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年產2.5萬噸鑄件的砂型鑄造車間的設計參考,多角度對比生產方案
時間 : 2022-04-15 16:51 瀏覽量 : 10

【摘要】本文以一個年產2.5萬噸鑄件的砂型鑄造車間的設計為例,介紹了砂型鑄造車間的生產綱領和工藝原則的確定,以及工藝方案和設備選擇、平面布置設計等問題。該車間生產產品為商用車制動鼓鑄件,造型線選用國產水平造型線,設計造型速度為90整型/小時,配套選用一拖二IGBT熔化電爐,鐵水熔化速度為15噸/小時。 


隨著我國汽車行業的不斷發展,對鑄件的需求也日益增加,各大汽車廠商紛紛投資新建或擴建鑄造工廠。該項目是為了解決我公司制動鼓產能不足的問題,以“投資最小化,產能最大化”為原則,通過新增國產水平靜壓線,實現我公司制動鼓鑄件的完全自產。 

鑄造工廠通常給人的印象是“臟、亂、差”,因此在進行該車間設計時充分考慮“以人為本、循環經濟、綠色生產”的指導思想,以實現經濟效益和社會效益合理化、最大化。 

1  生產綱領及主要設計原則 

1.1  生產綱領 

該車間以生產商用車制動鼓鑄件為主,鑄件材質為HT-250,鑄件尺寸范圍300*127-450*216mm(直徑*高度),鑄件重量范圍12-55kg。 

采用三班工作制,全年工作250天,設備年時基數為5010小時,工人年時基數為1780小時,設計生產能力為2.5萬噸/年(合計80萬只/年)。1.2  設計原則 

1) 充分體現“可持續發展”的原則,做到近期合理,遠期發展可行。 

2) 以提高鑄件質量為核心,工藝水平堅持高起點,能適應各類汽車底盤件的生產,配置齊全的質量監控手段,把鑄造中心建成工藝手段齊全、適應性好、競爭力強的綜合性鑄造基地。 

3) 本著“優質、低耗、高效率、少污染”的原則,采用先進的、可靠的、配套的、適用的和經濟的,在國內當代同類鑄造廠處于領先水平工藝裝備。 

4) 按合格鑄件的生產綱領發揮造型線的最大能力,再按造型線的能力配備其它工部。 

5) 總體布局合理,做到生產單元相對集中,資源共享,盡量使工藝流程合理,物流路線短捷;美化環境,展現綠色生產之理念,塑造現代化企業之形象;功能設置要體現以人為本,確保職工安全與衛生;公用設施盡量靠近負荷中心,減少能量損失。 

6) 符合環境保護、職業安全衛生、消防、節能、抗震等方面的國家和地方有關法令、法規。

鑄造車間 (1)

 

2  工藝方案和設備的選擇 

2.1  造型工部工藝方案和設備的選擇 

    根據制動鼓鑄件的產品特點,采用水平分型,小尺寸鑄件按一箱四件生產,大尺寸鑄件件按一箱兩件生產,砂箱尺寸1200*900*350/250mm,砂型的硬度要求為:分型面硬度≥90,型側面≥85,設計生產率 90整型/小時,單箱最大澆注重量為200kg,型內冷卻時間為1.5小時。由于制動鼓鑄件形狀規整,鑄造工藝相對簡單,無需下芯操作,因此可省去自動下芯機設備,但考慮到柔性生產,因此保留下芯工位四個。造型線配套半自動傾轉式澆注機使用,澆包容量為1800kg,澆注速度5-20kg/s。 

       造型線包括造型機、分箱機、翻轉機、合箱機、轉運車裝置、捅箱機、砂箱及輸送小車裝置、液壓泵站等機構,PLC控制。由于制動鼓鑄造工藝相對簡單,通過對國內采用國產造型機進行考察,目前國產水平造型線技術已相對成熟,能滿足工藝相對簡單的鑄件生產要求。因此從節約投資考慮,該車間采用全套國產水平造型線。 

       鑄造車間的核心是造型,因此在進行整體設計前,應首先明確該車間的生產綱領以及產品的生產工藝。根據產品工藝的自身特點選擇不同分型方式的造型設備,并確定砂箱尺寸以及對砂型和型砂的性能要求,再結合生產綱領確定造型線的生產節拍。 

      通常設備廠家提供的造型線設計生產率與實際生產率之間存在一定的差別,實際生產率往往很難達到設計生產率,一般在設計生產率的85%-90%之間,因此在進行產能以及配套設備選用時應進行充分的考慮,最好能夠根據所選的設備型號到其他相應鑄造廠家進行實地考察和驗證。 

2.2  熔化工部工藝方案和設備的選擇 

      根據造型線單箱最大20kg的澆注量,實際最大生產率為81整型/小時,因此造型線每小時鐵水需求量最大為16噸。沖天爐對爐料的燒損比較嚴重,同時產生的污染較大,因此本車間采取高效、節能的熔化電爐,考慮到澆注量為20kg的產品數量較少,且生產量較小的特點,同時為節約電爐投資和使用成本,最終選用鐵水熔化速度為15噸/小時的熔化電爐。 

爐料以公司廢鋼為主,實現循環經濟(如圖1所示),在公司內部實現材料的循環利用,達到經濟效益最大化,即解決了公司廢鋼的去處問題,又解決了鑄件原材料的來源問題。 

         鑄造車間 (1)


       電爐選用采用最新IGBT技術的進口熔化爐,雙爐體一拖二雙供電。IGBT中頻電源采用串聯諧振式,它的逆變器件為一種新型IGBT模塊(絕緣柵雙極型晶體管),主要用于熔煉普通碳素鋼、合金鋼、鑄鋼、有色金屬,具有熔化速度快、節能、高次諧波污染低等優點。雙爐體保證一個爐體熔煉的同時另一個爐體可進行保溫、調成份或出鐵水操作。雙供電保證連續地給兩臺爐體進行輸電,并在其額定功率的范圍內能以任意比例分配輸送給兩臺爐體所需功率,并配備兩臺整流變壓器,可有效消除諧波,減少對電網的污染。 

      電爐加配料通過電磁橋式起重機配鐵,并吊運到振動加料機內,通過振動加料機向兩臺爐體加料。熔化好的鐵液通過車間的橋式起重機轉運,為澆注機補加鐵液。此外,為確保爐前操作人員的安全環保和職業健康,爐前配備除塵系統。 

    電爐是鑄造車間能源消耗最大的設備,因此在進行設備選擇的時候不僅要考慮設備的采購成本,

更需要關注的是設備的使用成本。同時還要兼顧到與造型線之間的匹配問題,熔化速度過快造成鐵水剩余產能的能源浪費相當巨大。另一方面,熔化速度過慢又造成鐵水不足,造型線產能不能得到最大發揮。在進行電爐鐵水熔化產能選擇時,要考慮電爐自身熔化所需時間、工人鐵水成分調整時間、完成一爐鐵水澆注所需時間,綜合以上各種因素來選擇合適的電爐。 

    目前國內電爐廠家技術力量相對薄弱,在使用的穩定性、節能性與國外廠家存在差距。國外電爐品牌中,美國電爐在國內所占市場份額較大,德國電爐所占市場份額較小。近幾年,日本電爐采用最新IGBT技術,利用其節能的優勢在國內所占市場份額有逐步增加的趨勢。2.3  砂處理工部工藝方案和設備的選擇 

砂處理系統設計能力為100t/h,其中混砂機的設計生產率為120t/h,型砂采用雙盤進行冷卻。舊砂通過若干帶寬為800 mm的帶式輸送機和配套的斗式提升機進行輸送,輸送過程中經過三道磁選、雙盤冷卻器,精細八角篩等設備輸送到混砂機上方。在八角篩后設有三個180T的舊砂斗,舊砂斗上部通過安裝有自動卸料裝置的帶式輸送機將舊砂按順序依次排入各舊砂斗中,在舊砂斗下部各有一臺圓盤給料機同時出料,使不同時間段的舊砂之間互混均勻,以保證舊砂的有效粘土及煤粉含量、水分、溫度等性能參數波動降至最低,使型砂性能穩定、易于控制。 

砂處理工部設置集中電控室,全部操作和控制都在操作室內完成,并在主操作柜上設有砂處理系統運行信息模擬顯示屏,以隨時掌握各設備的運行情況。砂處理系統的各主要設備旁同樣設置手動操作按鈕,以方便調試和檢修,在輸送皮帶兩側設有拉繩應急開關。 

    該砂處理方案中還采用了近幾年各大鑄造廠較為流行的輔料發送方式,使用罐車將輔料運輸至車間外,然后采用氣力輸送裝置將輔料保存在輔料斗中。該方案摒棄了以往采用袋裝多次轉運帶來的污染及勞動量大等問題,有效的控制了鑄造廠的粉塵污染源。 

       砂處理系統生產能力的確定需要根據造型線砂箱尺寸以及造型速度綜合確定,由于砂處理系統設備投資成本相對較小,因此為保證與造型線的匹配可適當加大砂處理的設計生產能力。另外,在進行砂處理設備選型時,應重點考慮型砂冷卻和混砂設備的選用,良好的型砂冷卻效果以及高效的混砂機是保證型砂質量穩定的關鍵因素,同時還要兼顧到整個系統設備運行的穩定性。 

      目前國內普遍采用的冷卻方式有:滾筒冷卻、沸騰床冷卻、雙盤冷卻。其中滾筒冷卻由于其加水量的限制冷卻效果不夠理想,還會對滾筒除塵造成一定的不良影響;而沸騰冷卻床容易由于粘砂使得床體堵塞引起設備故障,而且維修不方便且工作量大;雙盤冷卻器在型砂冷卻方面具有較大優勢,在冷卻的同時還起到預混的作用,但目前國內雙盤廠家較少,國外雙盤價格太貴。 

      目前國內市場上的混砂機主要有:高速轉子混砂機、變頻轉子混砂機、碾輪式混砂機。高速轉子混砂機目前應用較為廣泛,混砂效果也能達到使用要求;變頻轉子混砂機,采用變頻調速可根據混砂不同時間調整轉子速度,可達到更好的混砂和節能效果;碾輪混砂機目前應用相對較少。另外,在混砂機的選用上,應到其他鑄造廠家進行實地考察,以了解混砂機在實際使用效果。通?;焐皺C的實際工作效率往往低于設計生產率,只能達到設計生產率的80%左右,因此在進行設備選型時應充分考慮以避免出現供砂不足的現象。 

2.4  清理工部工藝方案和設備的選擇 

造型線生產的鑄件在落砂冷卻滾筒和震動輸送機完成舊砂和鑄件的分離,然經振動輸送床轉接后輸送到鱗板輸送機上。在鱗板輸送機上完成鑄件與澆冒口的分離工作,分離后的澆冒口直接通過單吊軌送往爐料庫存儲待用,鑄件轉入清理輥道輸送系統,進行拋丸處理。鑄件采用連續通過式拋丸機完成跑完,拋丸后在手工清理工作臺上用手提式砂輪機進行打磨。 

鑄造車間 (2)


       目前,國內鑄造廠中鑄件清理基本上是以人工操作為主,自動化尚未得到廣泛應用,因此鑄件清理工部的特點為:鑄件轉運次數多、工人勞動量大、作業環境惡劣。在進行該車間設計時,結合制動鼓形狀簡單的特點,采用輥道連續通過式拋丸機替代懸鏈步進式拋丸機,改上、下件的舉升模式為平移模式,降低了工人勞動強度并減少了轉運次數。同時,為改善作業環境,運用負壓除塵原理,將打磨區域四周封閉,除塵罩安裝在打磨輥道底側部,從而保證操作工呼吸區新鮮空氣的流動。 

3  總布置的設計 

3.1 車間總體概述 

      車間總長162m,寬72m,并在廠房外貼建造型線冷卻通廊、車間變電所等。廠區金屬爐料庫緊鄰車間熔化工部,而制動鼓車間一端的成品庫房和廠區物流出口相鄰,這樣的布置形式與廠區整個物流相匹配,形成了由東向西由北向南順暢的廠區物流格局。 

廠區道路路網采用井字形,主要建筑物周圍均布置有環形道路/消防通道,主要道路寬9m,次要道路7m,道路轉彎半徑為6~12m不等。 

廠區綠化利用廠區道路縱橫交錯的特點,沿路布置草坪及常青樹木,形成鮮明的帶狀綠化,并適當點綴色彩鮮麗活潑花草灌木以增加綠地的景觀變化,構成廠區內的主要綠化脈絡。 

3.2 物流方案設計 

造型線布置在車間東側,擺放方式為南北走向。冷卻段設置在廠房外輔房內,以減少冷卻段給車間帶來的熱輻射,同時也充分利用車間外部的冷空氣使得鑄件在型腔內得到更好的冷卻。 

造型線澆注段與熔化電爐對面擺放,由于該位置屬于重大危險區域,因此將該區域為一個獨立工作區,非此區域工作人員未經允許不能進入該處。 

電爐后方設置有料池,料池采用通道進料的方式,減少中間環節,實現物流的最短化。 

砂處理工部布置在車間東北角,考慮到砂處理輸送過程中粉塵較大,對該處進行了全封閉,以減少粉塵向車間其他區域進行擴散。 

    鑄造車間物流量大,而且生產環境惡劣,在進行物流方案設計時要對統籌兼顧,對車間內熱區、非熱區、噪音區、揚塵區進行綜合考慮,做到布局合理,物流順暢。 

4 結束語 

近幾年,我國鑄造行業迅猛發展,但與國外的先進技術和理念相比,我們仍處于落后的位置。本文主要以一個砂型鑄造車間為例,介紹了在進行鑄造車間設計過程中的生產綱領、工藝方案、設備選型及物流方案等問題。 

鑄造車間的設計是一個系統的工程,如何提高鑄造車間的環境,降低熔煉、清理工部工人的勞動量以及如何將鑄造車間設計得更加自動化、現代化等問題仍需要所有鑄造從業人員的共同努力。

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