No3湿型砂混砂批料的自动控制关于混型砂的混砂工艺高密度湿型的型砂性能要求Word文件下载.docx
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湿型砂混砂批料的自动控制
于震宗（清华大学100084）2003/6
摘要：
本文首先简略叙述国内常用的湿型砂中水分的自动控制，然后介绍国内外关于膨润土和煤粉加入量的自动控制方法概况，并对我国铸造工厂应用可能性提出看法。
关键词：
湿型砂混砂自动控制
前言
湿型砂在混砂时加入到混砂机中的各种材料统称为批料，其中占绝大部分的是用回用旧砂，另外还要补加适量的水分、新砂、膨润土、煤粉等材料。
所加入的各种材料的重量比例关系成为批料配方。
如果所生产的铸件品单一或结构相近，旧砂中膨润土、煤粉的烧损量和溃碎砂芯的流入量比较稳定，批料配方中的膨润土和煤粉的补充加入量可以基本稳定不变。
由于回用旧砂可能或干或湿，只需要调整混砂加水量使型砂最终的干湿程度符合规定，这是比较容易实现自动控制的。
但是，假如同一型砂系统的造型线生产多种铸件，铸件大小和厚薄、砂铁比高低等具体条件不同，再加上砂芯多少不等，溃碎砂芯流入量不同，就会使回用旧砂中的有效膨润土、有效煤粉及灰分含量差别激起明显。
在这种情况下，虽然加水量的自动控制仍然容易，但混砂批料配方中膨润土和煤粉等材料补加量有很大区别。
目前绝大多数铸造工厂仍然是靠经验来人工调整混砂批料加入量的，因而导致型砂性能经常波动。
为了使型砂质量稳定和生产成本降低，人们开始试图采用计算机技术解决这一难题。
混砂批料的自动控制可以分为：
本批控制、下批控制和预防控制三种
1混砂加水量的自动控制——“本批控制”
我国仍有很多铸造工厂靠定量水表或定量水箱将水加入混砂机的型砂中。
如果回用旧砂中有未浇注的砂型，就会使混制出型砂含有过分高的水分。
经过周末或假日尚未落砂的砂型可能使回用旧砂变干，混制出型砂就会有过分低的水分。
必然造成型砂的含水量和紧实率都产生极大波动。
还有些铸造车间中完全靠混砂工人手工操作给水阀门，根据手捏感觉和混砂机中型砂翻滚或粘附混砂机侧壁现象控制加水量。
这种办法要求混砂工人具有丰富经验，并且经常用型砂实验室用仪器测得数值核对手和眼睛的感觉。
这样混制出型砂干湿程度也有较大误差。
目前我国已有一些工厂的混砂机安装有混砂加水的自动控制装置，使型砂卸砂时的干湿程度已符合规定的要求。
常见的自动控制方法有两大类：
1.1一次性加水
有些混砂机的自动加水装置是用电容法测定出称量斗中回用旧砂的含水量，连同测得的旧砂温度和砂量，计算出向混砂机中加水量；
或者是用电阻法测得混砂机中干湿物料的含水量和温度后计算出加水量，自动控制电磁水阀一次将水加足。
1.2连续加水
混砂时陆续加水并随时测得型砂的成型性、紧实率或导电率，直至达到设定值后自动关闭电磁阀停止加水。
有以下三种形式：
①成型性：
用成型性判断型砂干湿程度来自动控制加水装置的工作原理与圆筒筛测定成型性是相似的，也是根据型砂是否容易通过细小开口来确定干湿程度。
区别是采用带有窄缝隙和宽缝隙的振动槽替代了转动的圆筒筛。
在向混砂机连续加水过程中不断取出砂样，根据砂样能否从窄缝和宽缝落下和阻挡光电管光源来判断型砂是否已达到所要求的干湿程度，以此自动控制加水阀门。
这种装置在国内也有应用。
工厂经验表明，为了装置正常工作，必须保证经常擦洗光源和光电管的玻璃表明，以防聚集尘土阻挡光线通过而失灵。
②紧实率：
其后的改进装置取消了光电检测部分，改用一只以水平轴旋转的轮子。
在向混砂机连续加水过程中，从混砂机不断取出型砂经由振动槽向钩槽内送砂刮平，上面有另一只宽度比沟槽稍窄的从动轮对沟槽中型砂压实，其压下距离就代表紧实率。
当紧实率符合要求时停止向混砂机中型砂加水。
这个办法的原理与用试样筒测定紧实率相似。
由于沟槽的深度有限，压实时沟槽中型砂会侧向滑动，以致控制精度不高，现已较少采用。
目前应用最成功的自动化紧实率加水控制装置与型砂实验室中测定紧实率的方法完全相同。
由螺旋取样器自动从混砂机取砂，经漏斗进入试样筒。
刮去多余的型砂后用压力为1Mpa的液压缸压实，使筒中型砂的紧实程度基本上与用冲样器冲击三次近似。
用位移传感器测定压砂行程，靠微机计算出紧实率。
开始加水时型砂较干，测得紧实率低于规定值，需继续加水直到紧实率符合要求为止。
国内有些铸造厂的混砂机安装有从国外引进的混砂紧实率自动控制加水装置。
有的控制仪在加水后每15-16s自动从混砂机中取样测定一次，还有一种装置约两分钟取样测定一次，控制效果都较良好。
③导电率：
也可以边加水混砂，边测出混砂机中型砂导电率，并用砂温修正后得出实际含水量，与设定含水量比较后计算机确定出补充加水量，控制电磁水阀加水。
有几家外国公司的产品属于此类。
我国已有多家铸造工厂应用这种装置。
以上三种加水量控制方法都是对正在混制中型砂批料进行控制，因此可称为“本批控制”。
2型砂的在线监测和批料中膨润土和煤粉加入量自动控制——“下批控制”
国内外有些研究和单位研制出多种型砂多性能在线自动监测装置，有的与成型性或紧实率从混砂机自动取样监测装置结合在一起。
还有的安装在混砂机的卸砂溜槽或卸砂带式输送机旁，自动由混制好型砂取样。
这些装置除了测定紧实率以外还增加了测定湿态强度（湿剪强度或湿压强度）、温度、含水量、透气率、剪切变形量和砂型硬度等。
自动将型砂参数的实测值与预先规定的目标值相比较，由计算机算出以后批料配方中膨润土应有的补加量。
因为水比较容易分布均匀，每次加水后估计约十几秒钟（快速混砂机）或三、四十秒钟（碾轮混砂机）后即可达到紧实率基本稳定阶段。
所以在混砂机中陆续加水和随时取出样测定紧实率来判断是否已达到规定值是比较方便的。
但是膨润土的分散和包裹砂粒比较费时，即使紧实率保持不变，一次加入膨润土后型砂湿态强度会随着混砂时间的延长而缓慢变化。
混砂机的工作周期时间有限，在很多工厂中混砂结束时膨润土可能仍未完全发挥出粘结强度。
所以不能简单地从正在混制的型砂中取样测得还在变化的湿态强度作为下一批型砂的批料加料设备的调整信息，使以后混制出的型砂具有设定的性能。
国外有些单位研究由型砂湿态强度在混砂过程中的变化趋势建立起教学模型，预测出最终的湿态强度和紧实率，从而用来确定本批型砂所补加的膨润土和水是否已够，并确定所需要的继续补加量。
这种办法还有待于进一步研究和发展。
我国通常使用发气量方法测定有效煤粉量，而国外则是用测定型砂的含碳量、灼烧减量和挥发分含量的办法推测有效煤粉含量。
由于型砂中的有效煤粉含量较难用在线方法检测出来，通常是根据工厂所用膨润土和煤粉的材质不同而将二者的比例固定，使煤粉的加入量随膨润土的补加量而异。
例如有一些铸造工厂的高效煤粉加入量是优质膨润土加入量的1/（2.5~3）。
3计算机预先计算出膨润土和煤粉加入量的自动控制——“预防控制”
如果在一个砂型系统的造型线上生产几种铸件的砂铁比不同、砂芯流入量不同和铸件工艺参数不同，则回用旧砂中的残留的有效膨润土、有效煤粉含量都不相同。
假如仍然按照固定的批料配方所规定的膨润土和煤粉补加量进行加料和混砂，即使型砂紧实率符合要求，也必然会造成型砂性能波动和铸件废品率增高。
人们早已普遍认识到生产多种铸件的型砂系统应当根据每天的生产计划来改变膨润土和煤粉的加入量。
例如80年代初期资料介绍德国Buderus铸造厂的工长按照铸件重量改变膨润土和光亮碳材料的补加量（德国铸造行业习惯将煤粉等铸铁件抗粘砂材料称为光亮碳材料）。
在表格中将铸件重量分为13个级别，例如铸件重量级别为20~30kg的膨润土和光亮碳材料定量给料器加入时间分别为6s和3s；
铸件50~60kg的加入时间分别为10s和5s[1]。
其后有些人更加细致地从各种铸件的膨润土和煤粉烧损量、溃散芯砂流入量等方面计算补加量[2~11]。
自从计算机的功能日益提高和使用日益普遍后，又试图根据生产计划安排用计算机预先确定膨润土和煤粉配方的自动控制方法[5~!
2]。
以下将简要介绍其内容、应用概况。
3.1膨润土和煤粉的损耗
金属液烧注入砂型后，热量使靠近铸件表面的膨润土受热烧损。
膨润土的损耗程度取决于
（1）膨润土本身的热稳定性：
包括钠化程度、矿物组成、化学成分、结晶构造等。
例如天然钠土的烧损低于钙土，活化膨润土的热稳定性也高于未经活化处理的钙土。
由于还有些未知因素的影响，各种膨润土的热稳定性必须具体测定，不能一概而论。
（2）热量作用大小：
包括砂铁比、冷却时间等。
例如砂铁比低的铸件热量对型砂中膨润土的烧损作用更强些。
冷却时间短的铸件对膨润土的烧损更少些。
GF公司Mettmann铸造厂的试验工作证明烧注后65min落砂的膨润土烧损比120min落砂的少[2]。
有些铸造工厂通过大量反复的试验工作或几个月膨润土和煤粉实际消耗量的统计工作，得出针对该工厂中铸件所使用原材料的烧损系数。
通常用烧注100kg铁，型砂每1%有效膨润土的烧损量[kg]来表示膨润土的烧损系数，如下所示：
膨润土的烧损系数：
AB*=膨润土[kg]/型砂有效膨润土量[%]/100kg铁
Mettmann铸造厂测得结果：
膨润土是0.35~0.58kg/1%有效土/100kg铁。
即膨润土的烧损系数（AB*）=0.35~0.58。
光亮碳材料是0.14~0.27kg/1%光亮碳材料/100kg铁。
即光亮碳材料的烧损系数（AC*）=0.14~0.27[2]。
其他人给出的膨润土烧损系数（AB*）各不相同。
美国Heine得出怀俄明天然钠土为0.19，南部钙土为0.44；
而Vingas则分别为0.16和0.275；
荷兰Levelink测得0.25；
德国铸造技术研究所的结果是膨润土烧损量随铸件壁厚增加而降低，壁厚为10、20、50、100mm时，膨润土烧损系数对应为0.47、0.35、0.23、0.17[3]。
瑞士Hofmann调查5家铸造厂膨润土烧损系数，结果表明除了与膨润土来源有关，而且与砂铁比（S/M）有关。
这5家铸造厂的膨润土类别和有效土量、砂铁比、膨润土烧损系数分别如下；
①德国活化土9%、S/M=9、AB*=0.22;
②德国活化土10%、S/M=5、AB*=0.525；
③德国活化土10%、S/M=10、AB*=0.175；
④美国南部钙土7%、S/M=9、AB*=0.205；
⑤德国活化土10%、S/M=7、AB*=0.36[4]。
德国KHD铸造厂生产曲轴箱、汽缸头等铸件，测得烧损系数（AB*）：
膨润土为0.85；
灰铁件的光亮碳材料烧损系数（AC*）为0.45~0.55，球铁件为0.35~0.45。
型砂原来的有效膨润土含量为8.0%，按上面公式计算烧注第一种铸件时热作用使旧砂的有效膨润土降为7.03%，第二种铸件的有效膨润土降为6.96%，第三种铸件的有效膨润土降为5.68%[5]。
3.2溃碎砂芯的流入和型砂的更新
树脂砂芯受铁水的热作用后，铸件落砂时大部分溃碎后混入回用的旧砂中。
流入旧砂的砂芯量占旧砂量的比例因工厂的生产条件、铸件种类等众多因素而异。
必须通过试验测定才能确定各工厂中各种铸件的溃碎砂芯流入量。
例如：
Mettmann铸造厂8种铸件的芯砂流入量占相应砂型中旧砂量的0.14~4.25%[2]。
Harzer铸造厂生产汽车球铁件和灰铁件，砂系统不加新砂，只靠溃碎散芯砂流入。
芯砂流入量最多可能达到型砂总量的12%[6]。
第一汽车公司第二铸造厂三种汽缸体铸件落砂时砂芯溃散流入旧砂中的量按砂芯重量的80%计算，分别占相应砂型旧砂量的1.96%、3.25%、4.4%[7]。
德国KHD铸造厂使用冷芯盒砂芯和壳芯。
其中第一种铸件无砂芯流入，落砂后该砂型旧砂中有效膨润土仍如前面所述的7.03%。
第二种铸件的砂芯有90%流入旧砂中，占该砂型旧砂量的6.7%，连同热作用的影响，使该砂型的旧砂中有效膨润土量为7.0%。
第三种铸件中砂芯重量较大，有70%的砂芯流入旧砂中，占该型量的16.0%，连同热作用的影响，使该砂型的旧砂中有效膨润土量下降成4.8%[5]。
由此可见，生产芯砂流入量不同的铸件时，需要在混砂时补加的膨润土和煤粉量应当有很大差异。
混砂时向型砂中加入新砂的作用有以下三个：
①补充因排出废砂而造成的砂粒损失；
②调整粗粒芯砂流入而造成的砂粒粗化；
③冲淡浇注热量造成的失效膨润土失效煤粉等灰分。
Mettman铸造厂的经验是如果灰分含量大于3.0%，就会使型砂的比表面积增大，还会干扰所要求的热湿拉强度[2]。
也有人提出灰分不得超过3.25%[8]。
如果型砂中灰分过高，就会迫使型砂加入更多的膨润土，同时也需要提高型砂含水量，从而使铸件缺陷增多。
应当及时加入新砂来冲淡灰分，极端情况下需要大量加入新砂并大量排掉旧砂，以免系统中砂量过多。
很多人都认为计算膨润土和煤粉补加量时可以将流入的溃散砂和加入的新砂混在一起考虑，两者都同样起型砂更新作用。
Egen认为实际上溃散芯盒新砂的加入量通常是10~25kg/100kg铁[3]。
但我国有些工厂的溃碎砂芯和加入的新砂总量较高[7]，原因可能是所选用的膨润土粘结强度和热稳定性较差、煤粉含灰分过高，以致型砂含泥量偏高造成的。
3.3膨润土和煤粉补加量的计算
如前所述，加入到混砂机的回用旧砂中膨润土和煤粉的残留量不但受烧损等损耗的影响，也受砂芯流入量的影响。
除尘器也有影响，但是为了简化计算大多数将此项忽略不计。
补加量通常是按照Egen给出的公式进行计算[3]，各单位所用计算公式只有微小变化[2~11。
以下举例说明Mettmann铸造厂所用膨润土补加量计算公式[2]：
b=Bact×
[0.01×
（SN+SK）+AB*]
式中：
b——膨润土补加量，单位为kg/100kg铁；
Bact——型砂中有效膨润土设定值，%；
SN——新砂加入量，单位为kg/100kg铁；
SK——流入旧砂的溃散砂芯量，单位为kg/100kg铁；
AB*——膨润土烧损系数，kg/有效膨润土%/100kg铁。
煤粉的烧损系数确定方法与膨润土类似。
国外有的铸造工厂近似地用含碳量、灼减量或挥发分来估计煤粉的有效含量。
该厂的光亮碳材料设定量与补加量都按含碳量计算，所采用的亮碳加入物量计算公式如下：
c=C×
[0.01×
（SN+SK+b）+AC*]
SN、SK、b同上式；
c——光亮碳材料补加量，单位为kg/100kg铁；
C——型砂中含碳量设定值，%；
AC*——光亮碳材料烧损系数，kg/有效碳%/100kg铁。
3.4型砂批料配方的膨润土和煤粉自动控制方案
如图所述，用同一型砂系统分阶段生产多种厚薄、结构和重量相差悬殊的铸件时，煤粉、膨润土的烧损明显不同，溃散砂芯混入量也不相同。
为了防止型砂性能过分波动、铸件缺陷增多和节约附加的用量，国外开始重视型砂质量的预防控制（或称为型砂质量的平衡控制），也就是混砂批料的预防控制。
其要点是①通过大量试验得出各种铸件（或各组类似铸件）的膨润土和煤粉烧损量、芯砂流入量、除尘损失量。
②根据公式计算出这些铸件的膨润土、煤粉补加量，并确定新原砂加入量。
也可以根据该铸件在生产期间的物料消耗量调查出实际补加量。
③根据生产计划所安排的铸件模板号，利用计算机来自动控制混砂机的批料配方。
④在开始阶段使用型砂实验室仪器或多功能在线监测仪检测型砂性能是否符合设定值。
如有需要就调整附加物加入量。
关于③中的具体做法有两种，可以用Harzer铸造厂的混砂机批料配方预防控制为例子。
该厂曾经使用“背包袱控制法（Huckepack-Verfahren）”，可以理解为“叠加控制法”，即预先将计算出膨润土和亮碳材料补加量加入到生产该铸件的型砂中，提前补足附加材料的烧损，使回用旧砂中各种材料含量基本稳定不变。
这种办法比较容易实现。
但该厂经使用后发现虽然回用旧砂的有效膨润土量相当稳定，而造型用型砂的有效膨润土实际含量超过了目标值。
高膨润土量导致型砂含水量增高，混砂效率下降，型砂中团块增多，流动性变差，极端情况时产生爆炸粘砂。
后来改用“随砂箱控制法（KastenbezogenSteuerung）”,即每一箱铸件落砂前，自动将砂箱中模板号、铁水量、浇注与否等信息通告给控制系统，有造型材料平衡计算机存储的砂箱信息中自动查出该铸件回用旧砂的各种材料损耗量、芯砂流入量。
并且自动计算出混制型砂所需膨润土、光亮碳材料、新砂等材料的补加量。
计算机将这些数据存储起来，等待一段时间间隔后，当该批旧砂开始送到混砂机中时，按照计算出的膨润土、亮碳材料等材料的补加量自动控制加料。
同时混砂机加水设备在此阶段中将本批型砂调整到要求湿度。
该厂采用此控制系统后，型砂中有效膨润土量和含碳量稳定在设定的目标范围内。
铸件缺陷减少，表面品质良好。
取样检验频率由每日6次减为4次[6]。
4讨论
1）如前所述，型砂加水量自动控制技术已经成熟，国内有一些铸造工厂使用进口的检测控制装置后湿型砂质量大为提高。
但是，几种国外产品的价格都较昂贵，超过了我国大多数工厂的承受能力。
目前国内研制的成型性加水量控制装置的质量并未稳定，而且受混砂机操作平台的位置限制而影响光电仪器玻璃的擦净工作，大多半途而废。
电阻法水控装置用于碾轮式混砂机的信号输出与中心加水管的结构复杂，也还需要通过更深入的试验研究得出砂温对电阻信号的影响。
可能这种装置用于转子式混砂机的结构稍简单些。
国内有的单位研制的紧实率法控制加水装置是基本成功的，提高其稳定性和耐用性后即可推广使用。
但各研究单位似乎未重视向生产的转化，而将注意重点转向“水平较高的”型砂多性能测定仪器。
2）型砂多性能在线自动监测装置大多安装在混砂机的卸砂溜槽或卸砂带式输送机旁，测定结果与计算机相连，计算出应有的膨润土补加量可供下批混制型砂时参考应有。
也有个别装置是从混砂机中陆续取样测得紧实率、温度和强度等性能，但其中只是紧实率对型砂的本批控制有用。
混砂中途测得的强度并非终强度，不能用来调节本批型砂所应补加的膨润土量。
3）用计算机预先得出混砂批料加入量的自动控制型砂质量的方法是比较理想的。
但是并非适用于各种铸造工厂。
如果铸造厂中一个砂系统所供应的造型线只生产单一（或近似）品质的铸件，就无需采用计算机进行混砂批料配方的预防控制。
如果一个砂系统供应两条或多条造型线各自生产多种结构不同的铸件，用计算机预防控制的难度极大，也不适宜贸然采用。
还应当注意到各种参数并不能简单套用资料中给出的数据。
例如同样质量和壁厚的两种铸件，一种无或少砂芯，铁水热量基本上全部作用到型砂；
另一种铸件的内表面大部分有砂芯组成，铁水接触型砂不多；
生产这两种铸件时，不但芯砂流入量极其悬殊，而且膨润土和煤粉的烧损系数也大不相同，不能单纯用铸件重量计算出膨润土和煤粉的烧损量。
由于各厂所用的原材料的品种不同，造型和砂处理工艺条件也不全相同，必须逐个铸件进行各种参数的具体测定。
此外，实行“背包袱法”计算机管理的控制目标只是保证旧砂性能稳定而预先多加膨润土和煤粉，不如“按砂箱法”合理。
但是如果旧砂仓挂料和不能保证“先进先出”就难以确定旧砂循环回用的周期长短，也就不能准确判断进入混砂机的旧砂来自哪种铸件。
4）从保证型砂质量和铸件质量出发，即使暂时不采用混砂批料加入量计算机预防控制，也应该测定出本厂生产各种铸件的膨润土和煤粉烧损率和芯砂流入量。
从而可以更准确地判断铸造该种铸件的原材料合理加入量。
如果所生产的铸件种类多和结构不同，也可以采取简化办法将铸件分为若干小组，分别确定该组的各种参数。
试行后定会提高型砂和铸件质量，也将会节约型砂元材料的消耗量。
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关于湿型砂的混砂工艺
摘要当前常见的湿型砂混砂机有碾轮式、摆轮式和各种式样的转子式。
国产混砂机与进口混砂机相比的明显区别是电动机功率小，对每批型砂输入电能不足，从而影响型砂性能不良。
关键词湿型砂混砂机
OntheMixingTechnologyofGreenMoldingSand
YuZhengzong
（TsinghuaUniversity,Beijing100084）
AbstrctForgreenmoldingsand,theusuallyusedsandmixershasthreedifferenttypes,namelywheelmuller,spee
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