呋喃树脂砂再生设备系统的优化问题.docx
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呋喃树脂砂再生设备系统的优化问题
呋喃树脂砂再生设备系统的优化问题
张二洪
一、呋喃树脂砂再生设备系统工作状况评价指标
呋喃树脂砂造型生产的铸铁件在生产率、表面质量和尺寸精度等多个方面较粘土烘模砂有明显的优势，目前几乎全部取代了粘土烘模砂工艺。
呋喃树脂砂造型需要型砂再生设备系统。
目前，有数以千计的型砂再生设备系统在运转，但经历实际运转考验后，有多少设备系统称的上是先进的设备系统？
何谓先进的再生设备系统？
在呋喃树脂砂造型如此普及的今天，需要确立一个切合实际的再生设备系统评价指标体系，有了评价指标体系，可以促进设备制造商不断提高设备技术质量水平，可以引导用户订购真正是先进的设备系统。
确立评价指标体系第一步可以从生产现场归纳出存在问题。
笔者曾有机会参观数十家树脂砂铸造车间，经常可见的是开箱场地占用了太多的生产车间面积，开箱场地上堆积了太多的旧砂。
走进设备，不难遇到漏砂点和积有寸厚的粉尘；仔细询问，粉尘含量多少，灼减量多少，树脂加入量多少，经常得到的答案是旧设备不如新设备，很难达到先进的指标值。
诚然，上述问题的存在可以从现场管理上找到原因，但有过铸造生产现场管理经历的人多知道，有效的铸造现场管理应该是严格管理和省力管理的统一，省力管理的主要途径是设备系统的优化。
有生产现场的体验及若干个铸造车间的比较，就不难归纳整理出呋喃树脂砂再生设备系统工作状况评价指标。
本文建议确立4个方面10个指标：
（一）型砂再生质量指标
（1）再生砂温度控制能力
（2）降低再生砂粉尘含量的能力
（3）降低再生砂酌烧减量的能力
（二）能耗指标
（1）设备系统总用电功率（用电功率小，节电，减轻供电负荷）
（三）环境指标
（1）能否做到旧砂全部进库
（2）能否消除漏砂点
（3）能否消除扬尘点
（四）设备指标
（1）独立设备台数（在设备系统功能齐全的前提下，独立设备台数越少越好，设备台数少，可以减少接口，降低电器控制复杂性，降低工程总投资）
（2）机械设备故障诊断和维修难易程度
（3）备件规格数量（规格数量越少越好）
二、目前流行的呋喃树脂砂再生设备系统的评价
本文以《铸造设备选用手册》录用的S52系列树脂自硬砂再生成套设备作为对象讨论目前流行的再生设备系统所存在的问题。
S52系列树脂自硬砂再生成套设备表中不包括振动落砂机，本文认为振动落砂机具有再生功能，应予纳入。
完整的10t/h树脂砂再生成套设备如表1所示。
表110t/h树脂砂再生成套设备
设备名称
型号
数量
功率
自重
振动落砂机
L12D10
1
19
10.5
皮带运输机
2
振动破碎机
S528Ⅰ
1
7.5
3.9
筛砂机
S528Ⅱ
1
2.6
1.2
磁分离机
S528Ⅲ
1
0.4
0.16
机械离心式再生机
S528Ⅳ
1
22
3.5.
风力分级机
S528Ⅴ
1
0.92
砂温调节器
S528Ⅵ
1
2.2
8.2
斗式提升机
3
布袋除尘器
S528Ⅶ
1
5.4
中间砂斗
1
再生砂斗
1
合计
15
53.7
33.78
如果对照近期铸造设备展，表中所列设备或有更新，但设备基本形式没有发生根本性变化。
本文讨论问题，只涉及到系统设备台数，总用电功率和设备自重3个数字，所以，利用《铸造设备选用手册》的权威性，可以方便讨论对象的确立。
对表列设备系统实际使用状况套用评价指标，可以得到一个定性评价结果：
（一）关于型砂再生质量指标
（1）设备降温能力不强，在夏季，热砂问题很突出；
（2）粉尘含量能够降低到一定水平；
（3）酌减量能够降低到一定水平。
（二）关于能耗指标
（1）设备系统总用电功率至少需用53.7千瓦（不包括除尘功率，皮带运输机和斗式提升机的功率）。
（三）关于环境指标
（1）由于存在热砂问题，开箱场地需保留砂堆进行自然降温；
（2）因为地面上需要使用皮带运输机，不能消除漏砂点；
（3）因为地面上需要使用皮带运输机，不能消除扬尘点；
（四）关于设备指标
（1）独立设备最少15台套；
（2）各台设备驱动方式有别，维护和维修方法各不相同；
（3）各台设备驱动方式有别，备件通用性较差。
把这个定性评价结论和任何一个树脂砂铸造车间生产现状对照，差异只是程度不同而已。
三、基于双质体振动设备的呋喃树脂砂再生设备系统的优化
进一步研究树脂砂再生工艺技术要求，笔者发现推广应用双质体振动技术，可以从根本上更新现行的树脂砂再生设备系统。
笔者研发了双质体振动落砂机、双质体振动输送沸腾冷却筛分槽、双质体振动搓揉式旧砂再生机和双质体振动沸腾冷却床4种双质体振动设备。
基于这4种振动设备组成的树脂砂再生设备系统如表2所示。
两个表对比可知，独立设备台数由15台减为10台，可比总用电功率从53.7千瓦降低到26.4千瓦，设备自重从33.78吨增加到34.56吨，因此，新系统无论在设备投入上，还是在运行费用上，都有一定的比较优势。
下面将简要说明这4种双质体振动设备的性能特点。
（一）双质体振动落砂机
振动落砂机实际上是树脂砂再生设备系统的第一台设备，是最重要的再生设备，也是目前使用状况最不理想的设备。
到目前为止，大多数铸造车间普遍采用的是单质体振动落砂机。
单质体振动落砂机主要存在5个问题：
（1）需要大功率振动电机进行激振，当机器额定负载大于20吨以上时，由于现有的最大功率的振动电机为14千瓦，仅靠2只振动电机不能满足激振力的要求。
为了实现大负载振动落砂，目前有采用2台振动落砂机、4只振动电机组合方法，但2台振动落砂机组合使用易产生同步性问题；
（2）由于需采用大功率的振动电机，能耗大；（3）主振弹簧直接和基础连接，对基础的振动大；（4）振动电机直接和振动工作台连接，在铸件撞击力和电机激振力合成作用下，机体焊接处易开裂；（5）当落砂温度偏高时，砂温通过振动台面下的砂斗将热量传导至电机，升高电机温度，恶化电机工作状态。
表12基于4种双质体振动设备的树脂砂再生设备系统
设备名称
型号
数量
功率
自重
双质体振动落砂机
10吨
1
6
12
皮带运输机
1
双质体沸腾冷却筛分槽
1
8.5
6
磁分离机
1
0.4
0.16
双质体搓揉式旧砂再生机
1
3
5.5
双质体沸腾冷却床
1
8.5
5.5
斗式提升机
2
布袋除尘器
1
5.4
再生砂斗
1
合计
10
26.4
34.56
采用双质体振动模式能够有效解决上述5个问题。
有些人对双质体振动落砂机缺乏深刻的认识。
《铸造设备选用手册》第242页“双质体振动落砂机存在相对单质体落砂机撞击力及落砂效率低些”的评价是不全面的，实际情况是，双质体振动落砂机如果不进入共振状态，撞击力确实不大，落砂效率确实不高，但进入共振状态后，撞击力和落砂效率远非单质体振动落砂机可比。
国内目前能够提供几种形式的双质体振动落砂机。
仅根据产品样本，笔者就可以断定，国内目前能够提供的双质体振动落砂都不能在共振状态下稳定工作。
因为振动力学分析表明，振动机械在共振处运行，振幅对阻尼的变化很敏感。
振动落砂机负载的变化范围是0到额定负载之间，变化范围很大。
负载的变化意味着阻尼的变化，意味着振幅不稳定。
所以，若要使双质体振动落砂机在共振状态下工作，必须采取措施解决振幅的稳定性问题，特别是解决空载时的振幅稳定性问题。
笔者研发的双质体振动落砂机，有效地解决了在共振时的振幅稳定性问题。
该落砂机有如下特点：
（1）电机功率只需单质体振动落砂机的四分之一，10吨负载的落砂机需配2只3千瓦的振动电机，20吨负载的振动落砂机需配2只6千瓦的振动电机，2只8.5千瓦振动电机足以驱动30吨左右负载的振动落砂机；
（2）落砂效率非常高，整箱铸型都能迅速被振溃散；（3）可以实现侧部出砂，侧部出砂具有均匀给料功能。
（4）振动电机安装在振动体上，不和振动工作台面连接，从而消除了铸件撞击力和电机激振力的合成作用，机体焊接处不易振裂，热砂的热量不直接传导至电机，电机的工作条件明显改善；（5）对地基的振动非常小；（6）地坑深度浅，20吨双质体振动落砂机的地坑深度仅需1560mm；（7）无论空载还是满载，振幅都比较稳定；（8）工作振幅可通过调整振动电机偏心块的角度而得到有效调整；（9）弹簧耐用性好；
（二）双质体振动输送沸腾冷却筛分槽
笔者研发了一种新型结构的双质体振动输送沸腾冷却筛分槽。
该输送槽具有下列特点：
（1）输送长度可达8米左右；
（2）在输送过程中进一步振散砂块；（3）在输送过程中吹风沸腾冷却型砂；（4）在输送冷却过程中同时筛分型砂；（5）仅需2只1.5千瓦振动电机功率驱动，调整振动电机偏心块就可调整输送速度；（6）对基础的冲击振动小；（7）在恶劣环境下作业，耐用性好；（8）结构简洁，保养维修性好。
该机器最适合和落砂设备直接连接，在输送过程中同时破碎、冷却和筛分型砂，省却独立的破碎机和筛分机，减轻后续砂温冷却负荷。
（三）双质体振动搓揉式旧砂再生机
笔者研发了一种双质体振动搓揉式旧砂再生机，如图2所示。
该机器有如下特点：
（1）型砂颗粒保护性好，但脱膜能力强，；
（2）能在双质体共振状态下稳定工作；（3）仅需2只1.5千瓦振动电机功率驱动，调整振动电机偏心块就可调整脱膜速度。
（四）双质体振动沸腾冷却床
笔者研发了一种新型的沸腾冷却床，该沸腾冷却床具有如下特点：
（1）沸腾板透气孔不会被粉尘弥塞；
（2）可控性好，鼓风机可用变频电机驱动，转速通过出砂口温度采样实现自动控制；（3）能在双质体共振状态下稳定工作；（4）仅需2只1.5千瓦振动电机功率驱动，调整振动电机偏心块就可调整沸腾冷却速度；（5）适用范围广，进冷风，用于树脂砂再生冷却；进热风，可用于原沙的烘干。
基于4种双质体振动设备而组成的树脂砂再生设备系统的设备连接关系为：
双质体振动落砂机→双质体振动沸腾冷却筛分槽→超短距离皮带输送机和磁分离机→斗式提升机→双质体振动搓揉式旧砂再生机→双质体振动沸腾冷却床→斗式提升机→再生砂库。
由于振动机械具有均匀给料功能，再加上双质体振动，振动电机驱动，速率调整方便，所以，省却了中间砂斗。
套用前面的评价指标，也可以形成如下的定性评价预期：
（一）关于型砂再生质量指标
（1）2级沸腾冷却，可以从根本上解决热砂问题；
（2）2级沸腾除尘，粉尘含量能够被降低到很低水平；
（3）采用双质体振动搓揉式旧砂再生机，型砂通过搓揉促使砂粒之间产生摩擦，不产生撞击，因此砂粒形状好，脱膜能力强，酌减量能够被降低到很低水平。
（二）关于能耗指标
（1）设备系统总用电功率26.4千瓦（不包括除尘功率，皮带运输机和斗式提升机的功率）。
（三）关于环境指标
（1）解决了热砂问题，提高了落砂效率，开箱场地可以做到无砂堆；
（2）地面上不采用皮带运输机，可以做到完全消除漏砂点（地坑中仅有2个残铁和杂物出口）；
（3）地面上不采用皮带运输机，可以做到完全消除扬尘点（地坑中仅有磁分离机皮带扬尘）。
（四）关于设备指标
（1）独立设备10台套；
（2）4个主要设备都是振动机械，设备故障诊断和维修很简明；
（3）备件主要是振动电机和弹簧，通用性好。
笔者的数字化平台和工程技术经验可以支撑这个预期。
参考资料：
[1]《铸造设备选用手册》.北京机械工业出版社1990年10月
[2]《呋喃树脂砂铸造生产及应用实例》北京化学工业出版社2008年1月
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