線上加，適量控制）。新砂提前進行預處理后，可提高型砂混合的均勻性。

2.1.2 第二塔特征（并列式舊砂調勻單元）

第二塔是一種并列式舊砂調勻單元，由4h 時以上循環(huán)砂量的3～4 個的舊砂中間儲斗組合。舊砂斗儲量設置大，使每個工作日的周轉澆注次數少，舊砂性能穩(wěn)定性好。

（1）采用并列的多個舊砂中間斗，以料位計監(jiān)測控制，從上部按時間段順序依次進料，從下部多臺給料機同時出料。使4h 內多個時段的舊砂混勻，有利于舊砂的有效粘土及煤粉含量、水分、溫度等成分和性能波動降至最小，控制型砂性能易于穩(wěn)定，從而有效降低廢、次品率。

（2）以每種舊砂儲量2～3h 為例，2～3 個球鐵件舊砂儲斗配2～3 個灰鐵件舊砂儲斗分別儲存二種舊砂，共4～6 個舊砂中間斗。配制球鐵型砂時煤粉加入量比灰鐵件的型砂多加0.3%～0.5%，并列儲斗內球鐵件舊砂中由于煤粉保有量比灰鐵件舊砂高0.8%～1%。對降低球鐵件的皮下氣泡、針孔缺陷，降低廢品率有明顯效果。

特別適合大批量商品件鑄造廠，采用一條造型線和砂處理線輪番生產球鐵件或灰鐵件的砂處理工部設計布置。

2.1.3 第三塔特征（配料與型砂混合單元）

第三塔是配料與型砂混合處理單元，以混砂機為核心的稱量、配料、混合工部。混砂機上設置3 臺量程不同的微機配料秤對舊砂、粘土、煤粉、水分進行稱量配料，并將除塵系統(tǒng)的收塵稱量配入型砂（以保證鑄件光潔度、型砂韌性和流動性、適當透氣性和收塵中有效成分的回收利用）。

（1）為適應生產高檔復雜鑄件，設置淀粉（糊精）配料用斗和給料機。以萬分之二精度的拉式傳感器懸吊安裝微機配料秤，使動態(tài)稱量準確。并可與水份、緊實率的在線檢測儀配合，隨時補充水份，以滿足配料、混合工藝要求。

（2）混砂機下設不粘料、不棚料的橡皮料斗和大圓盤給料機，盤面旋轉時以內低外高的弧形刮板將型砂勻速狀態(tài)送出。圓盤給料機盤底和刮板正面襯有工程塑料板，不粘料且摩擦系數低。高強度濕粘型砂輸出時阻力小，不會受擠變硬，保持混砂機混出型砂的均勻性、流動性的重要性。

圖8 三段塔式典型布置圖

（3）圓盤給料機的3 盤型砂儲量，可保證混砂機30s 內快速卸料，縮短過程的輔助時間，并滿足在造型機故障時儲料，與造型機上3 盤儲量型砂斗的料位計聯鎖控制，可隨時將流動性、成型性好的型砂供給高速造型機。

2.1.4 水平串聯工藝布置特征

（三段塔式）水平串聯工藝布置，適合于垂直分型擠壓造型線的配置。這種生產線的舊砂落點與型砂用點分別在造型線的兩端，物料輸送過程長，易于分段水平串聯布置舊砂處理、混砂和型砂輸送。

同時由于占地面積長窄，可平行分段、匹配布置除塵系統(tǒng)。使除塵管路系統(tǒng)阻力小，除塵效果好。所需風機一般不需配置高壓風機，且管道不易結露，維護清掃方便。也有利于收塵回用。

（1）除塵系統(tǒng)在砂處理系統(tǒng)側面平行布置，相應設置螺旋輸送機或氣力輸送裝置，將除塵器下收集的粉塵均勻回收舊砂處理系統(tǒng)。除塵器安裝在并列式舊砂中間斗、提升機前、皮帶機上的布置形式，可使除塵器下收塵直接回收并分配到舊砂中間斗，以減少粉塵中間搬運環(huán)節(jié)，又便于收塵排放過程的二次污染[1]。

（2）而回收粉塵以及在混砂機上設置的收塵斗與螺旋給料機以小型配料秤形式定量，是現代鑄造的工藝技術所必需。現代化高速高壓造型機的造型比壓高，型砂水份和含泥量低，必須將大部分收塵回收和配料回用，以保證型砂必要的流動性、緊實率和鑄件表面光潔。

（3）配合高性能混砂機的使用，再以篩孔5～8mm 精細篩加強篩分，控制舊砂、型砂中礓子、砂豆的含量由10%降低到8%以下，型砂配料粘土加入量可由2%～3%降為0.8%～1.1%，同時，鑄件廢品率下降2%～3%[2]。

（4）第三塔配料混合系統(tǒng)接近造型線主機布置，以減少型砂輸送過程中水分散失、性能不穩(wěn)的現象。