馮鵬    孫廣偉    張研

（安鋼集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司  河南  安陽  455133）

摘要：通過分析現有生產線存在的不足，結合現有的先進技術，鑄造制芯中心實現了機器人作業、自動化、智能化的制芯作業，減輕了勞動強度，提高了設備作業效率，提升了產品質量，降低了物料消耗，達到了環保要求。

關鍵詞：制芯中心；智能化；機器人；尾氣處理

制芯是鑄造工藝的核心部分，它對鑄件質量極為重要，因為很多鑄件缺陷問題都是由型芯發生的，尤其是球墨鑄鐵管砂芯，型芯不僅形成鑄管承口要求的幾何形狀，而且幾乎全被高溫液態金屬所包圍并高速旋轉，因此，型芯要有高的強度、剛性及耐高溫性能，好的表面質量和精確的尺寸，好的退讓性和潰散性，發氣量少與好的透氣性及通氣性能，良好的冷卻導熱性能。

原制芯生產線工藝制芯工藝、設備比較落后，智能化程度低，生產效率低，使用工人數量較多，沒有設計烘干爐，生產砂芯自然干燥24小時后強度才能達到使用要求，不符合綠色鑄造、節能環保鑄造、高效智能化鑄造的要求。隨著生產質量標準的進一步提高，生產效率指標的進一步匹配，環保達標要求的進一步嚴格，工作強度要求的進一步降低，制芯生產線設備及生產過程的自動化、智能化、綠色化是急需解決的問題，如何將現有的自動控制技術、智能控制技術、清潔生產技術、網絡傳感技術等高新技術應用到制芯設備及系統中提高其裝備技術自動化程度水平，開發制造出先進、科學、環保、低耗及實用的制芯設備。下面以DN80-300制芯中心為例，從混砂、制芯、烘干、砂處理方面介紹自動化、智能化、綠色化等技術的應用。

1  制芯中心簡介

DN80-300制芯中心主要工藝有砂處理、混砂、制芯、浸涂、烘干、碼垛、尾氣處理等工序，工藝流程見圖1。

圖1 制芯中心工藝流程

制芯中心生產規格： DN80mm、DN100mm、DN150mm、DN200mm、DN250mm、DN300mm共六種規格的球墨鑄鐵管砂芯。具體芯盒制作、排布及芯盒整體圖見表1、圖2。 智能化制芯中心2套，崗位工定員3人/班，制芯中心生產從砂處理、原料供給、混砂、制芯、砂芯外表面浸涂、砂芯烘干、砂芯打垛、三乙胺尾氣處理全過程為全自動生產操作模式，原材料工藝出品率接近 100％，砂處理量100%，是鑄管行業首套高效、節能、低耗、低排、智能制芯中心。

表1    芯盒制作表

每套制芯單元制芯效率不低于53模/小時，DN80-150mm芯盒為一模4芯、DN200mm芯盒為一模3芯、DN250-300mm芯盒為一模2芯，DN80mm砂芯重量1.3Kg、DN100mm砂芯重量1.7Kg、DN150mm砂芯重量2.8Kg、DN200mm砂芯重量3.75Kg、DN250mm砂芯重量6Kg、DN300mm砂芯重量9.8Kg。

圖2芯盒的排布

砂芯在芯盒中的合理布置，實現一模4芯、一模3芯，優化了芯盒布局，提高了生產效率，芯盒可實現4開模，適應了抽芯的需要。

2   砂處理工序

制芯廢砂熱法再生就是通過焙燒，去除回收樹脂砂上的樹脂薄膜，整個過程經過破碎、磁選、焙燒、冷卻、篩分、輸送系統。

圖3    砂再生工藝流程圖

通過砂粒與砂粒之間的摩擦，砂粒與機械之間的摩擦，去除了包覆在砂粒表面部分樹脂膜；加熱焙燒后，去除了砂粒表面樹脂膜，消除了砂粒相變應力；通過篩分，去除大小顆粒，保證回收砂的粒度分布。

3  混砂工序

移動式混砂機工作原理：將原砂從原砂日耗斗中加入到原砂定量斗中。混砂開始時，定量好的原砂和樹脂注入混砂裝置的筒體中，在混砂裝置向需砂工位移動的同時混砂器進行混砂工作。到達混砂工位后，待混砂機工作結束，混砂裝置的卸砂門打開，將混制好的砂子排放到需砂工位的砂斗中，然后混砂裝置回到加砂位置，等待下一個混砂周期。混砂系統主要的先進技術：

1）原砂定量、溫控系統

原砂定量系統采用體積定量的方式實現原砂定量，如圖所示，原砂定量系統主要由上下蝶閥、體積定量斗、空、滿料位開關等組成。原砂定量斗上方配置日耗斗，原砂溫控裝置布置于日耗斗下錐形體，實現原砂有效加熱或冷卻，實現原砂溫度精確控制。

圖4    砂定量罐                                            圖5    日耗斗溫控系統

2） 樹脂定量系統（標準為兩種樹脂定量）

主要由樹脂吸入裝置及樹脂定量系統組成。

樹脂吸入裝置用于液體粘結劑的吸入，由止回閥、過濾器、連接法蘭、密封件、吸管等組成。干燥器裝有干燥劑以補充干燥空氣進入粘結劑罐。

樹脂定量系統采用體積定量，非接觸式液面控制監測“空”、“少”、“多”及“滿”等液面，浮子用鈦合金制成，塑料定量管，Teflon閥件密封。由負壓及壓縮空氣定量，無機械活塞運動，不必濾氣，每次定量后定量管及輸送管道全面自清理。

圖6   樹脂定量裝置                                      圖7   樹脂加熱保溫裝置

如圖8所示，粘結劑定量器中的電加熱器，在環境溫度＜15℃時自動投入使用，包括加熱元件、溫控器，由混砂控制系統控制。

3）混砂裝置

混制部分由減速機、混砂筒體、混砂軸、混砂葉片及卸砂門組成。混砂筒體底部、內側和混砂葉片上均有特制的耐磨襯板，所以混砂機的清理非常方便。

圖8    混砂機設備圖

混砂開始時，原砂、樹脂及可選的附加物添加劑同時注入到筒體中，混砂減速機帶動葉片旋轉，傾斜式葉片使得混合物實現斜拋摩擦的運動，實現均勻混合功能，從而保證了短時間內獲得良好的芯砂質量。

混砂系統不僅結構簡單、結實耐用、生產保養費用低，而且還采用了精確的容積定量技術。混砂機上所有的操作配方選擇、定量、混砂和出砂均由編程控制器（PLC）自動控制完成。操作規程可通過計算機接口及專有軟件來控制PLC。此外，此計算機軟件還具有故障自動診斷功能，并在屏幕上顯示。帶有可移動式的混砂裝置，可以同步完成工位穿梭和混制芯砂，提高了混砂和輸送的整體生產效率，較好地滿足了多工位用砂的需求。帶有傾斜式葉片的混砂裝置，可以良好均勻完成混砂效果，提高混砂生產效率，較好地滿足樹脂砂的混制需求。

4  射芯工序

如圖9所示，射芯機采用堅固的四立柱框架結構，中間為射砂吹氣工位，側面為加砂工位，前面為下芯盒頂芯工位，后面為芯盒更換工位，是一種開放型的機型，由頂部機架、工作臺及底部機架組成，通過四立柱裝配在一起，工作臺通過固定在底部機架與立柱間的四根大導向柱上下運動。

圖9    制芯機整體                                                              圖10制芯機加砂機構

1）加砂機構

加砂機構由砂斗上方的橡膠砂套，砂斗和蝶閥組成，通過橡膠砂套將芯砂導入砂斗中，打開蝶閥，射砂筒中即可加砂，整體結構見圖10。

加砂系統的設計使芯砂得到充分利用并縮短清理時間，砂斗上裝有電動振動器，加砂時蝶閥打開，振動器振動芯砂加入射砂筒內，射砂筒內砂量由裝在射砂筒上方的超聲波檢測開關檢測，如砂量達到預先設定的量，蝶閥自動關閉，同時振動器停振。在橡膠砂套外面安裝有一個電容型料位計，可監測送砂系統的料位，可與混砂送砂設備等聯動，而料位計與芯砂始終不接觸。

2）上芯盒提升機構

上芯盒通過上芯盒鎖緊機構固定在提升架上由油缸通過同步連桿機構帶動，導向為四導桿，此結構保證上芯盒升降準確平穩無卡阻。在運動控制上采用上下芯盒液壓壓緊，隨動控制，使芯盒在開模前的所有運動中保持緊密合模以保證砂芯質量。

上芯盒升降機構由油缸、同步軸、連桿機構和一對上芯盒安裝板組成保證其上下動作同步、平穩、無卡阻。

上芯盒安裝板的左右兩側裝有兩個油缸，驅動夾緊楔鎖緊上芯盒。此機構的主要作用是保證上頂芯動作的順利進行。

圖11    提升機構1                              圖12    提升機構2

3）吹氣功能

l吹氣機構與上頂芯機構集中于一體，由吹氣罩、上頂板及液壓缸、吹氣板快速鎖緊機構等組成。

吹氣罩通過連接架及V 型輪支撐于頂部導軌。吹氣板（含上頂芯機構）則通過液壓驅動的快速鎖緊機構與吹氣罩固定，實現吹氣、預壓芯（將射嘴處砂芯凸起壓平）及上頂芯功能。儲砂筒及射頭和吹氣機構固定在上部移動小車上，采用減速電機驅動來回移動，能達到機械式的慢快慢效果，保證動作迅速而平穩。射砂結束后吹氣機構移到芯盒上方，由工作臺上升頂緊后進行吹氣硬化。砂芯硬化后由上頂芯機構將砂芯頂出脫離上芯盒，保留在下芯盒中。

4）射板清理機構

用于在不拆除模具的情況下，快速清理射頭內殘砂的機構。射板清理機構由清理槽、舉升缸、傾轉缸、固定板、回轉支撐及導桿等組成，并由一組升降液壓缸和一組傾轉液壓缸驅動實現功能。傾轉缸將清理槽復位至水平位，舉升液壓缸將清理槽內支撐塊頂緊射板，射板鎖緊機構松開，舉升缸降，傾轉缸將清理槽傾轉一定角度，方便人工清砂。清理后重復上述動作，射板被安裝就位。

圖11    吹胺機構                      圖12    清理機構

5）自動集中潤滑系統

自動集中潤滑裝置將潤滑介質根據設定的間隔自動地分配至各直線運動的導向處。主要由潤滑泵、分配器及管道組成。方便了設備導向系統的潤滑工作以提高設備導向零件的壽命和正常運行。

6）自動識別功能

根據芯盒的芯片信息，自動判別芯盒，使設備立即進入生產循環，減少因人工設置參數帶來的生產節拍停頓，提升設備使用效率。

7）自動更換模具

 用于不同芯盒在設備后部工位進行更換。包括后移出輥道、設備內部頂升移出輥道和變頻驅動部分。采用單工位芯盒模具更換機構。此機構解決了因使用機器人取件等自動取芯機構帶來的模具更換的不便，并減少因模具更換帶來的生產停頓，保證全自動制芯中心的生產效率。

5  浸涂、碼垛工序

圖13     機器人取芯和浸涂配置夾具                                                                                       圖14     砂芯工作面

機器人采用kuka產品，取芯機器人滿足砂芯的抓取和浸涂需要，設計取芯和浸涂專用夾具及氣囊，能夠滿足不同規格砂芯的生產需要，采用回轉工作臺檢查砂芯。堆垛機器人滿足砂芯的抓取需要，堆垛8層砂型，能夠自動識別芯框定位、碼放順序及碼放位置檢測功能。

如圖13，設計專用夾具，完成鑄管砂芯的抓取、搬運、浸涂、翻轉、放置的功能，方便機器人抓取砂芯進行浸涂作業，避免砂芯浸涂涂料的浪費現象。

圖15    機器人夾具清洗池

設計涂料槽及夾具清洗槽，方便涂料存放，并使涂料在整個工作時間內濃度均勻、液面平穩、液面高度相對穩定，涂料槽能防止雜物進入涂料循環系統；易腐蝕的零部件應采用防腐材料；清洗槽有自動噴水及吹干功能，用于對機器人的夾具進行清洗；帶有吹掃功能的清洗池，在極短時間內吹掃機器人夾具，實現清潔生產。

6  烘干工序

燃氣砂芯涂料烘干爐，是針對離心鑄管承口砂芯浸涂水基涂料后進行烘干的工藝特點而專門設計的節能高效烘干設備，主要用于制芯中心樹脂砂芯的烘干。

樹脂砂型芯本體冷硬后具有足夠的強度，且含水量較少。在浸涂水基涂料后僅需將表層水分烘干，而基體溫升越小越好。

圖16    烘干爐

該設備的主要組成部分有：爐體、天然氣供應系統及燃燒系統、熱風循環系統、排氣系統、冷卻系統、輸送系統、電控系統等。

1）設計特點：

樹脂砂芯表面烘干工藝與黏土砂干燥工藝有所不同，樹脂砂芯含水量較低，一般為0.2%～0.3%，其含水量對鑄件質量的影響不大，也就是說：采用水基涂料表面烘干工藝所需干燥的只是砂芯表面水基涂料滲入的水分。同時，由于樹脂砂工藝的限制，干燥溫度一般不超過250℃，在此種情況下，只有提高風速，才能加大換熱系數、縮短干燥時間、提高生產率。根據實際經驗，涂敷涂料后水分滲入深度一般為6～8mm，因此在滿足生產工藝要求（干燥后表層10～12mm處殘余水分含量）的情況下，干燥時間越短越好。

表面干燥可簡單地劃分成三個步驟：（1）表面水分受熱后蒸發汽化；（2）表層蒸汽通過紊流狀態的熱風快速向四周擴散；（3）在擴散動力作用下砂芯內部的水分向表層遷移。因樹脂砂工藝的限制，熱風溫度一般不超過180℃。由于爐腔內有高速循環紊流狀態的熱風，加快了砂芯升溫和水分蒸發速度，并通過熱風將蒸汽帶走，從而縮短了干燥時間；由于換熱系數較大，而砂型的熱傳導是恒定的，因此，在表層快速升溫的同時，減少了深層砂芯的吸熱及升溫，達到了節能的目的。

2）熱風循環系統

熱風循環系統由天然氣燃燒換熱器、熱風循環風機、送風裝置、回風裝置等組成。熱器集燃氣燃燒與熱風換熱于一體，結構緊湊，經久耐用，維修方便。風嘴陣位于工件上側，使砂型表面各處同時受到高速熱風作用，同時減少砂箱的吸熱。風嘴出口風速大于20m/s。

 該表面烘干爐采用天然氣燃燒加熱循環熱風進行射流烘干。循環熱風在燃燒室內不斷被加熱，通過循環風機將加熱后的熱風送進送風箱，對被烘干件進行射流烘干。其特點為溫度控制方便、準確、可靠，熱損失小，熱效率高，干燥速度快，干燥質量均勻，烘干效果好。

7  尾氣處理

三乙胺尾氣處理裝置，凈化塔及凈化循環系統采用多層酸霧噴淋系統，保證具有良好的噴淋霧化效果，中和劑采用稀磷酸，進口濃度≥500mg/m³時，凈化效率≥99% ，中和后的氣體經脫液處理后排放，脫液率≥99 % ，水位、酸度自動檢測控制，自動補加水和酸液。

8  結束語

鑄管承口砂芯生產智能制芯中心是在冷芯盒制芯工藝發展的基礎上，由自動操作的多功能射芯機，具有自動混砂、自動換模機構、自動吹模、自動噴脫模劑、自動清理射頭、自動清理射板功能；自潤滑系統、芯盒自動識別、統籌自動化功能工序緊密地聯系在一起，型芯不落地，極大地提高了型芯的品質，降低芯廢，減少勞動量，使型芯生產出現了一個嶄新的局面。

通過自動化、智能化設計，消除了目前制芯生產中存在的不可控問題，使制芯中心按最佳工藝標準運行，實際生產效率是目前所用設備的 3倍以上，人力節省 80％，廢料排放減少 95％，廢氣排放減少 90％，能耗降低 60％，樹脂用量降低 30％，三乙胺用量降低 30％，從根本上實現了高效、節能、低耗、低排的現代化生產。

參考文獻

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