年产2.5万吨铸件的砂型铸造车间的设计参考，多角度对比生产方案

【摘要】本文以一个年产2.5万吨铸件的砂型铸造车间的设计为例，介绍了砂型铸造车间的生产纲领和工艺原则的确定，以及工艺方案和设备选择、平面布置设计等问题。该车间生产产品为商用车制动鼓铸件，造型线选用国产水平造型线，设计造型速度为90整型/小时，配套选用一拖二IGBT熔化电炉，铁水熔化速度为15吨/小时。 

随着我国汽车行业的不断发展，对铸件的需求也日益增加，各大汽车厂商纷纷投资新建或扩建铸造工厂。该项目是为了解决我公司制动鼓产能不足的问题，以“投资最小化，产能最大化”为原则，通过新增国产水平静压线，实现我公司制动鼓铸件的完全自产。 

铸造工厂通常给人的印象是“脏、乱、差”，因此在进行该车间设计时充分考虑“以人为本、循环经济、绿色生产”的指导思想，以实现经济效益和社会效益合理化、最大化。 

1  生产纲领及主要设计原则 

1.1  生产纲领 

该车间以生产商用车制动鼓铸件为主，铸件材质为HT-250，铸件尺寸范围300*127-450*216mm（直径*高度），铸件重量范围12-55kg。 

采用三班工作制，全年工作250天，设备年时基数为5010小时，工人年时基数为1780小时，设计生产能力为2.5万吨/年（合计80万只/年）。1.2  设计原则 

1) 充分体现“可持续发展”的原则，做到近期合理，远期发展可行。 

2) 以提高铸件质量为核心，工艺水平坚持高起点，能适应各类汽车底盘件的生产，配置齐全的质量监控手段，把铸造中心建成工艺手段齐全、适应性好、竞争力强的综合性铸造基地。 

3) 本着“优质、低耗、高效率、少污染”的原则，采用先进的、可靠的、配套的、适用的和经济的，在国内当代同类铸造厂处于领先水平工艺装备。 

4) 按合格铸件的生产纲领发挥造型线的最大能力，再按造型线的能力配备其它工部。 

5) 总体布局合理，做到生产单元相对集中，资源共享，尽量使工艺流程合理，物流路线短捷；美化环境，展现绿色生产之理念，塑造现代化企业之形象；功能设置要体现以人为本，确保职工安全与卫生；公用设施尽量靠近负荷中心，减少能量损失。 

6) 符合环境保护、职业安全卫生、消防、节能、抗震等方面的国家和地方有关法令、法规。

 

2  工艺方案和设备的选择 

2.1  造型工部工艺方案和设备的选择 

    根据制动鼓铸件的产品特点，采用水平分型，小尺寸铸件按一箱四件生产，大尺寸铸件件按一箱两件生产，砂箱尺寸1200*900*350/250mm，砂型的硬度要求为：分型面硬度≥90，型侧面≥85，设计生产率 90整型/小时，单箱最大浇注重量为200kg,型内冷却时间为1.5小时。由于制动鼓铸件形状规整，铸造工艺相对简单，无需下芯操作，因此可省去自动下芯机设备，但考虑到柔性生产，因此保留下芯工位四个。造型线配套半自动倾转式浇注机使用，浇包容量为1800kg，浇注速度5-20kg/s。 

       造型线包括造型机、分箱机、翻转机、合箱机、转运车装置、捅箱机、砂箱及输送小车装置、液压泵站等机构，PLC控制。由于制动鼓铸造工艺相对简单，通过对国内采用国产造型机进行考察，目前国产水平造型线技术已相对成熟，能满足工艺相对简单的铸件生产要求。因此从节约投资考虑，该车间采用全套国产水平造型线。 

       铸造车间的核心是造型，因此在进行整体设计前，应首先明确该车间的生产纲领以及产品的生产工艺。根据产品工艺的自身特点选择不同分型方式的造型设备，并确定砂箱尺寸以及对砂型和型砂的性能要求，再结合生产纲领确定造型线的生产节拍。 

      通常设备厂家提供的造型线设计生产率与实际生产率之间存在一定的差别，实际生产率往往很难达到设计生产率，一般在设计生产率的85%-90%之间，因此在进行产能以及配套设备选用时应进行充分的考虑，最好能够根据所选的设备型号到其他相应铸造厂家进行实地考察和验证。 

2.2  熔化工部工艺方案和设备的选择 

      根据造型线单箱最大20kg的浇注量，实际最大生产率为81整型/小时，因此造型线每小时铁水需求量最大为16吨。冲天炉对炉料的烧损比较严重，同时产生的污染较大，因此本车间采取高效、节能的熔化电炉，考虑到浇注量为20kg的产品数量较少，且生产量较小的特点，同时为节约电炉投资和使用成本，最终选用铁水熔化速度为15吨/小时的熔化电炉。 

炉料以公司废钢为主，实现循环经济（如图1所示），在公司内部实现材料的循环利用，达到经济效益最大化，即解决了公司废钢的去处问题，又解决了铸件原材料的来源问题。 

         

       电炉选用采用最新IGBT技术的进口熔化炉，双炉体一拖二双供电。IGBT中频电源采用串联谐振式，它的逆变器件为一种新型IGBT模块（绝缘栅双极型晶体管），主要用于熔炼普通碳素钢、合金钢、铸钢、有色金属，具有熔化速度快、节能、高次谐波污染低等优点。双炉体保证一个炉体熔炼的同时另一个炉体可进行保温、调成份或出铁水操作。双供电保证连续地给两台炉体进行输电，并在其额定功率的范围内能以任意比例分配输送给两台炉体所需功率，并配备两台整流变压器，可有效消除谐波，减少对电网的污染。 

      电炉加配料通过电磁桥式起重机配铁，并吊运到振动加料机内，通过振动加料机向两台炉体加料。熔化好的铁液通过车间的桥式起重机转运，为浇注机补加铁液。此外，为确保炉前操作人员的安全环保和职业健康，炉前配备除尘系统。 

    电炉是铸造车间能源消耗最大的设备，因此在进行设备选择的时候不仅要考虑设备的采购成本，

更需要关注的是设备的使用成本。同时还要兼顾到与造型线之间的匹配问题，熔化速度过快造成铁水剩余产能的能源浪费相当巨大。另一方面，熔化速度过慢又造成铁水不足，造型线产能不能得到最大发挥。在进行电炉铁水熔化产能选择时，要考虑电炉自身熔化所需时间、工人铁水成分调整时间、完成一炉铁水浇注所需时间，综合以上各种因素来选择合适的电炉。 

    目前国内电炉厂家技术力量相对薄弱，在使用的稳定性、节能性与国外厂家存在差距。国外电炉品牌中，美国电炉在国内所占市场份额较大，德国电炉所占市场份额较小。近几年，日本电炉采用最新IGBT技术，利用其节能的优势在国内所占市场份额有逐步增加的趋势。2.3  砂处理工部工艺方案和设备的选择 

砂处理系统设计能力为100t/h，其中混砂机的设计生产率为120t/h，型砂采用双盘进行冷却。旧砂通过若干带宽为800 mm的带式输送机和配套的斗式提升机进行输送，输送过程中经过三道磁选、双盘冷却器，精细八角筛等设备输送到混砂机上方。在八角筛后设有三个180T的旧砂斗，旧砂斗上部通过安装有自动卸料装置的带式输送机将旧砂按顺序依次排入各旧砂斗中，在旧砂斗下部各有一台圆盘给料机同时出料，使不同时间段的旧砂之间互混均匀，以保证旧砂的有效粘土及煤粉含量、水分、温度等性能参数波动降至最低，使型砂性能稳定、易于控制。 

砂处理工部设置集中电控室，全部操作和控制都在操作室内完成，并在主操作柜上设有砂处理系统运行信息模拟显示屏，以随时掌握各设备的运行情况。砂处理系统的各主要设备旁同样设置手动操作按钮，以方便调试和检修，在输送皮带两侧设有拉绳应急开关。 

    该砂处理方案中还采用了近几年各大铸造厂较为流行的辅料发送方式，使用罐车将辅料运输至车间外，然后采用气力输送装置将辅料保存在辅料斗中。该方案摒弃了以往采用袋装多次转运带来的污染及劳动量大等问题，有效的控制了铸造厂的粉尘污染源。 

       砂处理系统生产能力的确定需要根据造型线砂箱尺寸以及造型速度综合确定，由于砂处理系统设备投资成本相对较小，因此为保证与造型线的匹配可适当加大砂处理的设计生产能力。另外，在进行砂处理设备选型时，应重点考虑型砂冷却和混砂设备的选用，良好的型砂冷却效果以及高效的混砂机是保证型砂质量稳定的关键因素，同时还要兼顾到整个系统设备运行的稳定性。 

      目前国内普遍采用的冷却方式有：滚筒冷却、沸腾床冷却、双盘冷却。其中滚筒冷却由于其加水量的限制冷却效果不够理想，还会对滚筒除尘造成一定的不良影响；而沸腾冷却床容易由于粘砂使得床体堵塞引起设备故障，而且维修不方便且工作量大；双盘冷却器在型砂冷却方面具有较大优势，在冷却的同时还起到预混的作用，但目前国内双盘厂家较少，国外双盘价格太贵。 

      目前国内市场上的混砂机主要有：高速转子混砂机、变频转子混砂机、碾轮式混砂机。高速转子混砂机目前应用较为广泛，混砂效果也能达到使用要求；变频转子混砂机，采用变频调速可根据混砂不同时间调整转子速度，可达到更好的混砂和节能效果；碾轮混砂机目前应用相对较少。另外，在混砂机的选用上，应到其他铸造厂家进行实地考察，以了解混砂机在实际使用效果。通常混砂机的实际工作效率往往低于设计生产率，只能达到设计生产率的80%左右，因此在进行设备选型时应充分考虑以避免出现供砂不足的现象。 

2.4  清理工部工艺方案和设备的选择 

造型线生产的铸件在落砂冷却滚筒和震动输送机完成旧砂和铸件的分离，然经振动输送床转接后输送到鳞板输送机上。在鳞板输送机上完成铸件与浇冒口的分离工作，分离后的浇冒口直接通过单吊轨送往炉料库存储待用，铸件转入清理辊道输送系统，进行抛丸处理。铸件采用连续通过式抛丸机完成跑完，抛丸后在手工清理工作台上用手提式砂轮机进行打磨。 

       目前，国内铸造厂中铸件清理基本上是以人工操作为主，自动化尚未得到广泛应用，因此铸件清理工部的特点为：铸件转运次数多、工人劳动量大、作业环境恶劣。在进行该车间设计时，结合制动鼓形状简单的特点，采用辊道连续通过式抛丸机替代悬链步进式抛丸机，改上、下件的举升模式为平移模式，降低了工人劳动强度并减少了转运次数。同时，为改善作业环境，运用负压除尘原理，将打磨区域四周封闭，除尘罩安装在打磨辊道底侧部，从而保证操作工呼吸区新鲜空气的流动。 

3  总布置的设计 

3.1 车间总体概述 

      车间总长162m，宽72m，并在厂房外贴建造型线冷却通廊、车间变电所等。厂区金属炉料库紧邻车间熔化工部，而制动鼓车间一端的成品库房和厂区物流出口相邻，这样的布置形式与厂区整个物流相匹配，形成了由东向西由北向南顺畅的厂区物流格局。 

厂区道路路网采用井字形，主要建筑物周围均布置有环形道路/消防通道，主要道路宽9m，次要道路7m，道路转弯半径为6～12m不等。 

厂区绿化利用厂区道路纵横交错的特点，沿路布置草坪及常青树木，形成鲜明的带状绿化，并适当点缀色彩鲜丽活泼花草灌木以增加绿地的景观变化，构成厂区内的主要绿化脉络。 

3.2 物流方案设计 

造型线布置在车间东侧，摆放方式为南北走向。冷却段设置在厂房外辅房内，以减少冷却段给车间带来的热辐射，同时也充分利用车间外部的冷空气使得铸件在型腔内得到更好的冷却。 

造型线浇注段与熔化电炉对面摆放，由于该位置属于重大危险区域，因此将该区域为一个独立工作区，非此区域工作人员未经允许不能进入该处。 

电炉后方设置有料池，料池采用通道进料的方式，减少中间环节，实现物流的最短化。 

砂处理工部布置在车间东北角，考虑到砂处理输送过程中粉尘较大，对该处进行了全封闭，以减少粉尘向车间其他区域进行扩散。 

    铸造车间物流量大，而且生产环境恶劣，在进行物流方案设计时要对统筹兼顾，对车间内热区、非热区、噪音区、扬尘区进行综合考虑，做到布局合理，物流顺畅。 

4 结束语 

近几年，我国铸造行业迅猛发展，但与国外的先进技术和理念相比，我们仍处于落后的位置。本文主要以一个砂型铸造车间为例，介绍了在进行铸造车间设计过程中的生产纲领、工艺方案、设备选型及物流方案等问题。 

铸造车间的设计是一个系统的工程，如何提高铸造车间的环境，降低熔炼、清理工部工人的劳动量以及如何将铸造车间设计得更加自动化、现代化等问题仍需要所有铸造从业人员的共同努力。