1、目錄濕型砂混砂批料的自動控制 于震宗 1前言 11.混砂加水量的自動控制“本批控制” 12.型砂的在線監測和批料中膨潤土和煤粉加入量自動控制“下批控制” 23.計算機預先計算出膨潤土和煤粉加入量的自動控制“預防控制” 34.討論 6關于混型砂的混砂工藝 于震宗 91.前言 92.幾種常用的混砂機類型 93.混砂效率和混砂生產率 114.混砂機的保養和維修 135.結論 13高密度濕型的型砂性能要求 于震宗 14前言 141.緊實率和含水量 152.透氣率 153.濕態強度 164.型砂含泥量 195.型砂粒度 196.有效膨潤土量 207.型砂的有效煤粉量 218.熱濕拉強度 219.型砂韌性

2、和起模性 2210.型砂流動性和可緊實性 2311.結束語 24濕型砂混砂批料的自動控制于震宗（清華大學 100084） 2003/6摘要：本文首先簡略敘述國內常用的濕型砂中水分的自動控制，然后介紹國內外關于膨潤土和煤粉加入量的自動控制方法概況，并對我國鑄造工廠應用可能性提出看法。關鍵詞： 濕型砂 混砂 自動控制前言 濕型砂在混砂時加入到混砂機中的各種材料統稱為批料，其中占絕大部分的是用回用舊砂，另外還要補加適量的水分、新砂、膨潤土、煤粉等材料。所加入的各種材料的重量比例關系成為批料配方。如果所生產的鑄件品單一或結構相近，舊砂中膨潤土、煤粉的燒損量和潰碎砂芯的流入量比較穩定，批料配方中的膨潤土

3、和煤粉的補充加入量可以基本穩定不變。由于回用舊砂可能或干或濕，只需要調整混砂加水量使型砂最終的干濕程度符合規定，這是比較容易實現自動控制的。但是，假如同一型砂系統的造型線生產多種鑄件，鑄件大小和厚薄、砂鐵比高低等具體條件不同，再加上砂芯多少不等，潰碎砂芯流入量不同，就會使回用舊砂中的有效膨潤土、有效煤粉及灰分含量差別激起明顯。在這種情況下，雖然加水量的自動控制仍然容易，但混砂批料配方中膨潤土和煤粉等材料補加量有很大區別。目前絕大多數鑄造工廠仍然是靠經驗來人工調整混砂批料加入量的，因而導致型砂性能經常波動。為了使型砂質量穩定和生產成本降低，人們開始試圖采用計算機技術解決這一難題。混砂批料的自動控

4、制可以分為：本批控制、下批控制和預防控制三種1 混砂加水量的自動控制“本批控制” 我國仍有很多鑄造工廠靠定量水表或定量水箱將水加入混砂機的型砂中。如果回用舊砂中有未澆注的砂型，就會使混制出型砂含有過分高的水分。經過周末或假日尚未落砂的砂型可能使回用舊砂變干，混制出型砂就會有過分低的水分。必然造成型砂的含水量和緊實率都產生極大波動。還有些鑄造車間中完全靠混砂工人手工操作給水閥門，根據手捏感覺和混砂機中型砂翻滾或粘附混砂機側壁現象控制加水量。這種辦法要求混砂工人具有豐富經驗，并且經常用型砂實驗室用儀器測得數值核對手和眼睛的感覺。這樣混制出型砂干濕程度也有較大誤差。目前我國已有一些工廠的混砂機安裝有

5、混砂加水的自動控制裝置，使型砂卸砂時的干濕程度已符合規定的要求。常見的自動控制方法有兩大類：1.1 一次性加水有些混砂機的自動加水裝置是用電容法測定出稱量斗中回用舊砂的含水量，連同測得的舊砂溫度和砂量，計算出向混砂機中加水量；或者是用電阻法測得混砂機中干濕物料的含水量和溫度后計算出加水量，自動控制電磁水閥一次將水加足。1.2 連續加水混砂時陸續加水并隨時測得型砂的成型性、緊實率或導電率，直至達到設定值后自動關閉電磁閥停止加水。有以下三種形式：成型性：用成型性判斷型砂干濕程度來自動控制加水裝置的工作原理與圓筒篩測定成型性是相似的，也是根據型砂是否容易通過細小開口來確定干濕程度。區別是采用帶有窄縫

6、隙和寬縫隙的振動槽替代了轉動的圓筒篩。在向混砂機連續加水過程中不斷取出砂樣，根據砂樣能否從窄縫和寬縫落下和阻擋光電管光源來判斷型砂是否已達到所要求的干濕程度，以此自動控制加水閥門。這種裝置在國內也有應用。工廠經驗表明，為了裝置正常工作，必須保證經常擦洗光源和光電管的玻璃表明，以防聚集塵土阻擋光線通過而失靈。緊實率：其后的改進裝置取消了光電檢測部分，改用一只以水平軸旋轉的輪子。在向混砂機連續加水過程中，從混砂機不斷取出型砂經由振動槽向鉤槽內送砂刮平，上面有另一只寬度比溝槽稍窄的從動輪對溝槽中型砂壓實，其壓下距離就代表緊實率。當緊實率符合要求時停止向混砂機中型砂加水。這個辦法的原理與用試樣筒測定緊

7、實率相似。由于溝槽的深度有限，壓實時溝槽中型砂會側向滑動，以致控制精度不高，現已較少采用。目前應用最成功的自動化緊實率加水控制裝置與型砂實驗室中測定緊實率的方法完全相同。由螺旋取樣器自動從混砂機取砂，經漏斗進入試樣筒。刮去多余的型砂后用壓力為1Mpa的液壓缸壓實，使筒中型砂的緊實程度基本上與用沖樣器沖擊三次近似。用位移傳感器測定壓砂行程，靠微機計算出緊實率。開始加水時型砂較干，測得緊實率低于規定值，需繼續加水直到緊實率符合要求為止。國內有些鑄造廠的混砂機安裝有從國外引進的混砂緊實率自動控制加水裝置。有的控制儀在加水后每15-16s自動從混砂機中取樣測定一次，還有一種裝置約兩分鐘取樣測定一次，控

8、制效果都較良好。導電率：也可以邊加水混砂，邊測出混砂機中型砂導電率，并用砂溫修正后得出實際含水量，與設定含水量比較后計算機確定出補充加水量，控制電磁水閥加水。有幾家外國公司的產品屬于此類。我國已有多家鑄造工廠應用這種裝置。以上三種加水量控制方法都是對正在混制中型砂批料進行控制，因此可稱為“本批控制”。2 型砂的在線監測和批料中膨潤土和煤粉加入量自動控制“下批控制”國內外有些研究和單位研制出多種型砂多性能在線自動監測裝置，有的與成型性或緊實率從混砂機自動取樣監測裝置結合在一起。還有的安裝在混砂機的卸砂溜槽或卸砂帶式輸送機旁，自動由混制好型砂取樣。這些裝置除了測定緊實率以外還增加了測定濕態強度（濕

9、剪強度或濕壓強度）、溫度、含水量、透氣率、剪切變形量和砂型硬度等。自動將型砂參數的實測值與預先規定的目標值相比較，由計算機算出以后批料配方中膨潤土應有的補加量。因為水比較容易分布均勻，每次加水后估計約十幾秒鐘（快速混砂機）或三、四十秒鐘（碾輪混砂機）后即可達到緊實率基本穩定階段。所以在混砂機中陸續加水和隨時取出樣測定緊實率來判斷是否已達到規定值是比較方便的。但是膨潤土的分散和包裹砂粒比較費時，即使緊實率保持不變，一次加入膨潤土后型砂濕態強度會隨著混砂時間的延長而緩慢變化。混砂機的工作周期時間有限，在很多工廠中混砂結束時膨潤土可能仍未完全發揮出粘結強度。所以不能簡單地從正在混制的型砂中取樣測得還

10、在變化的濕態強度作為下一批型砂的批料加料設備的調整信息，使以后混制出的型砂具有設定的性能。國外有些單位研究由型砂濕態強度在混砂過程中的變化趨勢建立起教學模型，預測出最終的濕態強度和緊實率，從而用來確定本批型砂所補加的膨潤土和水是否已夠，并確定所需要的繼續補加量。這種辦法還有待于進一步研究和發展。我國通常使用發氣量方法測定有效煤粉量，而國外則是用測定型砂的含碳量、灼燒減量和揮發分含量的辦法推測有效煤粉含量。由于型砂中的有效煤粉含量較難用在線方法檢測出來，通常是根據工廠所用膨潤土和煤粉的材質不同而將二者的比例固定，使煤粉的加入量隨膨潤土的補加量而異。例如有一些鑄造工廠的高效煤粉加入量是優質膨潤土加

11、入量的1/(2.53)。3 計算機預先計算出膨潤土和煤粉加入量的自動控制“預防控制”如果在一個砂型系統的造型線上生產幾種鑄件的砂鐵比不同、砂芯流入量不同和鑄件工藝參數不同，則回用舊砂中的殘留的有效膨潤土、有效煤粉含量都不相同。假如仍然按照固定的批料配方所規定的膨潤土和煤粉補加量進行加料和混砂，即使型砂緊實率符合要求，也必然會造成型砂性能波動和鑄件廢品率增高。人們早已普遍認識到生產多種鑄件的型砂系統應當根據每天的生產計劃來改變膨潤土和煤粉的加入量。例如80年代初期資料介紹德國Buderus鑄造廠的工長按照鑄件重量改變膨潤土和光亮碳材料的補加量（德國鑄造行業習慣將煤粉等鑄鐵件抗粘砂材料稱為光亮碳材

12、料）。在表格中將鑄件重量分為13個級別，例如鑄件重量級別為2030kg的膨潤土和光亮碳材料定量給料器加入時間分別為6s和3s；鑄件5060kg的加入時間分別為10s和5s1。其后有些人更加細致地從各種鑄件的膨潤土和煤粉燒損量、潰散芯砂流入量等方面計算補加量211。自從計算機的功能日益提高和使用日益普遍后，又試圖根據生產計劃安排用計算機預先確定膨潤土和煤粉配方的自動控制方法5!2。以下將簡要介紹其內容、應用概況。3.1 膨潤土和煤粉的損耗金屬液燒注入砂型后，熱量使靠近鑄件表面的膨潤土受熱燒損。膨潤土的損耗程度取決于(1)膨潤土本身的熱穩定性：包括鈉化程度、礦物組成、化學成分、結晶構造等。例如天然

13、鈉土的燒損低于鈣土，活化膨潤土的熱穩定性也高于未經活化處理的鈣土。由于還有些未知因素的影響，各種膨潤土的熱穩定性必須具體測定，不能一概而論。(2)熱量作用大?。喊ㄉ拌F比、冷卻時間等。例如砂鐵比低的鑄件熱量對型砂中膨潤土的燒損作用更強些。冷卻時間短的鑄件對膨潤土的燒損更少些。GF公司Mettmann鑄造廠的試驗工作證明燒注后65min落砂的膨潤土燒損比120min落砂的少2。有些鑄造工廠通過大量反復的試驗工作或幾個月膨潤土和煤粉實際消耗量的統計工作，得出針對該工廠中鑄件所使用原材料的燒損系數。通常用燒注100kg鐵，型砂每1%有效膨潤土的燒損量kg來表示膨潤土的燒損系數，如下所示：膨潤土的燒損

14、系數：AB* = 膨潤土kg / 型砂有效膨潤土量% / 100kg鐵Mettmann鑄造廠測得結果：膨潤土是0.350.58kg / 1%有效土 / 100kg鐵。即膨潤土的燒損系數（AB*）= 0.350.58。光亮碳材料是0.140.27kg / 1%光亮碳材料 / 100kg鐵。即光亮碳材料的燒損系數（AC*） = 0.140.272。其他人給出的膨潤土燒損系數（AB*）各不相同。美國Heine得出懷俄明天然鈉土為0.19，南部鈣土為0.44；而Vingas則分別為0.16和0.275；荷蘭Levelink測得0.25；德國鑄造技術研究所的結果是膨潤土燒損量隨鑄件壁厚增加而降低，壁厚為

15、10、20、50、100mm時，膨潤土燒損系數對應為0.47、0.35、0.23、0.173。瑞士Hofmann調查5家鑄造廠膨潤土燒損系數，結果表明除了與膨潤土來源有關，而且與砂鐵比( S / M )有關。這5家鑄造廠的膨潤土類別和有效土量、砂鐵比、膨潤土燒損系數分別如下；德國活化土9%、S/M=9、AB*=0.22;德國活化土10%、S/M=5、AB*=0.525；德國活化土10%、S/M=10、AB*=0.175；美國南部鈣土7%、S/M=9、AB*=0.205；德國活化土10%、S/M=7、AB*=0.364。德國KHD鑄造廠生產曲軸箱、汽缸頭等鑄件，測得燒損系數(AB*)：膨潤土為0

16、.85；灰鐵件的光亮碳材料燒損系數(AC*)為0.450.55，球鐵件為0.350.45。型砂原來的有效膨潤土含量為8.0%，按上面公式計算燒注第一種鑄件時熱作用使舊砂的有效膨潤土降為7.03%，第二種鑄件的有效膨潤土降為6.96%，第三種鑄件的有效膨潤土降為5.68%5。3.2 潰碎砂芯的流入和型砂的更新樹脂砂芯受鐵水的熱作用后，鑄件落砂時大部分潰碎后混入回用的舊砂中。流入舊砂的砂芯量占舊砂量的比例因工廠的生產條件、鑄件種類等眾多因素而異。必須通過試驗測定才能確定各工廠中各種鑄件的潰碎砂芯流入量。例如：Mettmann鑄造廠8種鑄件的芯砂流入量占相應砂型中舊砂量的0.144.25%2。Har

17、zer鑄造廠生產汽車球鐵件和灰鐵件，砂系統不加新砂，只靠潰碎散芯砂流入。芯砂流入量最多可能達到型砂總量的12%6。第一汽車公司第二鑄造廠三種汽缸體鑄件落砂時砂芯潰散流入舊砂中的量按砂芯重量的80%計算，分別占相應砂型舊砂量的1.96%、3.25%、4.4%7。德國KHD鑄造廠使用冷芯盒砂芯和殼芯。其中第一種鑄件無砂芯流入，落砂后該砂型舊砂中有效膨潤土仍如前面所述的7.03%。第二種鑄件的砂芯有90%流入舊砂中，占該砂型舊砂量的6.7%，連同熱作用的影響，使該砂型的舊砂中有效膨潤土量為7.0%。第三種鑄件中砂芯重量較大，有70%的砂芯流入舊砂中，占該型 量的16.0%，連同熱作用的影響，使該砂型

18、的舊砂中有效膨潤土量下降成4.8%5。由此可見，生產芯砂流入量不同的鑄件時，需要在混砂時補加的膨潤土和煤粉量應當有很大差異?；焐皶r向型砂中加入新砂的作用有以下三個：補充因排出廢砂而造成的砂粒損失；調整粗粒芯砂流入而造成的砂粒粗化；沖淡澆注熱量造成的失效膨潤土失效煤粉等灰分。Mettman鑄造廠的經驗是如果灰分含量大于3.0%，就會使型砂的比表面積增大，還會干擾所要求的熱濕拉強度2。也有人提出灰分不得超過3.25%8。如果型砂中灰分過高，就會迫使型砂加入更多的膨潤土，同時也需要提高型砂含水量，從而使鑄件缺陷增多。應當及時加入新砂來沖淡灰分，極端情況下需要大量加入新砂并大量排掉舊砂，以免系統中砂量

19、過多。很多人都認為計算膨潤土和煤粉補加量時可以將流入的潰散砂和加入的新砂混在一起考慮，兩者都同樣起型砂更新作用。Egen認為實際上潰散芯盒新砂的加入量通常是1025kg/100kg鐵3。但我國有些工廠的潰碎砂芯和加入的新砂總量較高7，原因可能是所選用的膨潤土粘結強度和熱穩定性較差、煤粉含灰分過高，以致型砂含泥量偏高造成的。3.3 膨潤土和煤粉補加量的計算如前所述，加入到混砂機的回用舊砂中膨潤土和煤粉的殘留量不但受燒損等損耗的影響，也受砂芯流入量的影響。除塵器也有影響，但是為了簡化計算大多數將此項忽略不計。補加量通常是按照Egen給出的公式進行計算3，各單位所用計算公式只有微小變化211。以下舉

20、例說明Mettmann鑄造廠所用膨潤土補加量計算公式2：b = Bact × 0.01 × ( SN + SK ) + AB* 式中：b 膨潤土補加量，單位為kg/100kg鐵； Bact 型砂中有效膨潤土設定值，%； SN 新砂加入量，單位為kg/100kg鐵； SK 流入舊砂的潰散砂芯量，單位為kg/100kg鐵； AB* 膨潤土燒損系數，kg/有效膨潤土%/100kg鐵。煤粉的燒損系數確定方法與膨潤土類似。國外有的鑄造工廠近似地用含碳量、灼減量或揮發分來估計煤粉的有效含量。該廠的光亮碳材料設定量與補加量都按含碳量計算，所采用的亮碳加入物量計算公式如下：c = C &#

21、215; 0.01 × ( SN + SK + b ) + AC*式中：SN 、SK 、b同上式； c 光亮碳材料補加量，單位為kg/100kg鐵； C 型砂中含碳量設定值，%； AC* 光亮碳材料燒損系數，kg/有效碳%/100kg鐵。3.4 型砂批料配方的膨潤土和煤粉自動控制方案 如圖所述，用同一型砂系統分階段生產多種厚薄、結構和重量相差懸殊的鑄件時，煤粉、膨潤土的燒損明顯不同，潰散砂芯混入量也不相同。為了防止型砂性能過分波動、鑄件缺陷增多和節約附加的用量，國外開始重視型砂質量的預防控制（或稱為型砂質量的平衡控制），也就是混砂批料的預防控制。其要點是通過大量試驗得出各種鑄件（或各

22、組類似鑄件）的膨潤土和煤粉燒損量、芯砂流入量、除塵損失量。根據公式計算出這些鑄件的膨潤土、煤粉補加量，并確定新原砂加入量。也可以根據該鑄件在生產期間的物料消耗量調查出實際補加量。根據生產計劃所安排的鑄件模板號，利用計算機來自動控制混砂機的批料配方。在開始階段使用型砂實驗室儀器或多功能在線監測儀檢測型砂性能是否符合設定值。如有需要就調整附加物加入量。關于中的具體做法有兩種，可以用Harzer鑄造廠的混砂機批料配方預防控制為例子。該廠曾經使用“背包袱控制法(Huckepack-Verfahren)”，可以理解為“疊加控制法”，即預先將計算出膨潤土和亮碳材料補加量加入到生產該鑄件的型砂中，提前補足附

23、加材料的燒損，使回用舊砂中各種材料含量基本穩定不變。這種辦法比較容易實現。但該廠經使用后發現雖然回用舊砂的有效膨潤土量相當穩定，而造型用型砂的有效膨潤土實際含量超過了目標值。高膨潤土量導致型砂含水量增高，混砂效率下降，型砂中團塊增多，流動性變差，極端情況時產生爆炸粘砂。后來改用“隨砂箱控制法(Kastenbezogen Steuerung)”,即每一箱鑄件落砂前，自動將砂箱中模板號、鐵水量、澆注與否等信息通告給控制系統，有造型材料平衡計算機存儲的砂箱信息中自動查出該鑄件回用舊砂的各種材料損耗量、芯砂流入量。并且自動計算出混制型砂所需膨潤土、光亮碳材料、新砂等材料的補加量。計算機將這些數據存儲起

24、來，等待一段時間間隔后，當該批舊砂開始送到混砂機中時，按照計算出的膨潤土、亮碳材料等材料的補加量自動控制加料。同時混砂機加水設備在此階段中將本批型砂調整到要求濕度。該廠采用此控制系統后，型砂中有效膨潤土量和含碳量穩定在設定的目標范圍內。鑄件缺陷減少，表面品質良好。取樣檢驗頻率由每日6次減為4次6。4 討論1）如前所述，型砂加水量自動控制技術已經成熟，國內有一些鑄造工廠使用進口的檢測控制裝置后濕型砂質量大為提高。但是，幾種國外產品的價格都較昂貴，超過了我國大多數工廠的承受能力。目前國內研制的成型性加水量控制裝置的質量并未穩定，而且受混砂機操作平臺的位置限制而影響光電儀器玻璃的擦凈工作，大多半途而

25、廢。電阻法水控裝置用于碾輪式混砂機的信號輸出與中心加水管的結構復雜，也還需要通過更深入的試驗研究得出砂溫對電阻信號的影響?？赡苓@種裝置用于轉子式混砂機的結構稍簡單些。國內有的單位研制的緊實率法控制加水裝置是基本成功的，提高其穩定性和耐用性后即可推廣使用。但各研究單位似乎未重視向生產的轉化，而將注意重點轉向“水平較高的”型砂多性能測定儀器。2）型砂多性能在線自動監測裝置大多安裝在混砂機的卸砂溜槽或卸砂帶式輸送機旁，測定結果與計算機相連，計算出應有的膨潤土補加量可供下批混制型砂時參考應有。也有個別裝置是從混砂機中陸續取樣測得緊實率、溫度和強度等性能，但其中只是緊實率對型砂的本批控制有用。混砂中途測

26、得的強度并非終強度，不能用來調節本批型砂所應補加的膨潤土量。3）用計算機預先得出混砂批料加入量的自動控制型砂質量的方法是比較理想的。但是并非適用于各種鑄造工廠。如果鑄造廠中一個砂系統所供應的造型線只生產單一（或近似）品質的鑄件，就無需采用計算機進行混砂批料配方的預防控制。如果一個砂系統供應兩條或多條造型線各自生產多種結構不同的鑄件，用計算機預防控制的難度極大，也不適宜貿然采用。還應當注意到各種參數并不能簡單套用資料中給出的數據。例如同樣質量和壁厚的兩種鑄件，一種無或少砂芯，鐵水熱量基本上全部作用到型砂；另一種鑄件的內表面大部分有砂芯組成，鐵水接觸型砂不多；生產這兩種鑄件時，不但芯砂流入量極其懸

27、殊，而且膨潤土和煤粉的燒損系數也大不相同，不能單純用鑄件重量計算出膨潤土和煤粉的燒損量。由于各廠所用的原材料的品種不同，造型和砂處理工藝條件也不全相同，必須逐個鑄件進行各種參數的具體測定。此外，實行“背包袱法”計算機管理的控制目標只是保證舊砂性能穩定而預先多加膨潤土和煤粉，不如“按砂箱法”合理。但是如果舊砂倉掛料和不能保證“先進先出”就難以確定舊砂循環回用的周期長短，也就不能準確判斷進入混砂機的舊砂來自哪種鑄件。4）從保證型砂質量和鑄件質量出發，即使暫時不采用混砂批料加入量計算機預防控制，也應該測定出本廠生產各種鑄件的膨潤土和煤粉燒損率和芯砂流入量。從而可以更準確地判斷鑄造該種鑄件的原材料合理

28、加入量。如果所生產的鑄件種類多和結構不同，也可以采取簡化辦法將鑄件分為若干小組，分別確定該組的各種參數。試行后定會提高型砂和鑄件質量，也將會節約型砂元材料的消耗量。參考文獻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

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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. 陳浩等：型砂物料補加量的控制，中國鑄機，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.:回用膨潤土砂系統自動監控的新方法，造型材料，1991，1，1420（原文Gisserei,1989,Nr.23,793798）.11. Berndt H.:型砂處理新進展，CP+T(中文)，1993，49.12. 吳浚郊等：型砂系統質量控制的新進

32、展，鑄造，1999，12，4448.關于濕型砂的混砂工藝于震宗(清華大學 100084) 2003/6摘 要 當前常見的濕型砂混砂機有碾輪式、擺輪式和各種式樣的轉子式。國產混砂機與進口混砂機相比的明顯區別是電動機功率小，對每批型砂輸入電能不足，從而影響型砂性能不良。關鍵詞 濕型砂 混砂機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. 前言要想制備出優良品質的濕砂型鑄件，必須使用性能優良的濕型砂。優秀品質濕型砂的獲得，除了需要選用優質的原材料和有一整套較為理想的砂處理設備以外，還要有良好的混制工藝。以下討論幾種不同類型混砂機的混制工藝，其中包括結構特點，加料順序，混砂時間等。并將分析比較使用進口與國產混砂機的關鍵性區別所在。2. 幾種常用的混砂機類型 國內外鑄造工廠常見的混砂機有多種類型，現擇要介紹其特點和存在問題如下：2.1 碾輪式混砂機這是使用歷史最為悠久的混砂設備。近年來

35、為了減輕滾輪重量采用了彈簧壓力，為了加強攪拌作用輪緣側面加裝松砂棒，為了減少刮板磨損采用鑲嵌硬質合金或陶瓷片。并且采取了在底盤和圍圈鋪設石板等等措施。這類混砂機雖然機構簡單，然而需要較長時間的混合。這就是在鑄造行業中紛紛出現多種其他結構不同混砂機的原因。目前碾輪式混砂機在我國應用仍然較多，但大多混砂作用不夠充分。存在的主要問題為：傳統的混砂加料方法是首先向混砂機中加入舊砂、新砂和粉料。干混兩分鐘后再開始加入水分。上個世紀50年代英國Parks認為在干混過程中膨潤土和煤粉會偏析聚集到混砂機周圍和底盤的夾角處。當加水后此處的膨潤土和煤粉遇水形成粘土團，就要花更長的混砂時間才能將粘土團碾開分布到砂粒

36、表面。他主張混砂時加入回用砂和新砂后應先加入適量的水濕混，混均勻后再加入膨潤土和煤粉。最后補加水達到所要求的型砂濕度。我國有一些人做過對比試驗，結果表明先濕混的方法比先干混的型砂強度提高較快，隨混砂時間的延長兩者有接近的趨勢，為達到所要求的濕態強度，先濕混的混碾時間比先干混縮短1/3到2/5。因此，如今很多混砂機都采用現向干砂中加水所需加水量的6075%左右進行濕混。加水停止后必須碾混1min左右，然后加入粉料。以后即可邊混邊補加水至緊實率或含水量達到要求和混砂時間足夠為止。我國很多鑄造工廠所用碾輪式混砂機的混砂時間嚴重不足。大部分原因是原設計的技術指標是按照過去低密度造型、低強度型砂制定的。

37、過去砂型的壓實比壓不足300400kpa，型砂的濕壓強度不高于7090kpa。膨潤土的品質有限，有效膨潤土含量不高。如今高密度造型用型砂的濕壓強度一般都超過140kpa，有的甚至達到200kpa以上，而且砂芯混入量增多都需長些混碾時間。原有的設計手冊上規定的混砂機生產率已不適用。混砂機生產廠商提供的產品目錄上注明的生產率至多只可按一半考慮。此外，高密度造型每箱需砂量比低密度造型大約多十分之一左右，原有期望的供砂量不能滿足生產要求。因此國內很多工廠所能采取的救急措施是縮短混砂周期，我國鑄造工廠常用的碾輪混砂機型號為S1116、S1118、S1120和S1122。根據產品目錄給出數據，生產率(t/

38、h)除以每批加料量(kg)可計算得出每批型砂的混砂周期（包括加料和卸料時間在內）時間分別為2.602.70min/批?；焐爸芷陂L度嚴重不足，以致型砂性能逐漸惡化。國外有些鑄造工廠使用碾輪混砂機的混砂周期比較充分。例如日本豐田汽車公司上鄉工廠的自動控制碾輪混砂機有顯示屏表示每15s檢測出的緊實率、含水量和砂溫。開始混砂以后直到289s時，型砂達到緊實率40%，含水量3.9%，砂溫30以后開始卸料，估計其總混砂周期是6min。三菱自動車公司川琦鑄造廠的碾輪砂機周期為6min。日本其它鑄造工廠的技術人員也表示，碾輪混砂機的周期絕不應少于6min。為了提高生產率，美國Simpson公司生產出“8”字形

39、雙碾盤連續碾輪混砂機，可以節省掉加料和卸料所耗費的周期時間。但是仍然遵循間歇式碾輪混砂機的設計規律，并未將節省下來的周期時間用于混砂工作，以致型砂的平均混砂時間仍然不足。而且必然有部分型砂循走捷徑，晚進早出，混砂時間遠低于平均混砂時間。因此混砂均勻程度值得懷疑。另外缺點是機器外形比較龐大。我國以前個別工廠也有使用，現大多改換其他混砂效率更高的混砂機。2.2 擺輪式混砂機與碾輪式混砂機的結構最大區別是具有兩只或三只水平方向擺動的碾輪，碾輪的輪緣和圍圈的內層包裹著橡膠襯套。隨主軸旋轉的刮砂板將型砂拋起到碾輪的碾壓軌跡下。擺輪靠離心力向型砂碾壓混合。擺輪式混砂機是一種高速混砂機，周期為2min左右。

40、我國原來仿制的SZ124型擺輪混砂機的每車加料量太少（只有0.6t），結構陳舊，缺少良好的配套裝置。各廠所用的這類混砂機已趨于淘汰。但新由國外引進的擺輪混砂機則為三擺輪大容量、結構較新和具有全套鼓風機、排氣葉片閥、型砂濕度控制、粉料回收膨脹箱等裝置。遼寧某鑄造廠進口一臺屬于中型的擺輪混砂機，每批混砂量90kg。國外最大型擺輪混砂機每批混砂量可達2.53.0噸據美國B&P公司介紹，一般情況下混砂周期只需90s，嚴格條件時也只要105110s。加料順序較為奇特，在加入干砂以前先向混砂機中加入75%的水，讓混砂機被水潤濕。隨即加砂，在混砂機中掛一層砂，可以減少刮板和底盤的磨損。時間分配：0-

41、5s加水75%,510s清洗，10-15s加入砂，1518s加入膨潤土和煤粉，2580s混碾并吹風，在50s時根據型砂的濕度加入其余的水，8090s卸砂。該混砂機的鼓風機自底盤中心向型砂鼓風降溫，加入粉料時有 板關閉暫停吹風，排風管道也有閘板暫時堵住風管，以減少粉料損失。圍圈側面有粉料膨脹管，粉料飛逸進入膨脹管后還可自行靠重力流回混砂機。德國Webac公司給出的擺輪混砂機周期85s，也是先加水，但水量按照量斗中砂的濕度而定，一次加入。2.3 轉子混砂機德國Eirich公司生產的混砂機主要是單轉子和斜角度25°底盤，生產率60m3/h。（另外還有一種容量較大的雙轉子水平底盤，生產率60

42、m3/h）。加水程序與碾輪混砂機先加入大部分水量進行濕混的辦法不同，采用的程序是將回用砂、舊砂、膨潤土和煤粉加入混砂機后先干濕。混勻后由混砂機中的檢測探頭測出干材料含水量和溫度，由計算機確定應加水量，然后加水進行濕混。其防止粉料偏析而知混砂時間加長的主要措施是靠與混砂機圍圈和底盤密切靠近的刮砂板將該處材料完全刮起。在底盤旋轉到頂點附近時，此處的材料受重力影響向下滑落，全部恰好遭遇到線速度約16m/s高速旋轉轉子葉片沖擊，而使型砂揉搓混合均勻。轉子下端靠近底盤，幾乎所有加料都能受到轉子打擊攪拌。而且Eirich公司規定的混砂周期較長(140s)，每小時混砂26批。國內外還有幾種形式的轉子混砂機產

43、品，例如KW公司MW系列轉子混砂機和DISA公司SAM系列轉子混砂機，以及國產S14系列混砂機等。都是采用靜止底盤，靠中央設置持續旋轉的大直徑刮砂板將底盤上的砂料堆起，受高速旋轉的轉子葉片的打擊而混合均勻。KW公司規定的混砂周期時間為135s，DISA公司規定為90s，我國S1420和S1425規定為120s。研究工作表面我國廠家推薦的周期時間可能偏少，無法使膨潤土的粘結力充分展開，同樣緊實率條件下型砂達不到濕壓強度的最佳值。此外，我國尚有S13、S16等系列具有轉子機的混砂機，工廠使用較少，本文步擬多述。3. 混砂效率和混砂生產率如前說述，有些設備制造公司在產品目錄上標注的混砂機生產率可能是

44、指低密度造型用砂而言，也不排除設備制造公司有夸大生產率的嫌疑。這就是為何很多國內鑄造工廠經常感到混砂速度趕不上造型的主要原因。鑄造 應當確實知道所使用混砂機的真正混砂效率如何？是否已將足夠的電能傳輸給了型砂？3.1 混砂機的混砂效率混砂機的混砂效率應當是鑄造工廠的常規檢查項目。檢驗方法是先按照工藝規定時間混砂，測定工藝試樣的濕態抗壓強度。然后再延長混砂時間1分鐘，但需預先稍微加入少量水分以保持緊實率基本不變，再一次測定型砂試樣強度，強度值將有不同程度的上升。如此每次延長混砂一分鐘，并保持型砂緊實率穩定不變和測定強度，直到強度不再上升，即達到“峰值強度”為止?；焐皺C的混砂效率可以按下式計算：混砂

45、機的混砂效率（%） = （實際混砂強度）/（型砂峰值強度）由于強度接近平臺區的升幅極為緩慢，通常認為生產實際中，型砂強度到達峰值的8590%左右即為最適合使用的強度。此時的混砂時間可以認為是混制該型砂的正確時間，工廠可以據此更正工藝規定的混砂時間要求。工廠混砂實際缺少時間（單位均為min）按下式計算：混砂實際缺少時間 = （達到8590%峰值強度的時間）-（實際混砂時間）清華大學曾檢驗某拖拉機廠鑄鐵的舊砂，試驗結果表明為要達到峰值強度尚需繼續混砂6min。又曾檢驗山東某動力機廠型砂使用S14系列轉子混砂機的混砂效果，發現達到峰值強度的混砂周期應當是4.5min，建議工廠達到最適合使用強度的混砂

46、時間定為4.0min，明顯高于設備制造公司推薦的混砂周期2.0min。為了簡便，也可利用型砂實驗室中小型混砂機做試驗。取生產混制出的型砂在小混砂機中，保持緊實率基本不變的條件下不斷增多混砂時間（每次1min）。檢驗方法和計算方法如同上面一樣。有人提出更簡單的辦法，將型砂一次延長混砂時間5min，保持緊實率或水分不變情況下測定型砂強度，可以粗糙地計算出：混砂機的混砂效率（%）=（實際常規混砂強度）/（延長混砂5min后強度）此法雖然簡單，但是得不出工廠混砂實際缺少時間，對工廠改進生產缺少一個重要參照數據。3.2 混砂機需要的電動功率和向型砂輸入的能量型砂的混合均勻和表現出優秀的性能靠的是足夠的電

47、能傳輸到型砂中，使型砂的膨潤土在巨大的能量作用下，經過攪拌、揉搓和混合作用，才能均勻和分散地包覆在砂子顆粒表面上。因此，混砂機需要安裝較大功率的電動機。分析比較國內外混砂機可以看出：混砂機的電機總功率（KW）至少應當是每小時型砂生產率（t/h）的一倍以上，否則不可能在規定周期時間內混制出良好的型砂。例如Eirich公司的傾斜底盤轉子混砂機電動機容量與小時生產率之比大致在2.62.8；DISA公司的SAM-3和SAM-6的電機功率生產率之比基本在2.242.36之間；KW公司的WM混砂機基本在2.582.83；B&P公司的擺輪混砂機大致在1.923.00之間。而國產混砂機S1116、11

48、18、1120、1122的比率較低，分別為1.471.85。國產S14系列轉子混砂機電機功率與生產率之比僅為1.33和1.50，明顯過低。有人通過試驗比較發現不論混砂機的種類形式如何，只需分別給予充分和足夠的混砂時間都能使型砂達到優良的性能。區別只是各種混砂機的混砂時間長短不同而已。鑄造生產中要想提高電機功率與混砂生產率的唯一辦法是降低生產率和延長混砂周期。但是大多數工廠中存在問題是混砂趕不上造型需要，不可能延長混砂時間，只能縮短混砂時間。混砂時間不足的后果是型砂強度不足，韌性偏低。如果是采取先干混后濕混的方案，縮短加水后的混砂時間還會出現型砂濕干不勻，卸砂粘皮帶和砂斗。要達到高密度造型用型砂

49、強度就必須過量加入膨潤土，因而型砂含泥量。含水量高于正常高質量型砂，型砂中還會出現大量豆粒般大小的“砂豆”，其主要成分是未被充分混合均勻的潛在膨潤土。不論混砂機的類型如何，較長的混砂時間才可以向型砂輸入足夠多的電能。由混砂機生產公司提供的生產率和電機功率可以推算出每噸型砂耗用的電能多少。以下假定各種類型混砂機電機總容量的85%為實際負荷率（包括裝料和卸料時間計算在內），計算結果如下表：公司和機型每噸型砂耗能(kWh)平均(kWh)中值(kWh)DISA SAM轉子混砂機12種(周期90s)1.762.101.872.1B&P 擺輪混砂機8種（周期105s）1.632.551.92 （周

50、期90s）1.252.191.69EIRICH R轉子混砂機6種（周期140S）1.132.611.81KW MW 轉子混砂機3種（周期135s）2.23.152.47國產S11碾輪混砂機6種（周期2.62.7min）1.251.571.48國產S14轉子混砂機2種（周期120s）1.13和1.281.21國產碾輪混砂機平均每噸型砂耗能也只有1.48kWh，顯然低于國外混砂機的平均數和中值。國產轉子式混砂機S1420和S1425每噸型砂耗能分別僅為1.13和1.28kWh，與國外產品的中值相比差距尤其驚人！但實際上，鑄造工廠絕大多數國家混砂機的維修情況不夠理想，混砂時電流達不到額定數值，電機總

51、容量的實際負荷率可能遠低于85%。因此，國產混砂機每噸型砂的實際耗能量估計都低于這些計算結果。鑄造工廠應當十分關心混砂機耗能量，由混砂機控制室的電度表可以查閱出每噸型砂的混制能量。或者由混砂機的電流自動記錄儀來分辨出是否有足夠電能施加到型砂中。也有鑄造廠恐怕延長混砂時間會使型砂溫度提高，這成為不肯延長混砂時間的借口之一。實際上將每噸型砂輸入電能提高一倍左右，即提高接近進口混砂機的型砂耗能量，型砂溫度也許僅僅升高三到五度左右。考慮到混砂機有效地排風可以促使水分蒸發而降溫，如果混砂機有鼓風裝置，就更加速水分蒸發。眾所周知，型砂水分每蒸發1%，溫度可降低25左右。只要混砂機的排風管道通暢，不需擔心混

52、砂時砂溫升高。但排風管最易堵塞，應勤加清洗。風管外皮應當有電熱裝置，避免熱態的水汽和粉塵沉積在風管內壁。有極個別工廠的混砂機電動機功率并不小，但實際使用功率可能達不到額定功率的一半。例如某國營汽車廠過去使用SZ124擺輪混砂機，嘗試摘去擺輪只留兩只刮砂板攪動型砂，認為可以節省電能。也有個別工廠使用國產轉子混砂機，轉子葉片嚴重磨損或脫落未能及時更換，也出現電機的電流顯著下降的現象。這樣的混砂機混制出型砂質量之差是可以想象的。4. 混砂機的保養和維修由以上段落可以看出國產混砂設備不論在材質選用或是在結構設計方面都存在一些不足之處，因為經濟實力較強的鑄造工廠大多喜用進口混砂設備。但本文以下只著重從與

53、工藝密切相關的角度，簡要提出有關混砂機保養維修的幾點注意事項：4.1 清理混砂機有的鑄造工廠不注意混砂機的日常清理。碾輪的外緣局部掛有大型死砂塊。其起源可能是由于加入水分時大量淋灑在碾輪的局部表面，有粘附富含膨潤土的型砂。日復一日，越集越多，從未得到認真清除。改用先濕混后干混的方法和還用噴霧加水方法會有改善，但更根本的措施是每日下班以前必須將混砂機清理干凈。碾輪上、地盤上、刮砂板上和圍圈的內表面都必須將粘附的砂子清除掉。有的混砂機的圍圈可以吊起。清理時無需工人鉆入混砂機內，不僅有利于公認的安全防護，而且便于充分清除混砂機各部位的積砂。4.2 調整刮砂板和轉子葉片刮砂板和轉子葉片是最易磨損的零件。曾看到個別鑄造工廠的碾輪混砂機由于刮砂板嚴重磨損，底盤上積存的型砂結成厚達數十毫米的硬塊。不但混砂質量難以保證，混砂機容量也大為減少。雖然正軌生產混砂機的刮砂板等零件鋒刃部位已然鑲嵌有耐磨材料。底盤改用石材鋪襯，工廠的機修部門仍必須按照預