年产2万t机床床身铸件短流程树脂砂工艺铸造车间设计

田新社，薛留虎，高修启

（阳城县绿色铸造研发中心，山西 晋城 048100）

某公司现有318 m3及179 m3高炉各一座，按照省经信委的要求，作为铸造高炉保留必须延伸产业链配套短流程铸造，该公司2011年在省发改委立项，拟建设5万t短流程铸造项目，其中一期工程为建设年产2万t机床床身铸件项目。项目规划占地10000m2，总建筑面积6258 m2，其中铸造车间建筑面积6014 m2。在厂区现有高炉周围予留场地建设。

1 生产纲领

铸造车间以生产机床大中型铸铁件为主，年产各类冲床床身及相关零部件2万t，单重最小件几十千克，最大件单重8 t，其中大部分为灰铸铁件，少部分为球铁件和合金铸铁件。典型铸件（冲床床身）主要尺寸为3.5 m×2.5 m×1.0m，单重8 t；2.8 m×1.8 m×0.9 m，单重 5t；2.0m×1.5m×0.8m，单重3t.

2 工艺设计与设备选型

2.1 工艺设计

2.1.1 熔化工部

设计根据建设方拥有高炉的有利条件，采用高炉铁水轨道电平车运输，热装直接入中频感应电炉加热。高炉出铁制度为8 t/2 h，铁水出炉温度一般为1350℃左右，通过中频感应电炉使铁水过热至1550℃进行铁水调质处理，然后出炉浇注。工艺衔接要求为：中频感应电炉2 h之内必须完成8 t铁水从入炉到出炉的全部熔化过程。高炉将定期放铁水进入下一个循环，铸造车间接纳铁水最大设计能力为8 t/2 h，因设备故障不能按时接纳铁水时，高炉铁水流入铸铁机浇注商品面包铁外销，将空过2 h接下一次铁水。中频电炉选用两台6 t炉体，配置特点为双电源与双炉体+功率分配器方式，即1台2400kVA变压器+2台1350kW中频电源+2台6 t的炉体，两台炉体通过功率分配器同时工作，总功率≤2100kW.工作时可实现一个炉体升温熔化铁水，一个炉体保温铁水。两个炉体同时出铁为12t，满足最大单重8 t铸件生产。工作方式：1#电源对应1#炉体以熔化功率（1350kW）供电，使1#炉体进入熔化状态；在1 h内将4 t高炉铁水（1350℃）和2t冷料升温到1550℃，炉内铁水（≥6 t）达到工艺温度后，1#电源功率降至保温功率，使1#炉进入保温状态。同时2#电源将功率从750kW升至1350kW，对2#炉供电，使其进入熔化状态。2#炉铁水达到工艺温度后，将功率降至保温功率并进入保温状态，如此两炉交替生产。若在熔化中一个炉体出现故障，可断开两台电源，将其中一台开动。两台电源总功率在变压器额定容量2400kVA不超载的情况下任意分配之。

中频电炉冷料（废钢、返材）入炉选用5 t起重机配NK5-110L-1电磁吸盘（1t），铁水入炉选用16t冶金双钩起重机，10t保温铁水包和20t电子秤组成自动加料系统，减轻配料工人的劳动强度。中频电炉熔化铁水检测选用炉前快速热分析仪，直读式光谱仪测量铁水成分，用电子测温箱枪检测铁水温度合格后出炉浇注铸件。

2.1.2 中频电炉熔化量计算

6 t中频炉熔化周期为1 h，每天按三班连续生产（有效工作时间20h），全年工作300d，中频电炉年熔化铁水量 =（6×20/1）×300=36000t，工艺出品率70%计算，合格率90%计算，年合格铸件产量为：36000×70%×90%=22680t，达到20000t/a生产纲领目标。

2.1.3 造型制芯工部

采用呋喃树脂自硬砂造型工艺，根据机床铸件大小，重量不同，生产上采用不同的连续式混砂机。本项目造型选用1台30t移动式混砂机，20t和15 t固定式混砂机各1台，制芯区选用1台10t的固定式混砂机，最大可满足8 t铸件的稳定生产。针对下芯操作，在造型工部下芯区配置了2.5 t龙门行车，由于其轨高低合适操作方便，使得砂芯位置调整方便，下芯准确。不仅提高了铸件内部尺寸，同时又提高了生产效率。

砂芯涂料采用醇基涂料，手工喷涂，配备柱式悬臂吊以方便砂芯的起吊、翻转。为保证砂芯涂料的干燥，特别在制芯工部配备了1台贯通式煤气烘干炉。

1）混砂机能力计算：

全年型砂混砂量 Q=CS（1+α）（1+β）（1+γ）

式中：C——生产纲领，取C1=20000t，C2=22680t；

S——平均砂铁比，取3∶1；

α——铸件废品率，取3%；

β——废型率，取2%；

γ——型砂损失率，取5%.

则：Q1=20000×3×（1+3%）×（1+2%）×（1+5%）=66188 t/a，

Q2=22680×3×（1+3%）×（1+2%）×（1+5%）=75057 t/a，

全年生产日tg=300d.

每天型芯砂量为：

66188/300～75057/300=（220～250）t/d，

每天造型制芯时间：10h～12 h，取10h.

设备年时基数：

T=10（1-δ）tg=10×（1-5%）×300=2850h.

每小时型砂用量：Ph=22t/h～25 t/h，取22t.

选用额定生产率分别为30t/h、20t/h、15 t/h、10t/h的混砂机各1台，Pm=30+20+15+10=75 t/h.

混砂机的设备负荷率 η=（Ph/Pm）=（22/75）=30%，混砂机设备的开动率一般在30%～40%，合适。

由于树脂砂存在可使用时间的问题，故混砂机生产能力还必须同时满足下式：

Pmmax≥Wmax/Tmax，

式中Pmmax=30t/h，

最大型砂重量Wmax=[（4×3×1.4）-（3.5×2.5×1.0）]×1.5=（16.8-8.75）×1.5=12t.

树脂砂可使用时间Tmax=12 min=0.2 h，

则Wmax/Tmax=12/0.2=60t/h，

Wmax/Tmax=60t/h≥30t/h.

显然不能满足可使用时间要求，但从工艺上采用远离模样部位填充部分旧砂和从设备投资方面考虑最大选用30t/h移动混砂机。

2）旧砂再生工部

砂处理设备技术指标：

旧砂再生能力≥20t/h～25 t/h；

旧砂回收率≥95%；

再生砂脱膜率≥22%（漯河大华≥28%）.

再生砂灼减量≤2%（一般铸铁2.5%～3.5%以下）；

再生砂微粉含量≤0.3%（其中筛子底盘含量＜0.2%）；

再生砂温≤35℃（冷却水≤20℃，环境温度≤25℃时）；

除尘效率≥99%；

振动设备空载运行噪声≤85 dB（A）,

除尘器粉尘排放浓度≤100mg/m3,

混砂均匀性误差≤±3%,

液料定量精度误差≤±1.5%.

呋喃树脂加入量（质量分数，%）：全部新砂时加入量为1.1%～1.5%，新砂占20%以下或全部再生砂时加入量为0.8%～1.1%.

配套冷却水 8 m3/h～10m3/h，水压 0.2 MPa～0.25MPa，水温＜17℃.

配套压缩空气30m3/min，压力≥0.75 MPa，储气罐总容积≥32 m3.

幸运的是：杨术等人提出的企业转发表结构（FISE）[9]能够较好地解决该问题。FISE结合TCAM和静态随机存取存储器（SRAM）压缩了二维转发表所需的TCAM空间，同时保证报文的线速处理。

根据生产纲领和生产方式选用树脂砂生产能力为25 t/h，根据铸件大小和重量选用落砂机30t（2×15t拼装），承载量为30t，另一台落砂机为10t。因落砂后温度高，采用振动输送机，提升机采用链式。

3）旧砂再生能力计算：

旧砂再生能力：P=QΨK/T

式中：Q——年混砂量，取66188 t/a；

Ψ——旧砂再生率，取95%；

K——不平衡系数，取1.2；

P=66188×0.95×1.15/2850=25.37 t/h.

考虑国内最大的再生设备单机能力，选用25 t/h的树脂砂再生设备。可以满足年产20000t铸件的需要。

4）树脂砂旧砂再生工艺

树脂砂旧砂从振动落砂机→振动输送机→悬挂磁选机→1#链式提升机→1#砂库→振动给料机→振动破碎机→2#提升机→2#砂库→沸腾冷却床→3#提升机→磁选机→再生机构→4#提升机→3#砂库→砂温调节器→5#提升机→4#双腔砂库→气力输送发送器→混砂机上方成品砂库→砂比例调节器→混砂机造型。

2.1.3 铸件清理及热处理工部

铸件清理及热处理是铸件后处理的一个重要环节，铸件落砂后通过载重量15 t电动平车运到除芯工部除芯，运到清理工部去掉浇冒口，然后进抛丸机清理。设计中对不同的铸件采用不同的清理设备。如工作台小件、细长件采用长室体吊钩式抛丸机，大型铸件则采用台车式抛丸清理机，大型长铸件采用通过式抛丸清理机。出抛丸机后送高炉煤气时效退火炉热处理。最后打磨修整、划线，合格铸件入库。

铸造车间工艺流程框图如图1所示：

图1 铸造车间工艺流程框图

2.2 主要设备选型

1）熔化工部选用容量6 t电炉一套，2个电源部分配50t/h闭式冷却塔，2个炉体部分配150t/h闭式冷却塔。配套设备5 t加料行车1台，1t电磁吸盘一台，16 t吊装高炉铁水及出铁水用冶金用双钩行车1台，20t电子秤1台。

2）造型制芯砂再生工部选用25 t/h树脂砂再生设备一套，选用额定生产率分别为30t/h（移动）、20t/h、15 t/h、10t/h的混砂机各1台；落砂机选用30t（2×15 t双联）1台，10t落砂机1台。

3）后清理工部选用10t和5 t抛丸机各1台，铸件煤气时效热处理炉1台。

4）起重运输设备：选用QDY冶金双梁起重机4台；LDY冶金单梁起重机3台；LD普通单梁起重机2台。20t电动平车1台，15 t电动平车2台。

2.3 车间工艺平面布置

车间工艺平面布置从东至西共4跨5大布局，车间东侧第一跨从北至南工艺布置2×15 t双联落砂机，30t移动混砂机（含大件浇注地坑），20t固定混砂机，此跨为中大件造型、制芯、合箱、浇注主跨，宽21 m。配32t和10t双梁吊车各1台，10t单梁吊车1台。车间南头外设高低压配电室。二层设车间办公室。在2轴设2台2t壁形吊，轨顶5 m用于下芯。第2跨从南至北工艺布置室外2台闭式电炉冷却塔，高炉铁水入炉出炉16 t行车1台，5 t加料行车1台，轨顶高9 m。6 t中频电炉变压器、中频电炉炉体、中频电源柜、光谱室，炉料仓（生铁、废钢、返材）3个。新砂烘干、旧砂再生生产系统、型砂实验室、砂处理总电控制室。第3跨从北至南室外工艺布置砂处理玻璃钢冷却塔、空压机室、砂处理除尘器3组、高炉煤气去应力退火炉。室内工艺布置10t落砂机1台，15 t和10t固定式混砂机各1台，配10t双梁行车1台，单梁行车2台，24 m宽，轨顶高9 m。在4轴设2台1t壁形吊，轨顶5 m用于下芯。此跨主要为小件造型、制芯、合箱、浇注。北头设车间公共卫生间。第4跨从北至南工艺布置室外抛丸机除尘器，铸件清理，除浇冒口，清砂，设10t和5 t吊钩抛丸机各1台，铸件焊补精整，检验刷漆。

3 车间厂房建筑结构

车间主体厂房为单层轻钢彩板结构，轻钢彩板屋顶。大型塑钢窗，轻钢推拉大门。主厂房南北总长108.8m，总宽55.4 m，柱距6 m，总建筑面积6014 m2。其中，第一跨长108.8 m，宽21.5 m，建筑面积2339.2 m2。吊车吨位32t+10t+10t，轨顶标高9.2 m。第二跨长108.8 m，宽9.5 m，建筑面积1033.6 m2，吊车吨位16 t+5 t，轨顶标高9.2 m。第三跨长90.8 m，宽24 m，建筑面积2179.2 m2，吊车吨位3台10t，轨顶标高9.2 m。第四跨长30.5 m，宽15 m，建筑面积462 m2。吊车吨位10t，轨顶标高9.2 m.

车间变电室设在第一跨南头一层长14 m，宽5.5 m，建筑面积77 m2。二层车间办公室建筑面积77m2。铸件时效炉厂房在第三跨北头长10m，宽8m，其面积80m2。车间总共建筑面积6258 m2.

受建设场地限制，箱砂周转及模具存放，产品清理及成品仓库只能另选址安排。

4 公用工程

4.1 给水排水

1）生活用水量

生活用水标准按每人每班35 L，小时变化系数2.5，班后1 h淋浴用水量按每人每次60L。生活最大用水量Qm=3.3 m3/h.

2）生产用水量

①生产用水主要用于中频炉冷却，采用先进的密闭循环强制冷却系统，定期补充少量新水。用水量200m3/h.

②树脂砂旧砂再生系统，砂温调节器用水，采用地下冷却水池配50m3玻璃钢开式冷却塔，循环用水量100m3/h.

③生产循环用水量合计300m3/h。补新水量10.8 m3/h.

3）消防用水量

①室内消防用水Q=10L/s，Q=72 m3/次（按2 h考虑）。

②室外消防用水Q=20L/s，Q=144 m3/次（按2 h考虑）。

4.2 采暖通风

1）铸造车间建筑面积6014 m2，设计暂不考虑供暖，仅在车间办公室考虑安装暖气，接入供热管网。光谱室安装空调。

2）铸造车间通风采用屋顶装无动力抽风机。

4.3 动力

利用原厂区的锅炉房和锅炉向车间办公室供暖。空压站内设压力容器主要供铸造车间用压缩空气。

4.4 电气

全厂生产用电主要分铸造车间中频电炉2100kW，树脂砂砂处理1套516.62 kW，2台缧杆式空压机130kW，9台行车 284.6 kW，2台后清理抛丸机45+55=100kW。电动平车、铁水包、照明、机修电焊及其他估计50kW。厂内建1座总变电站，10kVA电源进入总变电站，内设高压柜，电容补偿柜，中频电炉专用变压器1台（2400kVA）。铸造车间除电炉外其他设备电力设备安装容量1088 kW，安装2台560kVA油浸变压器。对生产调度组织便利。

5 节能、环保、消防、安全、卫生

5.1 节能

设计中采用国家推荐的节能设备，注重环保，充分利用能源，减少废砂排放，降低铸件生产成本。

铸造车间墙体采用新型节能材料，采用轻钢彩板夹阻燃玻璃棉保温措拖，保温效果好。

层顶设置采光带，采光充足并节省电力照明能量，通风采用无动力抽风机。

造型砂采用旧砂再生生产线，旧砂经过再生处理，回收率达95%，成为可循环使用砂，节省大量自然砂资源。

厂房采光选用金属卤化灯节电。

中频电炉冷却水采用先进的封闭冷却设备，节省大量补充新水。

5.2 环保

粉尘防治：铸造车间主要污染源为2套中频电炉熔化铁水产生的烟尘，浓度为300mg/m3～800mg/m3，2套落砂机产生的粉尘及抛丸清理机产生的粉尘浓度为 500mg/m3～1000mg/m3，防止措施：中频电炉采用炉盖密闭可转动吸烟罩经吸尘管道到厂房外部布袋过滤烟尘净化后由烟囟高空排放。落砂机及抛丸清理机均分别采用吸尘罩将粉尘抽至布袋除尘器净化后高空排放。烟尘浓度≤100mg/m3，达到国家环保二级排放标准。

噪声防治：铸造车间主要噪声污染源抛丸清理机，除尘风机。采取措施为除尘风机加减震垫和消声器，车间总噪声控制在85 dB（A）以下。车间四面环山，远离居民区，不会造成大的噪声危害。

5.3 消防

铸造车间为丁戊类生产火灾危害性场所，车间厂房按二级耐火等级设计。车间厂房为轻型钢排架结构，明柱，吊车梁等均刷两层防火涂料，使其达到二级耐火等级，车间工艺布置设有安全疏散通道、大门，车间设有消火栓，室内消防水量为10L/s。室外消防水量为20L/s，室内外2 h消防用水量为216 m3，厂区地下水池1处，6 m×3.5 m×3.5=80m3，山上高位水池1处，1000m3。完全可满足消防用水。

5.4 安全卫生

铸造车间影响安全卫生的场所和设备主要为中频电炉熔化铁水产生的高温和散发的烟尘，带电设备为机械伤害，电器安全，旧砂再生和铸件清理过程中产生的粉尘。

采取措施：

1）厂房设置屋顶无动力抽风机，使厂房有通风换气的效果。中频电炉熔化过程中工人佩戴防护服、墨镜、防烫手套，电炉、落砂机及抛丸机生产的烟尘均采用密闭罩吸粉尘，烟气经布袋除尘净化后高空排放，使室内粉尘浓度小于10mg/m3卫生标准。

2）落砂机和旧砂再生生产线的主要设备处设应急停电按钮，防止事故发生。

3）带电机械采取安全接地线，接触电阻不大于4 Ω。电机和转动皮带轮采用安全罩，防止机械损伤。

4）抛丸机采取单独房间，隔声处理使噪声≤85db（A），减少车间内噪声危害。

5）旧砂再生设备在≥2 m高空平台均设1.05 m高安全栏杆。

6）吊车吊运工件重物时有音响警示并不准在吊车下行走和停留，注意安全。

6 结束语

本铸造车间建设时间为2011年1月至2011年12月。已经试运行竣工验收。计划于2012年正式投产。

［1］孔维军，刘小龙.铸造工厂的环保与节能［J］.铸造设备研究,2008（5）：5-7.

［2］徐立军，郭敖如.年产4000t铸件的树脂砂铸造车间设计特点［J］.铸造设备研究，1999（4）：46-48.

［3］曹善堂，曹立人.铸造设备选用手册［M］.北京：北京机械工业出版社，2000.

［4］铸造车间和工厂设计编委会.铸造车间和工厂设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1995.