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消失模铸造生产线设计2007年6月22日王仲珏教授安徽工程科技学院消失模铸造生产线设计一、概述二、白区生产线设计三、黑区生产线设计四、铸造车间环境保护五、小结一、概述消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。与传统的铸造技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势，由于采用极易气化的泡沫塑料制作模型，无需取模与制作模芯，无分型面，因而无飞边毛刺，独特的工艺过程完全摒弃了传统工艺工序复杂、工作过程污染物排放量大、工人劳动强度高的不利因素，实现的是一种工序简单，效率高，近无公害的清洁生产。因此被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。结合中国的国情和中小型铸造厂的特点，而设计一条单班制年产5000吨的柔性开放式生产线。能够适应多品种、小批量、多种合金及牌号的消失模铸造。本条生产线从两个部分进行设计：一是：消失模铸造的“白区”部分，主要包括模样的制备、涂挂涂料；二是“黒区”部分，主要包括造型浇注线和落砂清理线。并列出生产线主要设备的技术参数。本条生产线能够代表国内消失模铸造的先进水平，生产线简单，实用，投资少，尤其适合老厂房的技术改造，基础建设主要落在落砂及砂处理工部，因此施工面积和施工量均较少。即可采用平行工作制，又可采用阶段工作制，生产线操作简单，管理容易。适用性强，不用担心老产品的淘汰，新开发的产品铸件只要宽度在一定的范围内均可在线上生产。消失模铸造生产线（附图C）消失模铸造工艺流程（如图1-1）：图1-1消失模铸造工艺流程图二、“白区”生产线设计2.1设计计算白区生产厂房（30m×24m＝720m2）屋架下弦4.5m，按生产工艺流程（图2-1）需要进行布置（详见白区平面布置图附A）。图2-1消失模铸造白区工艺流程图设计年产5000吨消失模铸钢件，按单班制进行生产，全年按工作日250天计算，则：每天要生产的铸件质量：5000/250＝20t/d铸件的平均密度：7.0×103㎏/m3每天生产铸件的体积为：20×103㎏/7.0×103㎏/m3＝2.857m3，每天所需的模样体积为：2.857×150%×20%=5.14m3（设浇注道所用的模料占铸件的50％，再加上损耗按20％计算）模料板的规格为：1000×500×100mm每天所需要的模板数为:5.14/1×0.5×0.1=102.3取103块.使用聚苯乙烯模料的密度为：0.02×103㎏/m3，每天需要模样的质量：0.02×103㎏/m3×5.14＝102.85㎏2.2设备特性1）预发泡机(如图2-2）如图2-2所示的间歇式蒸汽预发机。通过加料口进行加料，在电动机的带动下，搅拌系统旋转搅拌，同时通入压缩空气，蒸汽和水，通过控制盘控制自动操作，预发后的珠粒从出料口排出，完成预发泡。图2-2间歇式预发机参数如下：预发桶尺寸：Ф450mm×680mm一次投料量：2㎏最大蒸汽压力：0.03MPa最高温度：145℃发泡倍率：40～60倍适应粒度：0.2～1.0mm使用材料：EPS一次预发时间：8/min一天工作8小时预发能力：（8h×60min/8）×2㎏＝120㎏，而每天需要的模样质量为102.85㎏，所以此设备能够满足其生产需求。2）熟化仓预发后的珠粒要进行熟化处理，使珠粒富有弹性，增加模样成型时的膨胀能力和模样成型后的抵抗外压变形、收缩的能力。一般选用熟化仓进行熟化。容积5m3，框架采用金属框架并接地，以减少伴随EPS珠粒在运输过程中产生的静电。本生产线选取两个熟化仓交互使用。3）板材成型机（如图2-3）本条生产线生产板材，根据每天需要制作的模板数量103块，尺寸为:1000×500×100mm,选择EPS板材成型机参数如下：工作台尺寸为：2000×1000×500mm，最大模样尺寸:1200×600×150mm,生产效率3~15块/h，本条生产线配置模片成型机1台，板材成型机4台。图2-3是板材成型机结构示意图。从上图可以看出从料缸加入预发后的珠粒，在液压缸的带动下使动定模合模，发泡成型后，用真空泵和阀路系统进行脱模。采用水喷雾冷却方式及蒸汽室中蒸汽压力控制，保证成型温度稳定。板材成型后粘接成模组，然后在粘接浇注系统，一般用机器人进行操作，这里不多介绍。图2-3板材成型机4）涂料搅拌机（如图2-4）消失模铸造能够成功地应用与生产，关键之一就是在泡沫塑料的外面挂上了一层耐火涂料。5）涂料箱（如图2-5）使涂料膏稀释并搅拌均匀，并在其中浸涂模样。为保证涂料均匀、无气泡，以得到良好的浸涂效果，往往需浸涂模型数遍。1－L形搅拌器2－涂料筒图2-4L型搅拌机示意图1-涂料箱2－轨道3－涂料4－搅拌器5－移动小车6－减速器7－电动机图2-5涂料箱结构示意图6）烘干设备在消失模制模过程中，发泡成型后的模样和涂挂涂料后的模样都需要进行干燥。降低水分，提高模样的质量。本条生产线选择在干燥室内干燥，干燥室面积8×5m，干燥选用的是电加热热风循环干燥炉共4台。采用电热风循环方式，实现风温（40～65℃）风速、湿度、干燥时间可控。图2-6是热风循环干燥炉加热系统示意图。1－链板2－风机吹风口图2-6电加热热风循环干燥炉加热系统三、“黑区”生产线设计黑区生产线（工艺流程图如图3-1所示祥见黑区生产线图附B）包括两部分：造型浇注线（工艺流程图）与砂处理生产线（工艺流程图）：浇注生产线设备包括：专用砂箱、三维变频振实台、转运小车、真空泵及系统、雨淋加砂机、造型浇注线PLC控制系统；砂处理生产线包括：振动输送、筛分、磁选、沸腾床冷却去灰装置、砂温调节器、输送装置、除尘系统、PLC电控系统等。3.1黑区生产线设计计算设计生产纲领：5000t/a专用真空砂箱尺寸：1500×1200×（1200＋400）mm平均每箱铸件质量：600㎏平均每箱浇注重量：800～1000㎏熔炼设备配置：3t中频感应炉一套，0.75t两套平均熔炼能力：4～5t/h箱内冷却时间：2～3h回用砂使用温度：≤40℃除尘排放浓度：≤100mg/m3公称年时基数（按双休日、单班平行工作制生产）：a：2000小时/年废品率（含内、外废）：5％图3-1消失模铸造工艺流程图图3-2消失模铸造造型浇注流程图3.2造型浇注线设备参数计算与选择（工艺流程图3-2）3.2.1造型浇注线设备参数计算造型浇注和熔炼为平行工作制，因此一般可按照确定的熔炼能力来计算造型浇注线浇注的生产率：（4～5t）/(800～1000㎏)＝5（箱/h）设计按每小时浇注4～6箱，平均5箱/h，布置8个浇注工位，留有余地，则最多每小时可浇注重量6.4～10t。按单条造型浇注线时，平均造型节拍为：12min/箱按砂箱内尺寸1500×1200×（1200＋400）mm，确定造型线节距为：1800mm根据经验，消失模铸造造型浇注线的瓶颈部位在造型填砂工位，为了确保全线充分发挥其生产能力，设计考虑采用两条造型浇注线，平均造型节拍为：24min/箱，平行工作时造型能与熔炼匹配。冷却段长度的确定：按照箱内冷却时间为2～3h考虑，则冷却段的工位数为12个。造型浇注线上的砂箱采用机动辊道驱动，辊道分段驱动，砂箱蠕动运行，使造型浇注线的运行灵活，具有柔性的特点。3.2.2造型浇注线设备选择1）振实台装置（图3-3）本条生产线配置的是带钳式液压夹紧机构的变频三维振实台，具有高频低幅的振实特性，主题结构包括：固定架、振动架、振动电机、橡胶空气弹簧、液压油缸及钳式加紧机构等，主要参数：额定负荷：6～8t适用砂箱有效尺寸：1600mm×1600mm×1600mm配套液压站系统包括：油箱、叶片泵、移动架、磁阀组、过滤器、液压管路等。2）雨淋加砂装置雨淋加砂器、振动台布置在储砂斗外面，采用皮带送砂机加砂。送砂机可绕砂斗中心旋转，可伸缩加砂。加砂和振动是同时进行的，这就需要雨淋加砂机和三维振实台的共同作用（如图3-4）。图3-3震实台示意图图3-4雨淋加砂机与振实工位本条生产线配置的是带钳式液压夹紧机构的变频三维振实台，具有高频低幅的振实特性，主题结构包括：固定架、振动架、振动电机、橡胶空气弹簧、液压油缸及钳式加紧机构等，砂箱放在振实台面A×B上的砂箱定位槽处，通过卡紧装置固定，在激震源的作用下，通过弹簧传递的激振力产生振动，使型砂紧实。3）真空管路系统（图3-5）消失模铸造的造型和浇注过程通常是在真空条件下进行的，有砂箱和抽真空系统组成一个封闭的系统。真空系统真空度要求不低于-0.09～-0.1MPa。其组成应含除尘、稳压、真空泵、（水气分离器、）水箱、管路及附件等。图3-5消失模铸造车间真空系统布置图等待加砂的砂箱1在双向机动辊道上自动的向前移动，在1、3的位置边加砂边振动，在4的位置进行抽真空后等待浇注。5、6、7、8、9、10、11是真空管路系统装置。4）PlC控制系统本条生产线属于机械化消失模铸造生产线，它的造型浇注系统为全自动的，采用PLC控制，并配有动态模拟屏显示。5）砂箱设计本生产线专用真空砂箱采用的是底卸砂式专门结构，真空室设置在砂箱底部，砂箱结构设计成可拆卸式，砂箱运动采用由机动轨道及运转小车实现，砂箱的行走由数十只无触点开关检测及控制，可以实现蠕动式运行，大大提高生产灵活性（图3-6）。生产率：4～6箱/h节距：～1800mm机动轨道主要由机架、辊子和链条、摆线针轮减速器等组成。（图3-7）机动轨道转运小车行走电机采用双速电机。单工位单向机动辊道30套：载重6～8t，节距1800mm双工位双向机动辊道3套：载重6～8t，节距4400mm变速转运小车2台，载重量为6～8t1—多孔板2—开门机构底卸图3-6底卸式可抽真空砂箱图3-7底卸式砂箱及辊道运转小车图3-8砂处理生产线工艺流程图3.3砂处理生产线（工艺流程图3-8所示）3.3.1砂处理线参数计算砂处理可以作为整个消失模铸造生产线中的独立的线——即“砂处理线”。对砂处理线的设计不用对每台单机进行选型计算，只要计算出砂处理线所需要的生产能力即可，对其中的各单机进行符合这一能力的匹配。砂处理线的设计：通常根据生产大纲计算出每小时砂处理量，这砂处理量就是各单机的生产率最低要求。根据工艺分析和砂铁比计算后得全年砂处理量如下：生产大纲：5000/吨/年造型产量：5250/吨/年（含废品）型砂密度：1.2×103砂处理量：（1.5×1.2×1.2～1.6）×1.2×5＝13.0～17.3t/h所有砂处理设备设计生产能力均按照15～20t/h计。3.3.2砂处理生产线设备特性1）振动筛分疏输送机基本参数：B＝500，H＝1200，L＝5000，输送量＝20～30t/h。图3-9水平筛分输送装置上图中槽内设置双层筛网，电动机做工时产生向前向上的激振力，驱动落砂斗内的型砂跳跃式前进，在前进过程中实现筛分、除尘和输送，并通过提升机运走。振动槽长达6米以上，生产效率可达10t/h以上，国内消失模铸造砂处理设备多选用此种筛分输送机。2)风选、磁选机采用垂直多级流幕式风选，有效分离旧砂中的微粉和细砂风选后的微粉含量≤0.1%（粒径≤0.063）。风选后立即进行磁选，彻底消除旧砂中的微小铁粒和铁粉。安置在生产线采用集中自动控制，不需要人工操作。机理是当型砂进入本机后，呈流幕状态流下，此过程中借助风力将微粉及粉尘抽走，下落到底部的永磁滚筒后，分离出铁豆等异物。3）砂冷却装置砂处理系统中采用沸腾床冷却去灰装置，配置冷却水系统可有效较低回用砂的温度和灰分。图3-11ZY－SS750密相气力输送装置图3-10沸腾冷却去灰装置沸腾冷却去灰装置的原理使回用砂呈沸腾流化状态，通过强力抽风除去灰分，通过气、砂以及水管的热交换可以使砂子冷却到规定温度，主要技术参数：生产率：30t/h沸腾床长度：12m出口砂温：≤40℃处理后的回用砂采用密相气力输送，既改善工作环境，又方便系统设计与布置。输送量为：15～20t/h。主要组成：押送罐总成、进料蝶阀、球形弯头、球形三通、增压阀、卸料阀等。4)ZY－SS