砂处理工艺流程设计论述
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砂处理是铸造工厂举足轻重的一个部分，也是配置非常复杂的一个部分，它的工艺是否合理，功能是否齐全，流程是否通畅，操作与控制能否简洁、灵敏、安全、可靠，甚至维修是否方便等，关系到整个铸造过程和铸造生产的面貌，当然更关系到铸件质量和铸造生产的成本，如果某一环节处理不当，哪怕是某一细节考虑不周，都会给建成后的运行带来后患。鉴于砂处理工部的主要工艺设备选取国产设备的厂家为数众多，为此有必要花费一定篇幅加以讨论。
1.1落砂流程设计常见问题
（1）落砂机配置不当。落砂机如果选型不当，或者影响生产，或者停产返工。要求是：振击力强大；振幅和频率可调；栅格间隙适当；既不发生堵死，又不漏下较大铁料（出气针、披缝铁等）；最好是两级震动床。（2）落砂机下方的回收砂皮带偏窄。初涉者缺乏经验，又调研不够充分，且缺少设计审查程序，造成个别情况下可能会犯下这样的错误。皮带偏窄意味着皮带运输能力不足，落砂时涌下的砂会溢出皮带外，严重时地沟迅速被散落砂堆积，以至皮带不能运转。如此，必须设专人清理地沟散落砂。（3）回收砂皮带磁选不干净。一般均要求设置两道磁选，第一道为悬挂磁选，第二道为头轮磁选。但笔者在有的现场看见只设置一道磁选，这样，不可避免磁选不干净，遗漏的碎铁料（铁块、铁豆、铁棒等）会进入到后续处理设备，存在毁坏机件的风险，甚至造型时撞击损坏模型，直接或间接影响铸件质量。（4）抓取铸件用的机械手选型错误。抓取铸件用的机械手工作环境极为恶劣，粉尘多，冲击大，温度高。该工序对机械手的功能要求是：有足够大的夹持力，但不能让铸件受伤；操作灵敏，能够及时取走红热的铸件，并按要求将铸件摆放在指定的器具内；必要时可借助机械手去掉浇冒口、出气针，且能翻转铸件，甩脱表面粘附的型砂等。
1.2旧砂破碎、筛分后加湿、预混、冷却处理
落砂后的回收旧砂，经皮带、斗提等运输设备送到混砂机上方的旧砂斗，以备混砂使用。这个过程中，旧砂须经磁选、破碎、筛分、预混、冷却等环节。浇注后铸型被加热，因而旧砂经多次循环使用后，特别是夏天会变得温度很高，如果不采取措施冷却降温，型砂性能会急剧变差，如型砂强度降低，造型时易粘模，铸件容易产生砂眼、气孔缺陷。因此，旧砂冷却是很重要的一环，千万不要忽视旧砂冷却，既要认真配备好冷却设备，还要维护好旧砂冷却系统，保证旧砂温度始终不得高出室温10℃，从而保证整个砂系统能够正常运行。一旦冷却系统出现故障，不要循旁路绕行，要积极修复。旧砂冷却方式，应用最多的是沸腾冷却床与双盘冷却器两种。顾名思义，前者是旧砂经过沸腾床经风冷再加湿冷却，代表性供应商有美国辛普森公司。双盘冷却器是旧砂在其中经过加湿预混而得到冷却。
1.3混砂机的选型
混砂机功率、混砂时间与混砂效率是衡量一台混砂机的主要参数。选用混砂机时，要关注混砂机配置的主电机的功率，及其名牌上标示的混砂时间、生产能力和混砂效率几个参数指标。混砂是砂处理的核心，从某种意义上说，其重要性与熔炼环节不相上下。而我国的实际情况是，很多厂家购置国产混砂设备。因此，在这里有必要仔细地分析和讨论。3.3.1关于混砂时间湿砂型铸造厂使用高密度造型机生产铸件，所用型砂的湿压强度一般都超过140kPa，有的甚至达到200kPa左右，型砂吸蓝量达到了50~60mL。由于树脂砂芯溃散性较高，旧砂中混入砂芯量增多。这些因素使得混砂时间必需足够长，否则不能使膨润土得到充分润湿和将膨润土膜较完善地包覆在砂粒表面上，也不能将混制的型砂中存在的砂团分散开。因此，考虑混砂机生产率的时候，必须顾及到这些因素。此外，高密度造型每砂箱需砂量比低密度造型大约多十分之一左右，这是选择混砂机生产率时又一个必须考虑的因素。很多厂选配混砂机时往往因为疏忽导致生产能力不足，为此，他们采取的救急措施只能是保持尽可能短的混砂周期，由此导致型砂性能恶化，型砂强度低、韧性低、起模性差。要达到工艺规定的型砂强度就必须加入过量膨润土，导致型砂有效膨润土量、含泥量、含水量提高，这样型砂中就会出现大量豆粒般大小的“砂豆”，其主要成分是未被充分混合均匀的潜在膨润土。造型时容易出现砂型棱角缺失、吊砂断落，甚至塌箱。生产出的铸件最易出现砂孔缺陷，也常常出现夹砂、气孔等缺陷。因此，缩短混砂时间是不明智的做法，前期做好混砂机生产率等参数的选择才是最重要的。3.3.2混砂时间的确定各种类型混砂机的正确混砂时间不一定是设计手册上的数值或者混砂机使用手册所推荐的时间，应当是指可以将型砂混制达到较佳性能所需要的时间。对于具体工厂而言，确定正确混砂时间的办法是先按照工艺规定混制型砂，测定型砂试样的湿态性能（主要为湿压强度，也可以包括破碎指数、湿拉强度等），然后再延长混砂时间继续混砂，碾轮混砂机每次为1min，转子混砂机每次为20s，但需预先加入少量水分以保持紧实率基本不变，然后再一次测定型砂试样性能。如此每次延长混砂，直到性能不再上升（变化），即达到“峰值”为止。由于强度变化曲线接台区时的升幅极为缓慢，型砂强度达到峰值的85％~90％左右即可认为是生产中最适合使用的强度，此时的混砂时间应当是该种型砂的正确混制时间。由此可以引入“混砂效率”概念：混砂机的混砂效率（％）＝实际混砂强度/型砂峰值强度。通常，混砂效率达到85%~90%，混砂机的性能才能满足使用要求。在此前提下，所需要的混砂时间周期，必须能够满足造型节拍的供砂要求。需要注意的是：混砂机效率应写入混砂机的供货合同技术协议中，提交给混砂机供应商，纳入混砂机验收条件。3.3.3功率配置混制型砂需要有足够的能量输入，才能使型砂达到符合上述质量要求和生产率要求，这就需要配置功率足够的电机。这是判断混砂机是否能够达到型砂质量和生产率要求的正确依据，而不是随便相信混砂机标牌上所标注的参数。显然，混制不同湿压强度的型砂，需要消耗不同的能量。混制湿压强度70kPa、150kPa和210kPa的型砂的能耗比大约为1：1.6：2.1。国内有学者研究显示：国外混砂机铸件混制每吨型砂耗能平均值在1.94～2.7kWh；国产S11系列碾轮混砂机每吨型砂耗能为1.74kWh，转子式S14系列混砂机每吨型砂耗能为1.42kWh。这里的耗能量除混砂消耗的能量之外，也包括混砂机空转消耗的能量。而国产混砂机的空转能耗所占比例又大于进口混砂机，这说明国产混砂机性能低于进口混砂机。此外，有些铸造工厂混砂机的维修保养情况不够理想，混砂时电流达不到额定数值，每吨型砂耗能量甚至比上述计算值还低很多。判断一种混砂机规定的混砂时间和输送给型砂的能量是否足够，最简单的办法是看混砂机标牌上面注明的电机总功率（kW）和每小时生产率（t/h）的比值。分析比较国内外混砂机可以看出：效果良好的混砂机的电机总功率与每小时生产率的比值至少应≥2，否则不可能在规定周期内混制出良好的型砂。例如，Eirich公司的倾斜底盘转子混砂机电机总功率与每小时生产率之比大致在2.6~2.8，DISA公司的SAM-3和SAM-6的电机总功率与每小时生产率之比基本在2.24～2.36，KW公司的WM混砂机电机总功率与每小时生产率之比基本在2.58～2.83，B&P公司的摆轮混砂机电机总功率与每小时生产率之比在1.92～3.00；而国产碾轮混砂机S1116、1118、1120、1122（均为碾轮式）的电机总功率与每小时生产率之比只有1.47~1.85，国产S14系列转子混砂机电机功率与生产率之比仅为1.33~1.50。当电机总功率与每小时生产率的比值小于2时，实际混砂应用时要么可以达到生产率要求，但型砂性能达不到要求；要么型砂性能达到了要求，但生产率达不到要求。3.3.4混砂机技术参数及型砂性能要求混砂机需要考虑的主要技术参数及型砂性能要求有：（1）混制能力；（2）混制周期：140s以内；（3）每次最大混砂量；（4）水秤误差：静态±0.1%，动态±0.1%；（5）辅料秤误差：静态±0.1%，动态±0.3%；（6）旧砂/新砂秤（多种物料时取叠加秤量方式）误差：静态±0.1%，动态±0.5%；（7）所混制型砂的质量要求：混制后型砂的水分在3.0%~4.2%，CB值（紧实率）36~42，液化值8~11，湿抗压强度24~30，混制后砂温比进砂温低5℃以下。混砂机除应该具有良好的工作性能之外，还应该具有可编程序和对有关参数（例如温度、水分等）自动探测的功能。现代混砂机还能自动显示和记录相关参数，并自动生成控制图表。供需双方还应该界定是否需要如下功能：配方设置、储存与调配；生产管理；故障诊断与显示；CB值的设定与控制；干混时间、湿混时间、卸料时间可显示和调整；是否需要连接内部局域网；设置应急开关；报警装置；动作互锁；信号连锁；确保安全；等。3.3.5需要考虑的其它问题（1）关键元器件的配置。对混砂机配置的机、电元器件，应该提出明确的品牌要求，例如指定变速箱、偶合器、连轴节、轴承等，以及编程器、控制器（柜）、主电机等各是什么品牌。（2）使用与维护性能。要求混砂机应该符合国家安全规范，也符合排放与环境要求，并有良好的操作使用性能，且具有故障显示与诊断功能，方便维护以及修理。提供一定数量的备品备件。故障停机率低，寿命长等。（3）做好行业调查与用户调查。初步选型后，应该展开充分调研与考察：一是与潜在供应商（不少于3个）进行充分的接触交流，作深入细致的了解，提出自己的特殊要求；二是对每一供应商的典型用户进行实地考察，面对面地交谈。调研、考察的内容包括商务的、技术的各个方面，进行比较，最后作出结论。（4）验收标准与质量保证。在充分调研、考察、论证的基础上，仔细做好相应的文字工作，包括招标文件、验收文件、技术协议等。界定供方应提供的备品、配件、专用工具、图纸，以及维护、使用手册和安全手册。（5）搞好相关配套，最大限度满足全局需要，充分发挥整体效益。所谓项目配套，一是指砂处理工部与整个项目的配套，包括它在总图中的方向和位置，以及安装施工服务的选择；二是指砂处理本身的配套，不要由于某个细节的疏忽而造成“短板”。例如，与混砂机相关的配置有：混砂机上方的原材料储存斗的设置，原材料的定量给料，原材料与混制好的型砂的输送，旧砂、回收砂的预处理（磁选、破碎、筛分、冷却、预混、型砂输送过程的松砂等）。（6）作为现代铸造企业，还应该考虑砂处理工部废弃物的再生处理与利用等。尽管按上述要求，做好了工厂建设阶段的技术性基础工作。但很多铸造工厂运行起来后，仍然经常抱怨湿型砂的质量太差：混制好的型砂扎手和不柔软；砂子脆且发散；虽然强度够高但起模易坏；型砂中砂豆多，用细筛除掉不久又出现大量砂豆；多砂芯铸造工厂更埋怨造型的型废率高。造成这些现象的原因可能是混砂机缺乏良好的维护修理造成的，更多的原因可能还是由于混砂时间不足。
1.4型砂各组分（散状）物料的输送、储存斗、定量、给料
这些物料均为散状，它们的输送方式（有的是风送，如粘土、煤粉；有的则可能是带式输送，如新砂、旧砂等）、混制时的加料定量（容积式、电子称量等）、储料斗、新砂加入方式，都会造成系统砂组分的不均匀、性能不均匀。
1.5防尘与除尘
很多工厂轻视除尘、防尘的设计与投入，也忽略除尘设备的维护，导致砂处理工部常常难以下脚行走，尤其是地沟内、高层梯台上。久而久之，砂处理看护、过问的人和频次越来越少，积累的问题也就越来越多。反过来，时间越长，问题越难解决，逐渐地对铸件质量的影响也越来越大。SDTY工厂就是如此步入恶性循环的。由于设计就有先天不足，加之型砂性能参数检测监控手段不齐全，且环境恶劣，疏于管理，对主要设备缺乏预防性维护保养，造成铸件与砂有关的缺陷比例始终居高不下。且不说粉尘未得到治理给工人身体带来的危害，铸件成本也越来越高，铸件竞争力也越来越低。
2砂处理现场工艺工作的感悟
（1）绝大多数厂家没有配备砂处理技术人员，相关责任分配到现场混砂人员，许多工厂的现场由操作工说了算。对型砂的关注、调整、管理，技术部门放弃权限与职责，可以说到了不管不问的程度。现场混制出什么砂，不管紧实率是高是低，也不管水分多少，就这么用吧。这说明企业领导以为砂子经过了混砂机就可以，既不讲究混砂效率，也不严格考核型砂性能，与砂相关的铸件质量问题，无人钻研、深究。（2）少数企业没有建立规范的质量管理体系，涉及到型砂质量的参数制定、过程数据的管理，很少应用现代质量统计管理方法，很少应用控制图表，与熔化工部一样，也没有工序能力、过程能力指数管理。以上两条，QJTH工厂也是如此。（3）个别企业的领导，质量意识淡薄，没有建立严格的原辅材料采购程序，即使有相关规定，也随意更换、调整原材料供应商，非常浅显地看待直接成本，看不到对铸件质量的影响，随意降低原材料技术标准。熔炼材料的做法，也不例外。（4）相当一部分企业，新砂加入往往失去控制，主要原因是工艺流程设计方面的问题。名义上要求与旧砂混合均匀，当落砂的旧砂过来时，把新砂按一定量加下去。可实际上，因为种种原因，大多数情况下做不到均匀、定量，例如，送砂皮带为防尘往往被封住，光电信号失效且没有及时维修时，旧砂究竟什么时候来，很不确定，难以对应，更难做到精准、均匀；又如，有的是人工加砂，即使他很专心地守候，看着旧砂是否过来，也常常因为劳动量大、长时间疲劳，加入量难以做到定量，漏加、多加更是经常发生。（5）一定要配备完整的检测体系与手段。有些工厂重视主机配置，轻视辅机配套，主要精力放在静压造型线上，忽略对其它工部和区段应有的关注。有些企业完全忽视了完整检测手段的配备，好一点的企业能够检测强度、透气性、水分几项，其它各项以及原材料性能入厂检查就被完全放弃，更不用说对型砂和旧砂的质量监控，其它许多重要项次，能捡查就检测，不能检查的就长期置之不理。有的每隔半年、一年，遇到推销的新供应商，就抓住人家委托做一些检查（旧砂分析、随机抽检某一碾型砂性能，算是对自己水平、能力、状况的摸底）。他们只能非常原始地凭经验、凭感觉、凭手感、凭估计来处理和调整型砂。
作者：康宽滋 单位：江铃铸造厂