（机械工程专业论文）迪莎铸造生产线旧砂冷却自动加水系统的研制.pdf

海交通人学颁i 学位论史 迪莎铸造生产线旧砂自动加水系统的研制 摘要 r f 上海汽车铸造总厂主要是为上海大众及上海通用配套生产汽车铸件 、 的铸造厂，为加快汽车零部件的国产化进程，跟上汽车工业的发展步伐，上海 汽车铸造总厂先后从丹麦迪莎公司引进了三条垂直分型自动造型线以及 相应的砂处理系统，用于生产高质量的轿车铸件，但是该生产线的铸件废 品率较高，制约了该生产线效率的更大发挥。且据调查国内引进的同类 l j ，一 型的生产线也有类似问题。厂1 本文在深入研究迪莎铸造线a 之后，认为该生产线有一个薄弱环节， 即旧砂处理加水冷却系统不够完善，旧砂的温度、水分不能得到有效地控 制，影响了旧砂的性能，从而影响了造型用型砂的性能，产生了许多废品。 并针对目前该生产线的旧砂加水系统这一薄弱环节，提出了相应的改进 方案，即设计一套自动加水系统来替代原有的手动加水系统。 ， 该自动加水系统由工控机和p c 组成，分为一次加水( 粗调) 和二次加 弋 水( 细调) 两个部分，且考虑到自动加水系统偶尔出现故障而不能正常工 作，本文设计了两种工作方式：自动加水冷却工作方式和手动加水冷却 工作方式。该控制系统能够根据旧砂温度、水分的设定值，自动调节加 水量，使得旧砂的温度在进入旧砂斗以前5 5 ，且能够比较稳定；旧砂水 分满足工艺要求范围( 1 2 1 8 ) 。尹一 本文在大量现场实测数据的基础一l ，对一次自动加水的初始加水量建 立了初步的数学模型，确立了二次自动加水的逻辑算法。并设计了控制 ， 系统的硬件配置，编制了p c 控制软件。最后进行了静态模拟调试咆括 l ：塑銮望叁兰竺! ：兰篁堡苎 p c 控制程序调试、工控机控制程序调试和其联合调试，试验结果符合设 计要求。经过现场安装，调试结果证明本系统完全符合设计要求。 本文研究成果具有较强的实用价值，为国内其它同类型生产线解决 、 型砂质量问题提供了思路和方案，促进铸造行业水平上一个台阶二) 犷 关键词：型砂质量数学模型迪莎铸造生产线 工艺要求滤波 l ：海交通人学硕 屿位论文 t h e d e v e l o p m e n t o f r e t u r n e ds a n da u t o m a t i c m o i s t u r ea d d i t i o ni nd i s a f o u n d r y l i n e a b s t r a c t s h a n g h a i a u t o m o b il ef o u n d r yw o r k sm a i n l yp r o d u c i n gc a s t i n g f o rs h a n g h a i v 0 1 k s w a g e na n df o rs h a n g h a ig e n e r a lm o r t o r i no r d e rt o g u i c k e nh o m e m a d e o fa u t o m o b i1 es p a r ep a r t ，c a t c h u p w it hd e v e l o p i n go f s h a n g h a i a u t o m o b i1 e in d u s t r y c o m p a n y s h a n g h a ia u t o m o b i l e f o u n d r y w o r k si n t r o d u c e t h r e e u p r i g h t p a r t i n ga u t o m a t i cm o l d i n g1i n ef r o md i s ad e n m a r ka n dr e a t i v es a n d p r o c e s s i n gs y s t e m a 1 l t h e s em a c h i n ea r eu s e d t o p r o d u c eh i g hg u a l i t y c a s t i n g b u tt h e w a s t ep r o d u c tp r o d u c e d f r o mt h e s e1i n ei s v e r y h i g h ， r e s t r i c tt o b r i n g i n t o p l a y t h e e f f i c i e n c y o ft h e m o l d i n g 1i n e i ti s i n v e s t i g a t e dt h a to t h e rm o l d i n g1i n e si n t r o d u c e df r o mf o r e i g nc o u n t r yh a v es a m e p r o b l e m i nt h eb a s i so fd e e p l ys t u d y i n gd i s am o l d i n g1 i n ea t h i sa r t i c l er e g a r d s t h a tt h is1 i n eh a saw e a k n e s s ，t h er e t u r n e ds a n da d d i n gw a t e rs y s t e mi sn o t e n o u g hp e r f e c t ，a n d i t sm o i s t u r ea n d t e m p e r t u r e i s n tc o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y a 1 l t h e s ef a c t o ra f f e c tt h e c a p a b i l i t y o f t h er e t u r n e d s a n d ，t h e r e b ya f f e c tt h ec a p a b i l i t yo f t h em o l d i n gs a n d ，b r i n go nm u c h w a s t e p r o d u c t a i ma tt h ew e a k n e s so ft h er e t u r n e ds a n dd i s p o s a l t h isa r t jc l e b r i n g sf o r w a r dr e l a t i v ea m e i i o t a t i o nm e a s u r e ，a n dd e s i g n sas e to fa u t o m a tic w e t t i n gs y s t e mi n s t e a do ff o r m e rm a n u a lw e t t i n gs y s t e m t h i sa u t o m a t i cw e t t i n gs y s t e mi sc o n t r o l l e db yp ca n dc o m p u t e rs e p a r a t e l y ，i t i sd i y i d e di n t ot w op a r t s ，t h ef i r s ta d d i n gw a t e r ( g r o s sa d j u s t ) a n dt h es e c o n d a d d i n gw a t e r ( p r e c i s i o na d j u s t ) t h i n k i n go v e rt h ea u t o m a t i cw e t t i n gs y s t e m g oi n t of a u l ta c c i d e n t a la n ds t o p p i n gw o r k i n g t h i sa r t i c l ed e s i g n st w ow o r k m a n n e r ，i t i st h ea u t o m a t i cw e t t i n gs y s t e ma n dt h em a n u a lw e t t i n g s y s t e m t h es y s g e mc o u l dw o r ke f f e c t i v e l yi nb a dc o n d i t i o n ，c o n t r 0 1t h er e t u r n e ds a n d s m e is t u r ea n dt e m p e r t u r es t a b l y w h e nt h er e t u r n e ds a n d g o e si n t ot h es a n d b u c k e t ，i t st e m p e r t u r ei sl e s st h a n5 5 ，i t sm o i s t u r ei s i nt h er a n g eo f 1 2 。1 8 a n da l s ot h es y s t e mc a na d j u s tt h eg u a n t i t yo ft h ed a a i n gw a t e r i nt h eb a s i so fag r e a td e a lo fl o c a t ed a t e ，t h i sa r t i c l es e t su pa p r i m a r y m a t h sm o u l df o r t h ef i r s ta u t o m a t i c w e t t i n gs y s t e m ，e s t a b l is h e sl o g i c a r i t h m e t i cf o rt h es e c o n dw e t t i n gs y s t e m i ta l s od e s i g n st h eh a r d w a r ef o rt h e c o n f r 0 1s y s t e m ，w o r k o u tt h es o f tw a r ef o rt h ep cc o n t r o ls y s t e m a t1 a s tt h i s a r t i c l e c a r r yt h r o u g h s t a r i c s i m u l a t i n ga d j u s t ，i n c l u d i n g p cc o n t r o l p r o g r a m ，c o m p u t e rp r o g r a ma n dt h e i ru n i t e d a d j u s t ，t h er e s u i t a c c o r d sw i t ht h e d e s i g nr e g u e s t t h i sa r t i c l e sr e s e a r c hf r u i to f f e r st h o u g h ta n dm a n n e rf o ro t h e rs a m em o l d i n g l i n es o l v i n gt h es a m ep r o b l e m ，p r o m o t et h ef o u n n d r yt og ou pah i g h e rs t e p k e yw o r d ：m o l d i n gs a n dg u a l i t y ，m a t h sm o l d ，d i s am o l d i n g li n e 。p r o c e s sr e g u e s t ，f il t e r 海交通人学硕士学位论文 第一章绪论 上海汽车铸造总厂主要是为上海大众及上海通用配套生产汽车铸件的铸造厂，为 加快汽车零部件的国产化进程，跟上汽车工业的发展步伐，上海汽车铸造总厂先后从丹 麦迪莎公司引进了三条垂直分型自动造型线以及相应的砂处理系统，用于生产高质量 的轿车铸件由于该生产线有一个薄弱环节，即旧砂处理加水冷却系统不够完善，旧砂的 温度、水分不能得到有效地控制，影响了旧砂的性能，从而影响了造型用型砂的性能， 产生了许多废品，制约了该生产线效率的更大发挥。由此，研制一套自动加水系统，控 制旧砂水分、温度稳定，提高造型用型砂的综合性能是铸造总厂当前发展的迫切需要。 1 1 问题的提出 先进的造型技术要求高性能的型砂与之相适应，特别是迪莎造型线，由于是无砂箱 造型，对型砂性能提出了很高的要求，表1 一l 为丹麦迪莎公司推荐的型砂性能表l 一2 为 上海汽车铸造总厂目前的型砂性能 表1 一l 丹麦迪莎公司推荐的型砂性能 平均砂粒度 a f s ll o 8 0 含坭量( ) 1 l 1 3 湿压强度( k g e m 2 ) 1 7 2 1 膨润土含量( ) 7 湿拉强度( k g c m 2 ) 0 2 煤粉含量( ) 3 5 7 5 水分( ) 2 8 3 6 型砂温度( ) 4 0 、紧实率( ) 4 0 + ， 透气性 5 0 表i 一2 铸造总厂型砂的性能 l 平均砂粒度 a f s l l 0 - 8 0 含坭量( ) 1 1 1 3 l 湿压强度( k g c m 2 ) 1 6 - 2 0 膨润土含量( ) 7 湿拉强度( k g c m 2 ) o 2 煤粉含量( ) 3 5 75 i 水分( ) 3 0 4 0 型砂温度( ) 3 0 8 0 l 紧实率( ) 4 0 3透气性 5 0 由表1 1 与表l 一2 比较可见，上海汽车铸造总厂型砂性能与丹麦迪莎公司推荐 的型砂要求还有差距。主要体现在型砂温度波动较大而带来的型砂性能的下降，提高 型砂性能除了采用高质量的造型材料，高水平的混砂机以外，旧砂加水处理冷却处理也 很重要，因为旧砂温度过高，混制的型砂温度也会过高，过高的型砂温度会带来许多质量 问题，例如： ( 1 ) 型砂性能不均匀，强度和透气下降，使铸件产生气孔； ( 2 ) 增加型砂的粘性，模具起模困难，造成铸件落砂； 笫l 贝 海交通人学硕j + 学位论文 ( 3 ) 型砂表面风干，型腔表面强度差，日i 起铸件落砂： ( 4 ) 砂型表面抗铁水侵入性能差；浇注的铁水容易侵入型腔，引起铸件表面粗糙铸件 容易产生粘砂； ( 5 ) 需水量增加，引起砂型发气量增大，铸件容易产生气孔： ( 6 ) 型砂塑性差，模具起模困难，一些形状复杂的铸件起模不出，造成铸件多肉废品： ( 7 ) 型砂混碾性能下降，型砂不容易混合均匀，造成型砂的综合性能下降。 所有这些型砂问题将会直接影响铸件的质量，使铸件产生大量废品，增加生产成本 这些问题产生的原因是由于旧砂的温度与水分控制不符合工艺要求，引起型砂性能 的下降，因此研制一套自动控制旧砂温度与水分的装置显得非常重要。 1 2 产生问题的原因 为了弄清迪莎铸造生产线a 的型砂质量不符合工艺要求的原因。本文将简要介 绍该生产线组成结构和加水系统。迪莎铸造生产线a 是上海汽车铸造总厂9 4 年从丹 麦引进的铸造生产线，垂直分型，砂型尺寸6 0 0 4 8 0 ，生产能力3 6 0 型，j 、时。主要生 产产品为桑塔纳排气管，制动钳支架、壳体等球铁蠕铁类铸件，年生产能力6 0 0 0 吨。 迪莎铸造生产线a 由混砂工部、造型工部、浇注工部、砂型传输工部、砂型破碎工 部、加水冷却工部及旧砂传输部分组成。图1 1 为迪莎铸造生产线a 的一部分。 图l 一1 迪莎铸造生产线a 的一部分 目前该生产线旧砂加水系统只有一次加水( 滚筒内加水) 的手动控制，其加水量根 据操作人员的经验来设置；二次加水( 传送带上加水) 的控制部分在另一条迪莎铸造生 产线b 上。目前该加水方法，有如下缺点： ( 1 ) 加水量设置凭操作人员的经验，由于每个人的经验不一样，决定的加水量也不 一样，所以随意性很大。而且没有考虑环境温度的影响，所以产生误差较大。 ( 2 ) 该方法没有反馈系统，加水量的调整也由操作人员根据测量到的旧砂温度、水 分来决定，其缺点是调整量不一定f 确，调整时间也不及时。因此调整量为多少，什 第21 j j ：塑窒望叁堂堡! ：兰笪堡塞 么时候调整最合适都带有很大的随意性。从而，使系统工作不稳定。 总之，该方法给旧砂水分、温度带来了波动，不利于型砂质量的控制，产生了较多 的废品”必须采用一种全新的控制系统来替代。图】- - 2 及图l 一3 为旧砂水分、温度 的示意图。 水分 o 图1 2 旧砂水分示意图 图l - - 3 旧砂温度示意图 时间 ( 小时1 时间 ( 小时) 1 3 课题的主要任务 本课题要求为上海汽车铸造总厂迪莎铸造生产线线a 研究设计一个自动加水系 统，替代原来的手动加水系统，该自动系统能够在恶劣的工作环境下有效、稳定地控 制旧砂水分、温度，使得旧砂的温度在进入旧砂斗以i j 5 5 ，且能够比较稳定：旧砂 水分满足工艺要求范围( 1 2 1 8 ) ，该控制系统能够根据旧砂温度、水分，自动调节加 水量。 同时考虑到自动加水系统偶尔出现故障而不能正常工作，为了不影响生产的f 常 进行，需要同时设计两种工作方式：自动加水冷却工作方式和手动加水冷却工作方式。 其中自动加水冷却方式旧砂水份的控制误差为：o 3 ；手动加水冷却方式加水量 鹕3 负 海交通人学坝i 学位论文 的控制误差为：o 2 升次。 根据课题要求，主要解决以下几个问题： ( 1 ) 环境温度对型砂性能的影响，在原来的迪莎b 线中，引进的自动加水系统没 有考虑环境温度的影响，当环境温度较高时( 3 0 ) ，旧砂温度会超过工艺要求范围， 引起型砂质量恶化，使铸件废品增加。当环境温度低于i o 。c 时，有利于型砂质量的 改善。 ( 2 ) 冷热型砂的区别，在原来的系统中，没有考虑这方面的要求。为了改进、完善 该系统的功能，在砂型进入滚筒前设置一个冷热砂型测试装置，以便更好地调节一次 加水量。 ( 3 ) 一次加水后的结果要等到一个小时后才知，这是系统本身存在的一个大问题。 因为当铸件进入滚筒，系统对此进行一次加水，铸件和型砂在滚筒罩经过一个小时后 j 分离，然后测试得知系统加水量是否合适，这种情况很不合理，使得型砂的温度、 水分不能得到有效的控制。因此为了解决该问题，先对各种型号的铸件做试验，并从 理论上计算出各种铸件的一次加水量，根据计算值对此进行一次加水。 ( 4 ) 为了将该系统更加完善，把二次加水功能列入本课题的加水系统，以便改善 加水的效果，使得旧砂水分、温度得到更加合理的控制。 1 4 课题的意义 目前由于砂型质量问题而引起大量铸件废品，每年的经济损失也是比较惊人的，附表 1 3 为1 9 9 9 年的废品损耗情况。 表1 31 9 9 9 年迪莎线a 铸件的废品情况 产品名称砂型厚与型砂有每型铁水旧砂水最高旧砂每年废品 度( c m ) 关的废品量( 公斤) 分( )温度( ) 损失情况 率( )f 万元1 桑车制动 2 8 0 3 0 082 9o 6 1 7- 8 0- 9 0 钳壳体 桑车制动 2 3 0 2 5 061 40 8 - 1 7- 7 0- 3 5 钳支架 桑车排气 2 4 0 2 6 051 30 7 1 7- 7 01 2 0 等 由此可见，当采用目前的手动加水控制系统，旧砂的温度水分波动较大，超过工艺要 求的范围用此l f i 砂混制的型砂性能也有较大的波动，从而直接影响铸件的质量铸件产 生较多的废品因此，改善型砂性能来提高铸件质量显得尤为必要 迪莎铸造生产线a 生产的是高质量高性能的制动系统铸件，年产制动系统铸件5 0 万套安全要求特别高，是直接为上海大众桑塔纳轿车配套的，制动系统铸件的大批量国 产化，为桑车国产化作出了重大贡献。据了解，上铸总厂的其他两条迪莎生产线也有 同样的问题，废品率不能得到有效控制。而且上海其它厂从美国引进的生产线也有同 样的问题( 并且还更严重) ，无锡引进的有些铸造生产线的型砂质量也不理想，给厂 家造成了巨大的经济损失。这些生产线都是从丹麦、美国等西方发达国家，对我国技 术封锁很厉害。一旦这些铸造线出现问题，由于国内对此类生产线均不熟悉，所以只 笫4 贝 海交通人学硕士学位论文 能，而且也必须请国外的专家来解决，这不仅大大影响了生产，而且维修的费用也很 可观。 例如：上海汽车铸造总厂已经多次请d i s a 公司专家前来解决迪莎铸造线的型砂 质量问题，但均只能正常一段时间，并未从根本上解决问题，说明国外对此问题在解 决方法上尚不成熟。 由此可见，型砂质量问题带有相对的普遍性。所以解决该问题不仅具有很强的经 济效益，而且还可以为国内外此类问题的解决提供思路和方案。填补国内同行业的守 白，促进铸造行业水平上一个台阶。 第5 _ ! ； ! ：塑茎望叁堂堡! 兰竺堡墨 第二章旧砂冷却的原理方法 据资料介绍【1 】，目前旧砂冷却有二种方法，一是提高砂铁比，降低旧砂温度 二是采用冷却装置冷却，二种方法各有优缺点，下面分别论述 2 1 旧砂冷却的必要性 在铸造生产中由于高温金属液浇注在型砂中，要使其冷却凝固，其大量热 量必须由砂型吸收与传递散发出，故凡经浇注后的型砂均具有一定温度，接近 铸件的面砂温度较高，背砂温度较低。当在铸件机械化平行流水生产时，由于 砂在一定时问内经多次浇注受热反复使用其砂温不断上升，可高达摄氏百度以 上。这种热砂( h o t s a n d ) 在铸造生产中会导致型砂性能不良以及一系列的铸 件缺陷，具体表现如下几个方面： ( 1 ) 型砂性能不均 打箱后的旧砂，由于受热的不同，较热的砂会导致黏结剂脱落，在混制时 会造成型砂的水分与成分不均，从而直接影响到砂型的强度、韧性及透气性， 导致铸件产生夹砂等各种缺陷。 ( 2 ) 型砂表面脱水 用热砂所造的型，其表面水分蒸发较强烈，造成砂型表面脱水，脆性增加， 在砂型输送和浇注时容易引起砂块剥落和冲坍等，造成铸件结疤和夹砂等缺陷。 f 3 ) 黏附模具和砂斗 湿度达到饱和状态的热砂，当遇到冷物体( 如模具、砂斗、提升机等) 时 就会在表面凝结出水来，促使沙砾黏附在其表面上。有些大砂斗就由于周围粘 砂成了中间“小漏斗”，斗式提升机也一样，每只小斗都黏附着砂，起不了输送 作用。 ( 4 ) 产生烟尘，影响环境 由于旧砂温度较高，在敞开回运输送处理过程中，砂中水分不断蒸发，当 旧砂水分少于2 时，其细尘会随着空气流与烟气散发出来，直接影响到环境， 尤其是旧砂在高空敞丌回运时，其细尘散落更为严重。 因此，当旧砂的温度超过室温2 0 。c 时，就应作为热砂对待，需要采取有效 的冷却措施。要降低型砂温度，提高型砂质量，就必须使旧砂温度得到控制， 这在很大程度上受到旧砂冷却处理系统性能的制约。 2 2 提高砂铁比 砂铁比越高，旧砂温度越低，混制的型砂质量愈稳定，据资料介绍【2 】，当 砂铁比为2 0 ：i 时，就不会产生热砂问题。因此要提高砂处理的能力，将混制 型砂的大部分储存在落砂机旁边的砂斗里，而将小部分送至造型工部。当浇注 落砂后，将混好而未用的型砂加到旧砂中，经过运输和旧砂处理过程，将两者 混合，使砂温降低。根据浇注的铁水重量调节加入的新砂量，就可以保证一定 的砂铁比，使进入混砂机的i h 砂温度，不高于环境温度8 ，则混制的型砂性 能将是稳定的。这种提高砂铁比使旧砂温度降低的方法，只需要提高砂处理的 第7 负 ! ! 璺茎塑叁堂些! ：兰篁堡墨 能力，不需要冷却装置，不增加造型机的负荷，调节简便，而且提高混砂效率。 但采用该方法需要极大地提高砂处理的能力，每生产单位吨位的铸件需要2 0 吨 以上的型砂，所以该方法适合用于小批量单件生产，对于大批量机器造型生产， 陔方法不适用。图2 1 为砂铁比与旧砂温度的关系 日砂温度( ) 0 0 图2 1 砂铁比与旧砂温度的关系 图2 1 中，当砂铁比大于2 0 时，旧砂不需要任何方法冷却，温度就会下降 至5 0 。c 以下，满足工艺要求。当砂铁比小于2 0 时，旧砂在没有； l - ) 3 1 a 冷却措施 的情况下，温度会上升至5 0 。c 以上。 2 3 使用冷却装置 在f t 砂处理系统中，设置冷却装置。目前普遍采用增湿冷却方法，即用雾 化方法将水加入到热砂中，经过冷却装置，使水分与热砂充分接触，吸热汽化， 同时向旧砂中吹入冷空气，将水汽排走，加速冷却过程。也可以在落砂后的旧 砂中，立即加入含有一定水分的新砂，经过旧砂冷却装置，达到增湿冷却和旧 砂预混的双重目的。这种冷却系统，最好根据旧砂的温度和湿度，调节加入的 冷却水量，即达到冷却作用，又不至于使旧砂太湿。该方法砂处理设备投资大， 适用于大批量机器造型生产。 2 3 1 双盘搅拌冷却 双盘冷却搅拌机的原理是用两个同样直径的圆盘相交组成底盘，每个底盘上 均有一搅拌器，它们的转速相同但转向相反。旧砂经过磁选、增湿、过筛的旧 砂由加料口均匀加入到双盘冷却搅拌机内，在搅拌器的作用下，旧砂一面翻腾 搅拌，一面按8 字形路线在两个盘上反复运动。由鼓风机吹入的冷空气，经过 变截面风箱，及围圈上的进气管加入冷却机内，吹向旧砂，使旧砂有一定的沸 腾作用，冷风与热砂充分进行热交换，使旧砂冷却。含尘的湿热空气，经过冷 第8 贝 一 ! 塑銮婆查兰型! ：兰垡笙苎 却器上部的沉淀室，沉降较大的颗粒后，由排气系统排出。及时排出湿热空气， 也促使水分的蒸发，加速冷却过程。通过加料量和卸料量，可以调整旧砂在双 盘搅拌冷却机内的停留时间，增加旧砂的冷却效果。 该方法优点由于机械搅拌和鼓风的联合作用，加速了旧砂的冷却和均匀化过 程，旧砂的冷却效果好，被广泛采用于流水线的生产。缺点是设备占地面积大， 设备投资大，对砂处理布置要求高。图2 - - 2 为旧砂双盘冷却搅拌机。 图2 2 旧砂双盘冷却搅拌机。 1 加料v i2 沉降室 3 进风口4 减速器5 风箱6 搅拌器7 卸料口 第9 , j 海交通人学坝i 学位论文 2 3 2 提升冷却 冷却提升机兼有提升和冷却的双重作用，其工作原理即经过磁选、增湿、过 筛的旧砂，被均匀地送到提升机中，提升机上有一条耐热橡胶带，用硫化胶合 方法胶合上胶棱，利用胶棱提升旧砂。由于带速较高，以及调节板的档砂作用， 提升的部分旧砂被档回，呈松散状态下落，部分砂被抛向卸料口排出。改动调 节板的位置可以满足这两部分砂的比例，以满足冷却效果和生产率的需要。旧 砂在提升和回落过程中，与冷却空气充分接触，以对流热交换的形式，使旧砂 冷却。空气以及水蒸汽经过冷却提升机的上部，排至旋风分离器。落到提升机 底部的冷砂与送入的热砂混合，也起一定的冷却作用。旧砂的冷却效果取决于 排风量及旧砂在提升机内的停留时间。 该方法优点是冷却提升机占地面积小，对砂处理系统的布置极为有利；而且 资会投入少，见效快；缺点是旧砂在冷却提升机中停留时间短，冷却效果不是 很理想。对于生产节拍较慢的铸造生产线，可以采用该方法冷却旧砂。因为生 产节拍慢，旧砂流量少，可以调慢提升机的转动速度，增加旧砂在提升过程中 回落的比例，即增加旧砂在提升斗里停留的时问，让更多的旧砂充分与空气进 行热量交换，达到降低旧砂温度的目的。图2 3 为旧砂冷却提升机示意图。 图2 3 为旧砂冷却提升机示意图 1 受料口2 提升带3 调节板4 卸料口 5 进排风通道6 旋风分离器 2 3 3 加水增湿冷却 加水增湿冷却即在热砂型中加入冷却水，通过水分蒸发，将热砂中的热量带 走，使得热砂冷却下来。冷却水和热砂发生热交换，产生水蒸汽，水蒸汽被抽 风装置带走，热量也被带走。通过不断地加水，不断地热量交换，达到将热砂 降温的目的。因为水蒸汽的热容量较大，对于热砂冷却效果明显，一般来讲， 将1 0 的水加入到6 0 的热砂中，每加入l 的水可降温1 。加水增湿度冷 却的效果取决于加水量及排气风量的大小。当然加水量不能无限加大，否则旧 砂太湿了会产生一系列的问题，如砂处理设备堵塞等。图2 4 为排风量加水量 与旧砂温度的关系。 第1 0 页 一! ：垫奎望叁兰堡：! 兰垡堡兰 采用加水增湿冷却方法，优点可以减少设备投资，节约费用：设备及控制系 统占地面积小，有利于整个砂处理的布置。对于工艺来讲，该方法冷却效果明 显，而且能够提高型砂性能。缺点是对控制系统要求高，维护保养困难。目前 对于流水线的热砂冷却普遍采用该方法，本课题所涉及的铸造生产线也是采用 排 风 l l 单 了该方法。 图2 4 排风量加水量与旧砂温度的关系。 第l j 页 一! ：塑窒望叁堂堡! ：兰丝堡兰 第三章系统的总体方案 为了设计出适合于迪莎铸造生产线的旧砂加水冷却系统，必须先了解其结 构组成，以及生产工艺流程，并且还要知道本生产线目前所用的旧砂加水冷却 方法和其优缺点，然后方可对症下药，设计出高性能、高质量的旧砂加水系统。 3 1 迪莎铸造生产线的简介 3 1 1 迪莎铸造生产线的工艺流程 迪莎铸造生产线a 是上海汽车铸造总厂9 4 年从丹麦引进的铸造生产线，垂 直分型，。主要生产产品为桑塔纳排气管，制动钳支架、壳体等球铁蠕铁类铸件， 年生产能力6 0 0 0 吨。迪莎铸造生产线a 由混砂工部、造型工部、浇注工部、砂 型传输工部、砂型破碎工部、加水冷却工部及旧砂传输部分组成。其工艺流程 图见图3 一l 。 图3 1 中除加水系统( 下一节中详细介绍) 以外的各框功能如下： ( 1 ) 造砂型 这主要是采用高压造型( h i g hp r e s s u r em o l d i n g ) ，这是近年来国内外 在大量生产中迅速发展的型砂造型新工艺，它不但使铸件的尺寸精度大大提高 和获得理想的表面粗糙度，而且能使铸件更加致密，机械性能更高。同时这种 高压造型，还具有生产率高，劳动条件改善，铸件质量减轻等优点。 ( 2 ) 浇注铁水 在这条生产线上，浇注铁水的砂型厚度大约为2 3 0 毫米，传送线上共有2 0 0 多个铸件。在浇注铁水时采用半自动化措施，旁边有工人在监控，在铸件传输 线上设有抽风装置，不断对工件进行冷却。 ( 3 ) 振动槽 在铸件传输线上，工件进入滚筒之前，设有一个振动槽。铸件经过一个感 知传感器到位后，从传送带上落下来，并经过振动槽的不断振动，把铸件与型 砂初步分离。这个振动槽处在不停的微幅震动中的，此外设置振动槽还有利于 检测。 ( 4 ) 进入滚筒 铸件与型砂破碎后进入滚筒，在此处铸件与型砂彻底分离，并且在滚筒中 进行第一次加水。这种滚筒是由冲孔钢板焊制的，被支撑在电动机所驱动的托 轮上旋转。滚筒内壁进料口处有导板，中部有举升横条和非连续的螺旋导板， 使砂和铸件举升抛落并导向前进，这样砂块和铸件经受多次反复抛落而逐渐分 离，砂就进入回送皮带，而铸件被传送到鳞板上。这个过程前进的速度很慢， 大约在一个小时之后爿能滚出滚筒，这样可以令铸件与型砂充分搅拌、渐渐冷 却和分离。 ( 5 ) 传感器( 测量水分温度) 型砂与铸件在滚出滚筒后进行分离，这时在滚筒的正下方有一个温度传感器 和一个湿度传感器，分别用来测量砂的温度和水分。在型砂传送带的中部还有 一个温度传感器，这主要是用来判断控制二次加水量。测定的温度，水分条件 送入到p c 中，与设定的温度，水分进行比较，然后进行运算判断并调节加水量。 ( 6 ) 型砂混制 旧砂经过一次加水，二次加水后，回到砂斗中，这时旧砂的性能已经发生 第1 2 贝 一! ：塑奎望叁堂塑! ：堂竺堡塞 了变化。原来型砂中的煤粉，澎润土 因此需对旧砂补充新砂，并加入煤粉 细砂粉等在这个工艺过程中被风带走， 澎润土，细砂粉等，重新进行型砂混制 混砂的目的不仅要求将各种原材料，如新砂、旧砂、黏结剂、辅料和水混合均 匀，更重要的是希望将黏结剂薄膜能均匀的包围在沙砾表面，以增加型砂的强 度，提高其透气性和其他有关机械物理性能。因此，混砂的好坏直接影响型砂 的质量。 3 1 2 热型砂的冷却 1 热砂冷却方式 图3 1迪莎铸造生产线工艺流程图 热型砂的冷却主要是通过辐射、传导、水分蒸发三种方式进行，现分别介绍 如下： ( 1 ) 辐射 虽然浇注的铁水温度高达1 4 0 0 。c ，但由于型砂是热的不良导体，所以热型 砂温度并不太高，因而通过辐射散热所散失的热量是有限的，对型砂温度水分 影响也是有限的。 ( 2 ) 传导 热型砂通过与其周围的介质，如空气、滚筒、传送皮带等，进行热传导，也 能散失一部分热量，但是由于滚筒中或皮带上的型砂温度一般与滚筒、传送皮 第1 3 丘 ：海交通大学坝i 学位论文 带的温度也比较接近( 尤其是在环境温度较高时) ，所以也不是热型砂的主要冷 却方式。 ( 3 ) 水分蒸发 无论是型砂中的水分还是被加到旧砂中的冷却水，受热后都会汽化，促使旧 砂中热量变成水蒸气。从而带走大部分的热量，使旧砂温度下降。总的说来， 水分蒸发是热型砂冷却的最主要的方式。例如，1 0 0 时，水的汽化热约为 2 2 6 1 k j k g ，温度降低则汽化热增加，如2 0 时为2 4 4 5 k j k g 。当热砂温度低于1 0 0 时，只要有足够水分，也会使水分蒸发而带走热量。型砂的比热为o 9 2 ，每 蒸发1 的水分，砂温可以降低2 2 6 1 ( 1 0 0 0 9 2 ) , - 一2 5 ( 式中2 2 6 l 为水的汽化 热) 。 温度低于1 0 0 时，水分的蒸发以及旧砂的冷却，主要取决于空气流通量 与空气所带走的水汽量。但是空气所带走的水汽量又决定于空气的湿度与交换 情况。 假定o 时，干燥空气的热容为0 ，则l k g 干燥空气含有不同水分时不同温 度的热容，如图3 2 所示，此曲线取自m o l l i e v 图表。湿空气的热容是随温度升 高而增大，开始幅度较小，以后增大，特别是温度高时，湿空气的热容特别大。 而干燥空气的热容仅仅与它的比热和温度发生关系，其值为l k j ( k gk ) ，它的 热容与温度成直线的i f 比关系，低于湿空气的热容，特别是当温度高时其差值 更大。 奄 ， 皂 确 空气、卫哩( ) 图3 - 21 k g 空气的热容 未 茸 埘 黄 是 口奎蔓盘( ， 出口奎气柑对置度y h ) 图3 3 空气的相对湿度与温度对由热砂散失4 2 0 k j 热量所需要空气量的影响 f 左右两图入口空气相对湿度7 0 ，左图出口空气相对湿度1 0 0 ，右图入口空气 温度2 0 。c 1 第1 4 页 一! ：塑銮望叁兰堡! ：堂竺堡皇 在一般旧砂冷却过程之中，空气受热后温度可高达4 0 5 0 。c ，容积最多增加 3 0 ，空气的含水量最多可达0 1 k g m 3 ，相当于重量的1 0 。 图3 3 为热型砂散发4 2 0 k j 热量( 相当于4 5 k g 热型砂降低i o 。c 的散发热量) 所要求的空气量与温度、湿度的关系，图上入口处与出1 ：3 处空气相对湿度为7 0 及1 0 0 。可以看出空气的要求量随出口空气湿度的上升而减少，而这一点又与 砂的冷却温度范围有关。例如2 2 k g 砂由9 0 。c 冷却到7 0 。c ( 即等于散热4 2 0 k j ) ， 空气的温度可以升高到5 0 。c ，约需空气2 k g ；若砂由5 0 。c 冷却到3 0 。c ，失散的 热量相等，但是由于空气进出口温度较小，出1 ：3 空气温度仅能加热到2 5 。c ，故 按进1 ：3 空气温度i o 。c 时所需冷却空气量1 2 k g ，后种情况是自口一种情况空气需 要量的4 6 倍。 由图3 3 中可以看出，空气应当尽量达到饱和湿度，特别是当出口温度较低 的时候。 2 各次加水的作用 迪莎铸造生产线a 总共有三次加水，但各次加水的作用是不完全一样的，具 体说明如下： ( 1 ) 滚筒口第一次加冷却水( 粗调) 这次加水是在滚筒的入1 ：3 附近，在此位置时的型砂已经基本破碎。此时加冷 却水，旧砂温度较高，有利于水分的蒸发带走热量：而且滚筒1 ：3 又有抽风管道， 促进了滚筒中的空气更新流动，使冷却水的冷却效果大大提高。所以这第一次 加水对型砂的温度水分起着决定性的作用，此次加水的量也是最大的。 ( 2 ) 传送皮带上第二次加水( 微调) 这次加水主要是作为第一次加水的补充，因为虽然第一次加水的主要目的是 降低旧砂的温度，同时兼顾型砂的湿度不能超过工艺要求。虽然经过滚筒的搅 拌，但旧砂的温度水分也还是不够均匀。皮带上的第二次加水就是要根据需要 对旧砂再加适量的水，使得旧砂的温度水分更加均匀。此次加水虽然也有一定 的冷却作用，但由于其加水的量较少，而且此时的旧砂温度也已经不是太高， 蒸发作用也不是很明显，所以其冷却作用是有限的。相对于第一次加水而言， 这次加水只是起微调的作用。 ( 3 ) 混砂机内第三次加水( 微调) 在混砂机内的第三次加水是在混砂时加的，主要的作用是调整造型用砂的湿 度而不是对造型砂的冷却。 由上可知，旧砂的冷却主要是依靠滚筒口第一次加水，这次加水在很大程度 上决定了旧砂的冷却处理成功与否，也是影响旧砂温度水分的主要因素。所以 如何加好第一次冷却水也就成为本课题研究的核心内容。本文后面所提到的加 水，如果不作特别说明，一般就是指滚筒口的第一次加水。 3 各因素与型砂温度水分之间的关系 由图3 1 可知铸造用的型砂是循环往复使用的，而且占造型用砂的9 5 ，因 而造型用砂的温度水分很大程度上取决于旧砂的温度水分。如果旧砂能得到较 第1 5 ：噍 海交通人学硕l 。学位论文 好的冷却处理，使其温度水分控制得比较好，问题就基本解决了。现行旧砂的 冷却主要是加冷却水，靠型砂中水分的蒸发实现对旧砂的冷却。型砂温度水分 与各因素之i 旬的关系具体表现为： ( 1 ) 与产品型号的关系 不同的产品其砂铁比( 铸件的砂与铁之比) 是不同的，而砂铁比小的产品 由于其含的热量大且砂又少，所以旧砂的温度相对必然要高一些，反之，生产 砂铁比大的产品时旧砂温度相对就较低。 ( 2 ) 与环境因素的关系 环境温度或者冷却水的温度较高时型砂温度相对较高，这点主要表现在 季节的变化上非常明显，冬季型砂温度控制得较好，但夏季就很不理想了。而 且与空气中的湿压强度也有关系，湿压强度大不利于型砂中水分的蒸发，所以 型砂中的温度和湿度均相对较高。 ( 3 ) 与生产节拍的关系 生产节拍快型砂中的水分蒸发的就比较少，所以型砂温度就要高一些，但 在生产任务较紧张的季节，生产节拍是很快的，这就给旧砂冷却带来较大难度。 f 是由于旧砂的温度水分与环境温度、冷却水的温度、空气的湿压强度、 生产节拍以及产品的砂铁比等多种因素有关，生产线又有几百米长，而且由于 铸造生产线上的环境很恶劣，所以传感器的精度和寿命一直是一个严重的问题， 因而使得现有是旧砂冷却处理系统非常脆弱，经常不能j 下常工作，严重影响了 产品质量和生产进度。 3 2 系统的总体方案 3 2 1 方案的构思及设想 为了能较好地控制旧砂的温度和水分，改善型砂的性能，提高铸件的质量，本 文决定采用热平衡原理，找出旧砂温度、水分、旧砂流量和铸件型号、环境温 度、冷却加水量之间的数学函数关系，对迪莎铸造生产线a 的旧砂冷却系统建 立一个数学模型。然后根据所建立的数学模型，输入铸件大小、砂铁比、砂型 厚度浇注温度、环境温度等初始条件，根据旧砂被冷却后所要达到的温度、水 分的目标值，由工控机自动调整加水量。二次加水有手动和自动控制两种工作 方式。二次自动加水的原理是根据一次加水后旧砂的温度、水分以及皮带上的 砂流量这三个参数由p c 计算后自动调整二次加水量。 由于模型所涉及到的参数较多，而且需要许多实时数据处理，本系统决定采 用工控机和p c 两级控制。工控机组成第一级控制器，进行数据的采集和分析处 理。由于p c 的工作性能可靠，使用方便且技术也成熟，而且在控制功能上留有 一定的余量，有利于今后对该系统的升级和改造。所以决定用p c 组成第二：级控 制器，具体实施控制和显示温度、水分以及加水、水管堵塞报警等动作。 一次加水后的水分、温度，二次加水后的温度，以及环境温度，砂流量这血 个信号首先经过信号调理电路进行放大、滤波、排除干扰等处理；接着通过a d 转换器，建立起模拟信号与数字设备、数字计算机、或其它数据系统之间的联 系桥梁，这样可以将这些连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，便于进 第1 6 负 海交通人学颂i 。学位论文 行数据处理、储存、控制和显示。上述五个模拟信号经过a d 转换器，再连同 一次加水量，二次加水量以及铸件型号一起输入到工控机，供操作人员查看。 工控机作为二级控制中的第一级，具有丰富的输入、输出功能，适用的软件 也比较多，并具有实时性，高可靠性，技术综合性，环境适应性等优点。工控 机的输入输出必须与调节控制仪表，显示仪表，传输接口仪表，检测仪表执行 器，以及连锁保护系统连用，这样工控机通过开关量输出板与p c 联系起来。 3 2 2 总体方案 由于本项目是个改造项目，受生产条件的限制，必须在原有的基础上实 施，根据迪莎铸造生产线a 的工艺流程图及其现状，该旧砂冷却装置主要是根 据从旧砂反馈回来的温度和湿度来自动调节加水量，本文决定采用如下方案。 参见附录一，具体说明如下： ( 1 ) 传送带返回该信号决定一次加水的起始时阳j ，以便控制一次加水的频率。 ( 2 ) 热砂型检测该信号用来检测砂型是否浇注过铁水，以便控制是否要加水 冷却。 ( 3 ) 水管堵塞报警当检测到的实际加水量明显少于所需要的加水量，p c 发出 报警信号。 ( 4 ) 水表在这里选用的是带脉冲输出的水表，这种水表的水量脉冲连到p c 控 制面板上配二次仪表，该二次仪表可以接受上级的自动加水指令，显示加水量 并向p c 输出脉冲，便于p c 控制加水量。 ( 5 ) 一次自动加水、砂型传送带返回、一次加水量、二次加水信量，这4 个信 号是丌关输入信号，也需要经过信号调理电路加载到工控机的多功能板上。 ( 6 1 环境温度、滚筒内空气温度、一次加水后旧砂