型砂冷却工艺设备探讨

马宝山

（天津一汽夏利汽车股份有限公司内燃机制造分公司，天津 300000）

在砂型铸造生产中，砂处理系统的作用越来越得到铸造厂的重视，其中，砂冷却工部作为常规砂处理系统的一个重要组成部分，是保证型砂质量的重中之重，例如汽车铸件生产领域，由于批量大、工艺要求高等特点，多采用传统的湿型砂高压造型。由于反复循环使用的旧砂温度不断增高，使得造型时的型砂温度过高，性能恶化，导致铸件质量下降，废品率上升，砂温对型砂及铸件质量产能的影响也变得尤为突出。

无论是双盘冷却还是沸腾冷却，都是通过不断地喷水和鼓风，通过热交换，依靠水的蒸发带走热量。一般每蒸发1%的水分，砂温可以降低约25℃左右。砂冷却要有两个条件：第一要有足够的水份，均匀地搅拌其中；第二要有足够的风量，迅速地带走湿热的水汽。本文就5种不同砂冷却设备的原理、结构及使用情况进行介绍。

1 冷却设备介绍

1.1 振动沸腾冷却床

近年来，以机电一体化自动测温、增湿振动沸腾冷却床为代表的冷却装置得到了大多数业界人士的认可，成为了旧砂冷却设备的首选。其原理是通过鼓风使得旧砂沸腾，带走增湿后热旧砂中水分，即大量汽化潜热，使旧砂温度稳定地降到40℃以下并将水分调整为2%左右；需要冷却的旧砂，由给料装置均匀地送到冷却器的沸腾板上，冷却器在振动电机的作用下使沸腾板不停地振动，板上的旧砂一面被向上抛起，一面向前移动。砂粒在移动过程中互相撞击、摩擦和挤压，将附着在砂粒表面的黏结物脱落，同时，鼓风机从沸腾板下方吹入冷风，流动的空气从沸腾板间的缝隙进入砂层使旧砂与冷空气进行充分热交换而达到降低砂温的目的，见图1。

图1 沸腾冷却床

1.2 RCT滚筒式冷却装置

RCT滚筒式冷却装置如图2所示，该设备是日本新东公司典型的冷却设备，砂冷却原理与沸腾冷却床基本一致，旧砂通过滚筒旋转速度均匀地下落，通过产生自左至右的流动空气带走筒内水蒸气，使100%旧砂都能产生热交换，达到旧砂冷却的目的。

1.3 双盘冷却器

图2 RCT滚筒式砂冷却装置

1）双盘冷却器的工作原理

当双盘冷却器开始工作时，首先，控制系统检测旧砂的温度和湿度，并据此确定初步加水量；旧砂进入盘内，在搅拌器和风力的带动下，旧砂在水平和垂直两个方向呈“∞”形立体运动，与此同时加水系统将确定的加水量均匀地喷在旧砂中，散发的热气从上部进入除尘系统，在冷却器搅拌冷却的同时，安装在盘内的温度、湿度检测系统检测旧砂温度、湿度的变化，并依据检测结果控制加水系统精加水、补水，当冷却器中的砂层达到设定的范围（通过检测砂层的电流来确定砂层厚度），出砂门电动推杆启动出砂门打开并控制出砂门开度；此后，经冷却器处理过的旧砂就源源不断地供给混砂机，见图3。

2）双盘冷却器的优点

双盘冷却器类似混砂机，有比较好的冷却效果。当冷却器的刮板绕主轴高速回转时，将盘内热的旧砂抛起成松散状态。此时砂粒间穿过由机外鼓入的冷风，二者之间产生热交换。气流的作用又加速了水分的蒸发使旧砂得以冷却。尤其这类设备经常布置在混砂机前，国内外许多厂都将新砂与旧砂同时加入该设备搅拌，使处于冷态的新砂与热旧砂接触的同时进行了热交换，降低了旧砂的温度，新旧砂的混合又起到“预混”的作用。所以有人又将双盘冷却器称为“混砂冷却器”。

图3 双盘冷却器结构

1.4 冷却式混砂机

冷却式混砂机是一种将批次式冷却器+混砂机合二为一的砂处理设备，其冷却原理与沸腾床、冷却滚筒及双盘冷却器一样都是通过加水蒸发，鼓入冷风抽出热风实现热交换，达到型砂降温，冷却式混砂机生产能力一般在30t/h～120t/h。冷却式混砂机结构见图4，混制过程中的砂温降低曲线见图5。

图4 冷却式混砂机结构

图5 混制过程中的砂温降低曲线

1.5 真空砂处理系统

1）真空砂处理技术的原理

简单地说，真空砂处理技术的基本原理是通过抽真空的途径，降低混砂机中水的沸点，从而在快速蒸发过程中带走热量，实现瞬间冷却和控制砂温的目的，见表1。

2）真空砂处理技术的优点

传统砂处理冷却系统一般存在三个问题：一是部分有效成分会随之带走；二是如果水质不稳定，水中的矿物质会不断沉积，影响到膨润土的钠化效果；三是在夏季高温、高湿的极端天气下，靠喷淋和鼓风是很难将砂温降低到40℃左右理想状态的。

真空砂处理系统作为一个相对封闭的循环系统，蒸发的水分经过冷凝器冷凝，再回到混砂机中循环使用，所以不用额外地添加水分，也不会带走型砂中的有效成分。而通过控制混砂气压，可以轻易地实现对出砂温度的精确控制，砂温甚至可低于室温。比如混砂气压为74 MPa时，对应的出砂温度控制在40℃（即气压为74 MPa时水的沸点为40℃）；此外，采用真空砂处理技术后，混砂系统中所有的水都以低沸点的气态存在，不但有利于促进膨润土的活化，减少膨润土的加入量，节约生产成本，更能提高型砂的湿压强度、透气性等各项性能指标。

表1 大气压与水沸点关系

3）真空砂处理技术应用结果

实际运行半年多来，无论外界气温、气候如何变化，真空砂处理系统的出砂温度始终能够稳定控制在（40±1）℃，因而使型砂各项性能明显提高而且渐趋稳定。与型砂有关的铸件废品数量大幅下降。

2 不同形式冷却器的应用分析

2.1 沸腾冷却床

带走物料中水分的能力是决定设备冷却能力的决定性内在要素，与所有旧砂冷却设备比较：增湿后热旧砂进入沸腾床后，自下而上通过细密鱼鳞孔板的中压高速气流，使物料层呈典型的鼓泡流化床，旧砂呈快速上下湍流沸腾状态，砂粒表面气化膜被强烈扰动，充分快速的带走水分即大量汽化潜热，使自动喷水增湿后的热旧砂强烈快速地冷却，水分被激烈鼓风蒸发，迅速带走大量汽化潜热。并且沸腾床面宽大，悬浮速度均匀，调整沸腾床鼓风量、自下而上床层平均风速，使100%旧砂都能经过冷风的热交换，从而决定了沸腾床的冷却效果。沸腾冷却床无论从冷却原理和实际使用效果都是多种型砂冷却设备中最好的，尤其是进口德国Küttner的应用市场反应效果最佳，美国GK和日本太阳铸机也有产品应用，过去由于国产沸腾冷却床难以解决床体开裂等问题一直没有得到广泛应用，近些年虽然发展较快，但因震动噪音较大，网眼易堵，床内加水雾化困难，造成冷却效果不足，使用保养要求高等原因没有真正得到用户认可。图6为天津一汽内燃机新工厂使用国产沸腾冷却床砂温冷却记录，从图中可看出夏天温度较高条件下砂温很难达到45℃（或室温+10℃）以下的要求。振动沸腾冷却床的加水方式分两种，床内加水和床外加水，从冷却效果和保证环境来讲床内加水比较好，但在实际使用中为了减少网眼堵及使用更简单可靠，应采用床外加水，这一点对国产沸腾床更重要，图7为床外加水，图8为床内加水。

图6 国产沸腾冷却床砂温冷却曲线

图7 美国GK沸腾床控制原理图（床外加水）

图8 德国Küttner沸腾床控制原理图（床内加水）

2.2 RCT冷却滚筒

RCT滚筒式冷却装置，冷却效果可与沸腾冷却床相媲美，加上冷却滚筒运转平稳，噪声低，伴随着低速旋转砂块进一步破碎搅动具有筛分功能，筛出滚筒破碎筛未筛出的块状物或颗粒物，使型砂粒度松散均匀，提高型砂质量，在日资企业、台资企业得到广泛应用。

2.3 双盘冷却器

双盘冷却器有一个重要作用就是预混，因此特别强调对盘内砂层厚度的控制，因为这里的旧砂不向沸腾床冷却那样只做单项运动，而是有相当一部分要反方向往进砂口运动（既双盘冷却器独特的反混原理），从而实现不同时间进入的旧砂有一个相互混匀的过程，同时旧砂中留存的有效膨润土得以活化既预混。另外由于双盘冷却器操作维护保养简单，无振动，预先活化膨润土以提高混砂机的效率等优点越来越得到用户认可。图9为使用双盘冷却器的砂温冷却曲线。

图9 使用双盘冷却器的砂温冷却曲线

2.4 冷却混砂机

冷却混砂机是近些年发展的新型型砂冷却设备，冷却混砂机集冷却与混制为一体，减少了设备投入。系统布置的简单化，只有输送、破碎、储砂、冷却混制环节，减少了斗提机等输送设备的使用，并且减少了设备维护量，设备占用场地面积小，厂房高度要求低，钢结构用量大幅降低。但由于冷却式混砂机既要冷却又要负责型砂混制，因此冷却混砂机比较适合铸件相对简单、重量比较小、砂处理系统处理砂量吨位较低（一般60t/h）的垂直分型和水平分型无箱线铸件生产。目前应用实例较多，使用效果反应也较好，如图10所示。

2.5 真空混砂机

真空混砂机通过降低水的沸点，从而在快速蒸发过程中带走热量的基本原理，实现了型砂冷却新途径。真空混砂机的开发应用是铸造界的一场革命，他不仅在型砂冷却方面效果明显，真空砂处理技术实现了开箱后的热砂直接进入混砂系统，这种工艺流程的改变，除了减少设备和控制砂温两大优点外，还可减少传统砂处理系统冷却除尘过程中有效微粉和细微砂粒的流失，从而降低工厂粉尘和废砂的排放量，减少对环境的污染，改善工人的劳动环境，降低职业病风险，符合低碳理念和科学发展观，具有良好的社会效益，真空砂处理技术实现了旧砂冷却、预混砂、混砂和自动调整等诸多功能在1台设备中集中有序地完成。此举不但减少了相关冷却设备的配置和维护，节约了原辅材料的补加量，更实现了精确控制出砂温度，但由于目前用户较少，目前还处于试验发展阶段，今后应进一步完善。

图10 冷却混砂机集冷却与混制为一体系统简化布置示意图

2.6 两级冷却同时应用

两级冷却同时应用砂温降低效果好，典型用户，天津一汽内燃机老工厂使用两级日本新东生产的RCT冷却滚筒，砂温可稳定达到40℃（或室温+10℃）以下，型砂质量高，生产铸件表面质量好废品率低，铸件综合废品率3%以下，铸件曾获全国铸件评比“金鼎奖”。天津新伟祥工业，天津高丘六和工业新生产线，应用效果都比较好。图11为天津某厂使用两级冷却设备8月份砂温冷却记录。

图11 两级冷却砂温冷却曲线

3 结 论

通过对不同厂家砂冷却情况调查，以及天津一汽内燃机新老工厂使用一级冷却与两级冷却使用经验认为，对于铸件结构比较复杂且表面积大，浇注温度较高，芯子用量较大和铁砂比较高的铸件生产，砂处理系统采用一级冷却（任何一种冷却设备）是不能保证夏季砂温降到40℃（或室温+10℃）以下，尤其是汽车缸体类铸件生产，设置两级冷却是最佳选择。

［1］王维春.真空砂处理系统在我厂的开发应用［G］//第二届中国铸铁产业沙龙-铸铁件质量与低碳经济论文集.天津：2011.

［2］吴毅.现代化大批量汽车铸件生产线砂处理系统建设体会［J］.铸造设备与工艺，2010（5）：4-7.

［3］王伟春，宋建武，何国平，等.贤波.真空砂处理系统的开发应用［J］.现代铸铁，2011（6）：69-73.