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（30m24m720m2）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：5000/25020t/d 铸件的平均密度：7.0103/m3 每天生产铸件的体积为： 20103/7.0103/m3 2.857m3， 每天所需的模样体积为：2.857150%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：1000500100mm 每天所需要的模板数为:5.14/10.50.1=102.3取103块. 使用聚苯乙烯模料的密度为：0.02103/m3， 每天需要模样的质量：0.02103/m35.14102.85 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：450mm680mm 一次投料量：2 最大蒸汽压力：0.03MPa 最高温度：145 发泡倍率：4060倍 适应粒度：0.21.0mm 使用材料：EPS 一次预发时间：8/min 一天工作8小时预发能力：（8h60min/8）2120 ， 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:1000500100mm,选择EPS板材成型机参数如下： 工作台尺寸为：20001000500mm， 最大模样尺寸:1200600150mm, 生产效率315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。 1L形搅拌器 2涂料筒 图2-4 L 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85m，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（4065）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、三、“ “黑区黑区” ”生产线设计生产线设计 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：15001200（1200400）mm 平均每箱铸件质量：600 平均每箱浇注重量：8001000 熔炼设备配置：3t中频感应炉一套，0.75t 两套 平均熔炼能力：45t/h 箱内冷却时间：23h 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： （45t）/(8001000)5（箱/h） 设计按每小时浇注46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6.410t。 按单条造型浇注线时，平均造型节拍为：12min/箱 按砂箱内尺寸15001200（1200400）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23h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：68t 适用砂箱有效尺寸：1600mm1600mm1600mm 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AB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：46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68t，节距1800mm 双工位双向机动辊道3套：载重68t，节距4400mm 变速转运小车2台，载重量为68t 1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：1.2103 砂处理量：（1.51.21.21.6）1.25