铸造车间熔炼工部的设备选型

任启才，韩斐，于晓旭

应达工业（上海）有限公司 上海 201203

熔炼工部作为铸造车间的源头，担负着为整个铸造车间提供原材料——高温金属液的使命。在新型的自动化铸造车间，为了实现大批量、快节奏的生产，熔炼工部需要在保证质量的前提下，持续不断地向造型工部提供大量的金属液。

为了满足这一要求，熔炼工部不仅包括熔炼设备，还包括金属液转运设备以及浇注设备。而为了生产出高温金属液，熔炼工部也需要自己的原材料——生铁、废钢等固体料。这就使得熔炼工部形成了炉后原料运输量大、炉前熔炼温度高、炉台上工作环境差、烟尘污染较大以及能耗较高的特点。因此，在新建铸造车间时，为充分实现产能目标并有效解决上述问题，熔炼工部的设备选型就显得尤为重要［1］。

1 熔炼设备的选型

近年来，随着国家政策在环保和节能方面的要求越发严格，以及铸件产品对金属液品质要求的不断提高，新建铸造车间采用的熔炼设备，逐渐由以往的冲天炉转向中频感应电炉。甚至有许多原先采用冲天炉的铸造厂，已经在逐步拆除冲天炉，并将车间进行改造，改为使用中频感应电炉进行熔炼作业。因此，本文将以采用中频感应电炉生产铸铁件为例，对熔炼设备的选型进行简要说明，对于冲天炉不再赘述。

中频感应熔炼电炉经过几十年的发展，技术进步的同时，规格型号也越来越丰富，小到几百公斤、大到几十吨的电炉应有尽有，可供铸造厂家选择的配置越来越多样化。一般情况下，铸造厂需根据目标年产量，首先选定造型线，然后再根据造型线每小时产出的产品数量，辅以铸件的单件重量，以及产品的成品率、损耗率等系数，计算出造型工部每小时需要的铁液量，然后根据这个数值来选择感应电炉的规格和数量。感应电炉的规格通常以其炉体容量来确定，而炉体容量多数情况下也是其每小时的铁液生产量（保温炉除外），如：规格为5t的一套感应电炉，通常按每小时可产出5t铁液计算［2］。

举例来说，假设经过计算，造型工部每小时需要的铁液量为15t，那么可以有至少三种不同选择：一套15t电炉；一套10t电炉+一套5t电炉；三套5t电炉。

选择哪种配置才是最合适的，需要具体情况具体分析。

1）如果造型线运行速度较慢，并且铸件产品单件重量较大，铁液可以有较长时间的保温状态，这种条件下，可以选择一套15t炉作为熔炼设备。

2）如果造型线运行速度较快，铸件产品单件重量较小，铁液熔化好后不允许保温太长时间，并且需供应两条或两条以上的造型线时，就应当选择三套5t炉作为熔炼设备。

3）如果铸件产品不是单一品种，单件重量有大有小，铁液品质需求不同、生产工艺要求也不同的情况下，则可以选择一套10t炉和一套5t炉的混合配置。

通过举例可以看到，感应电炉的选型不能一概而论，需要根据造型线的配置、铸件产品的特性、生产节奏的不同等工艺要求，进行合理配置，灵活运用。

2 转运设备的选型

铸造车间的铁液转运，是指将感应电炉熔化好的铁液，输送到造型工部的浇注工位。这一过程所采用的设备，大致可以分为三种情况。

2.1 叉车、行车

在一些较早建立的铸造厂，炉前铁液转运大多采用叉车、行车或者行车加地面平板车运送的方式。

（1）叉车、行车转运方式的优点

1）可多工序共用，投入成本较低，简单方便，易于实施。

2）可用于手工铸造、大件铸造，也可为低速造型线的浇注机提供铁液。

（2）叉车、行车转运方式的缺点

1）在炉前高温环境中需要配备专职的转运操作人员。

2）叉车或行车需要频繁地往返运行且没有严格固定的路线，易与其他运送设备及人员发生干涉，有一定的安全隐患。

图1 环轨吊铁液转运系统示意

2.2 环轨吊电动葫芦

为了提高铁液转运的自动化程度和生产效率，并降低操作人员的劳动强度，环轨吊电动葫芦被引入了铸造车间，用作铁液转运的工具。这种方式需要在车间设置专门的钢结构，用以支撑、固定闭环轨道，电动葫芦悬挂浇包在其上运行。

（1）环轨吊电动葫芦运转方式的优点

1）可以在同一轨道上配备多台电动葫芦和浇包，有效提高了铁液转运速度和效率。

2）改善了工作环境，降低了操作人员的工作强度。

3）适用范围广，可用于各种不同的造型线和浇注机，甚至可以用于半自动的手工造型线。

（2）环轨吊电动葫芦运转方式的缺点

1）需要设置大量钢构，对车间的物流通道和人员行走造成不便。

2）铁液在空中运输，有一定的安全隐患。

3）对设备安全性、可靠性、以及维修保养方面的要求较高。

环轨吊铁液转运系统如图1所示。

2.3 地面轨道自动转运车

随着智能化、数字化时代的到来，以及人力成本的不断上升，铸造车间也需要更加智能和自动化。因此，全自动的地面轨道铁液输送系统应用而生，并且很快就受到了许多铸造厂的青睐。顾名思义，这种方式需要在地面上铺设轨道，自动化小车在轨道上行走，运送浇包。

（1）地面轨道自动转运车方式的优点

1）自动化程度高，可以实现转移系统的真正的无人化、智能化。

2）运行速度较快，可以满足高速运行的造型线和浇注机的铁液需求。

3）轨道可设置为与地面齐平，不影响整体的物流通道和人员行走。

4）整套系统位于地面上，安全性比较好。

5）可将转运过程与孕育处理、球化处理、扒渣等工序结合起来，提高生产效率。

（2）地面轨道自动转运车方式的缺点

1）需要土建专业设计与施工配合，并且精确性要求较高。

2）设备运行中的可靠性和精度要求比较高，容错率比较低。

3）设备成本较高，初始投入比较大。

地面轨道铁液转运车如图2所示。

2.4 转运设备选择需考虑的因素

转运设备的选择，需要考虑的因素很多，包括以下几个因素：

1）造型工部的产能和运行速度。

2）铸件大小及对铁液品质的要求。

3）资金投入及运行成本。

4）铸造厂所在的地区及所拥有的操作人员构成等各种情况。

选择转运设备，并非最快的、最先进的就是最好的，而是要根据自身的生产和工艺要求来确定，最适合的，才是最好的［3］。

图2 地面轨道铁液转运车示意

3 浇注设备的选型

浇注设备的作用，就是将从转运设备上接收到的铁液，浇注到造型线的砂型中，是铸件产品成形的关键步骤。随着造型设备技术的发展以及市场的需求，造型线对浇注设备也提出了更高的要求，自动化浇注设备也越来越受到人们的重视。浇注设备是否与造型线匹配，质量是否可靠，能否保持长期的连续运行等情况，将直接影响整个铸造车间的生产效率。因此，浇注设备的选型也是非常重要的。下面，本文就对现行的几种自动化浇注机进行逐一介绍。

3.1 底注式浇注机

底注式浇注机原理和结构相对而言比较简单，浇注机的主机位于造型线正上方，浇注机包体底部设置出铁液口，正对造型线砂箱上的浇口，利用塞杆机构与出铁液口配合，控制铁液浇注的起停。

过去的底注式浇注机采用人工操作，手动控制塞杆进行浇注。这种方式受人为因素影响比较大，浇注不均匀，控制不精确，容易过浇或欠浇，严重影响生产效率和产品质量。随着数控技术的大量应用，在采用自动化控制系统后，底注式浇注机的工作效率和精确性大幅提高，完全可以匹配高速运行的造型线，极大地提高了单台造型线的产能。因此，近几年来，底注式浇注机的应用日趋广泛。

底注式浇注机的特点：

1）塞杆机构动作简单，生产速度快。

2）出铁液口位置固定，浇注比较精确。

3）由于其结构特性，可以在底部保持浇注的同时，从顶部向其包体内加注铁液，无需停机，不影响生产。

4）塞杆属于消耗品，需定期更换且比较频繁。

5）因为生产节奏快，其对于铁液的生产、转运的要求比较高。

底注式浇注机如图3、图4所示。

图3 底注式浇注机

图4 底注式浇注机加注铁液

3.2 倾转式浇注机

倾转式浇注机是利用机械设备将浇包固定，然后以旋转轴为中心进行倾转，将浇包中的铁液直接倒入砂箱型腔进行浇注。这种浇注方式因为机构和原理比较简单，操作和观察浇注效果比较方便，过去采用人工操作进行倾转浇注。但是这种方式受人为影响较大，浇注速度较慢，浇注质量不能得到保证，并且操作人员的连续工作强度较大，工作环境较差。随着伺服电动机技术的提升，采用伺服电动机驱动、自动化程序控制的倾转系统逐渐成熟，并在国内铸造厂得到了广泛应用。

倾转式浇注机配备的浇包有筒形浇包和扇形浇包两种。筒形浇包的出铁液量随着倾转角度的变化而大小不同，铁液的出铁轨距和落点位置也不固定，因此这类浇包多采用人工操作，手动控制浇包的倾转，才能减小误差，完成浇注。而扇形浇包因其包体形状的特性，使得其出铁液速度与倾转角度呈线性关系，在倾转时可以实现匀速、定点出铁液。有利于自动控制系统的程序设定，实现倾转机构的自动化。

倾转式浇注机的特点：

1）机械结构比较简单，操作和控制方便。

2）铁液在浇包内，除渣方便，残余铁液回收也很方便。

3）常用于单件较重的大件浇注。

4）采用自动化控制后，浇注速度有所提升，应用范围更加广泛。

5）当铁液浇注完之后，浇注机需要停下来进行换包操作，因此在浇注过程中会有停顿，不适用于连续运行的高速造型线。

倾转式浇注机如图5所示。

图5 倾转式浇注机

3.3 气压保温浇注炉

气压保温浇注炉不但包含浇注机，还包含有保温系统，通常采用中频电源为浇注炉主体的感应器供电，来对炉内铁液进行保温、升温。保温浇注炉分为有芯浇注炉和无芯浇注炉，其中无芯浇注炉应用较少，这里不做介绍，仅以有芯保温炉为主进行说明。

有芯浇注炉的主体外形与茶壶相似，在包体两侧分别设有进铁液槽与出铁液槽，包体顶部密封并设有进气管道和阀门。通过向包内液面上方的空间注入压缩空气或惰性气体，将包体熔池内的铁液压入出铁液槽，在出铁液槽前端底部设有浇注口，通过塞杆机构的升降控制浇注口的开闭，来实现铁液的浇注。

保温浇注炉因为能够保持铁液温度恒定，可以精确地控制浇注温度，非常有利于铸件质量的提高，常用于对铁液温度要求严格的铸件产品。另外，因其炉体容量较大，铁液可长时间留存，而比较适用于产品单一的铸件。

气压保温浇注炉的特点：

1）采用气压控制，多数氧化渣都浮在铁液表面，而铁液从底部进入出铁液槽，铁液比较纯净，浇注质量较好。

2）带有保温、升温功能，可以保持铁液温度恒定，提升铸件质量。

3）容量较大，可以作为熔炼炉与造型线之间的缓存。

4）铁液能够长时间留存，适用于长期运行、生产品种单一的铸件。

5）必须保证连续不间断供电，炉膛内始终留有铁液，不能随意倒空，因此更换不同品质的铁液比较困难。

6）由于其特殊的进铁液槽和顶部结构，除渣不便，工作量较大。

7）铁液在浇注炉内长时间留存，不适合用于球墨铸铁件的生产。

气压保温浇注炉如图6、图7所示。

自动化浇注设备需与造型线配合应用，与造型线的对应性很强。因此，自动化浇注机的选型首先要与造型线匹配，要符合造型线的运行速度和造型能力。其次，也要考虑铸件的浇注重量、品质和浇注工艺等要求，并结合设备的经济成本和企业自身状况等因素来综合考量。

图6 气压保温浇注炉

图7 气压保温浇注炉现场

4 结束语

熔炼工部是铸造车间中非常重要的组成部分，它决定着铁液的品质和供给效率。铁液的品质直接决定着铸件产品的质量，而铁液的供给效率，也决定着整个铸造车间的生产效率。因此，熔炼工部的设备选型必须科学合理，严格匹配。合理的选型和配套设备，能最大限度地发挥设备功能，提高生产效率，扩大产能，为企业在日趋激烈的市场竞争中赢得先机。