V法铸造工艺装备与技术特性

吴 剑，董凤亮

（1.江阴智铭铸造装备应用技术设计室，江苏江阴 214400；2.青岛创美机械科技有限公司，山东青岛 266000）

研究和探讨V法铸造工艺的主要设备与技术特性，其目的是促进V法铸造工艺和装备的不断发展、V法铸造生产效率的不断提高、能耗不断降低、V法铸造生产工作环境不断改善。

V法铸造工艺的发展，取决于铸造工艺特点的先进性、合理性，取决于铸造装备的配套性、实用性和可靠性。V法铸造工艺决定了铸造装备的类型及规模，决定了铸造环境和劳动条件，亦决定了铸造的生产产能。

对V法铸造工艺及设备进行不断的技术改进和完善已成必然，对提高V法铸造生产机械化、自动化控制技术起到推动作用。

1 V法铸造工艺设计

1.1 工艺设计基本原则

由于V法铸造生产具有工序多、工艺环节复杂，工步间联系相互配合密切，专用设备应用量大的特点；由于V法铸造生产的造型材料耗量大、物流输送转运量大、易造成粉尘扬溢环境污染的特点。因此在V法铸造工艺设计时，必须充分考虑这些特点与因素。

1）在进行V法铸造工艺设计前，必须进行可行性研究，保证项目设计和改造在经济上的合理性，资本投入的可靠性。确定技术标准、工艺方案、机械化水平和控制系统的能力（包括自动控制、远程监控、实时视频监控和网络管理）。使技术和经济指标达到先进合理，使生产线能力和设备载荷能力都具有一定的富裕度。

2）在进行V法铸造工艺设计时，应全面考虑技术改造与经济效益的合理结合。按生产纲领、任务要求、工艺特点和发展方向，进行因地制宜地选择先进的、配套性好的主机设备、运输设备和辅助设备。考虑应用产品质量好、生产效率高和操作性能安全的工艺设备，以构成合理的V法铸造生产线。

3）针对V法铸造车间内部工艺布置比较复杂的因素，对地面上、下的钢结构、土建工程，物流输送过程中产生的粉尘、烟气、废气等进行全盘的考虑及相应的措施。

4）生产纲领是整个V法铸造工艺设计和改造的基本依据。生产纲领一般应根据铸造产品的大小、规模、市场、经济效益和发展前景来确定。

生产纲领在工艺设计与改造中成为造型、砂处理、真空泵系统的重要依据。

这些曾经是多家用户上V法铸造生产线时，所共同关心和探讨的核心问题。

1.2 工艺设计特性

由于V法铸造生产可以适用于铸钢、铸铁、有色金属等各种材质的铸件，造型用型砂又无需进行配比混制，实现的铸件尺寸精度高、表面质量好。其单元的工艺流程相对简单，具有操作简便、空间环保、劳动强度低的特点。

V法铸造生产特性是适用于手工操作的、半机械化作业的、大批量中、大型铸件的生产。如果提高其自动化程度，工艺设计和技术装备配置要复杂的多。

按其V法铸造工艺要求进行工艺设计，其每个环节反映的特性是：

1）按铸件模具的结构特点，制造带有抽气箱特殊结构的标准砂箱。

2）按模具要求配置适当规格的塑料薄膜，并进行均匀加热，使塑料薄膜达到塑性状态，然后覆盖在模具上，模具下的负压箱抽真空，并保持在负压状态，使其成型。

3）在成型薄膜上喷涂耐火材料，并安放标准砂箱加砂，振动台高频微振紧实，模具下的负压箱仍保持在负压状态。

4）砂箱加砂振实完成后找平，覆盖背膜（塑料薄膜），砂箱抽真空，使成型型砂达到一定的硬度，并保持在负压状态，准备起模。

5）解除模具下的负压箱负压，起模翻转，砂箱内保持在负压状态，则完成铸件的半型。

6）同样工艺方法制作另外半型，合箱等待浇注。此时上、下砂箱仍然保持在负压状态。

7）浇注后，塑料薄膜气化消失、金属液经凝固冷却后，解除上、下砂箱的负压。失压后内外压差平衡，自然开箱溃散而落砂。

8）落砂后的旧砂温度处理和控制是砂处理单元的重要环节。

2 V法铸造工艺设备

2.1 造型单元

V法铸造工艺的造型设备主要包括：钢结构砂库、造型用砂箱、雨淋加砂机、覆膜机、切膜机、涂料烘干机、移动式振实台、负压箱型板、起模机等。

2.1.1 钢结构砂库

造型单元的钢结构砂库是V法铸造生产线上重要的工艺结构，具备能满足生产要求的造型用砂量。是其他设备安装的基准。也是覆膜机运行轨道的安装基础。

2.1.2 造型用砂箱

V法铸造专用砂箱与普通砂箱不同，它是一种双层的密闭箱形结构，内侧壁带有过滤抽气装置，外侧臂带有单向阀的抽气吸口及相关的吊耳、定位销等。

这种特殊结构的标准砂箱，其外形尺寸决定了整个造型设备为之配套的外形尺寸。

2.1.3 雨淋加砂机

气动雨淋式加砂机是V法铸造生产中，造型单元的工艺设备之一。其安装在砂库底部，砂库的造型砂落在加砂机的固定板上，此时落砂孔板和固定孔板的砂孔错位，阻止了造型砂的下落。当砂箱需要加砂时，气缸驱动落砂孔板移动，使固定孔板孔位与落砂孔板孔位保持一致，造型砂即通过孔位形成雨淋式均匀落砂。

雨淋式加砂机在较大面积砂箱内可以均匀平稳下砂。可以避免局部砂的堆积，减少了后续平整型砂的工作量。加砂机内设有吸尘风道，在对砂箱加砂过程中起到减少粉尘外扬，保持工作环境的少污染。

2.1.4 移动式振实台

移动式振实台主要由振实台、行走电动台车、空气弹簧等主要部件组成。

V法铸造专用振实台与其他振实台有些区别。V法铸造由于造型砂无黏结剂，要求型砂能充填到模型的每个角落。往往需要有三维的振动状态来实现，所以采用一种三维振动台。如果造型的模型不是很复杂，一般可以采用常规的振动台来实现紧实。

1）振动台的台面（按砂箱的大小而定）是安放负压箱和砂箱的组合件，底部连接振动电机，工作时实现高频微振使型砂在砂箱内紧实。

2）行走电动台车是移动振实台的主要承载部件，其外形尺寸按砂箱的大小而定。在造型过程中，实现模型覆膜、配置砂箱、雨淋加砂、覆背膜等几个工序的操作环节。

3）空气弹簧是振动台与行走电动台车之间隔振动元件。其作用之一，可使振实台及砂箱同时实现升降，便于对砂箱加砂。其二，振动电机启动，实现高频微振使型砂在砂箱内紧实，而振动惯性力受空气弹簧的隔振，降低了对行走电动台车的振动干扰。

2.1.5 负压箱型板

负压箱型板是一种安装固定到振实台面上的专用型板，起吸膜作用。负压箱型板按用户的模具、砂箱及生产工艺要求确定。

2.1.6 覆膜机

覆膜机为一种移动式自动覆膜组合机构，它包括覆膜固定框、升降框、电加热器、负压抽气机构、行走驱动机构等。

覆膜机是造型单元的主要设备之一，其工作环境温度不宜超过100℃.

1）覆膜固定框底面有吸气孔，负压抽气时具有较大吸力，薄膜被吸附后不易滑落。

2）电加热器由框架结构组成，能将塑料薄膜加热到塑化状态后，有效地配合移动覆膜架将薄膜吸附在模具上。

3）行走驱动机构包括电动减速机、导轨支架、拖链和移动覆膜架，导轨支架安装在砂库上，该机构与移动式振实台轨道构成纵横二条造型工序。

2.1.7 切膜机

切膜机是一种配套安装在覆膜机覆膜初始位的切膜机构。它包括展膜台、切膜驱动气缸、负压抽气阀、电热丝等。

用调压器调整电压，使电热丝温度控制在80℃～100℃.

2.1.8 涂料烘干机

涂料烘干机是一种可以独立安装或者同覆膜机配套安装的电加热机构。

在覆膜完成后，进行向模具喷刷涂料，喷涂后进行涂料烘干。烘干时间以涂料表面烘干为准。

2.1.9 起模机

液压起模机是一种专用的、配套大型砂箱起模的升降机构。其采用液压站为动力源，驱动油缸带动四个顶杆顶起砂箱起模。对于起模工序提高了机械化效率。取代了原先的手工起模，减轻了操作的劳动强度。

2.2 真空泵单元

2.2.1 真空泵系统

V法铸造生产线上，应用的真空抽气系统包括：真空泵、稳压罐、旋风分离器和水循环系统。

V法铸造生产线上，应用的真空度一般在0.03MPa～0.06MPa，抽气量的大小可以按生产过程中的砂箱大小、砂箱数量的总和来确定。当然还要考虑各管路系统的压力损失因素。

2.2.2 车载真空泵

车载真空泵装置在V法铸造生产线上，是一种随砂箱搬运过程的移动抽真空设备。一般配装在双梁行车上的台车下，或与台车连接随台车运行。

V法铸造生产线上，砂箱吊运时，为了保证砂箱内有一定负压（真空度），每次吊运时都要拖着配置的真空管，使其操作复杂化。在采用车载真空泵装置后解决了上述问题。

车载真空泵装置是利用干式罗茨真空泵吸气形成的负压，来保证移动砂箱内有一定的真空度。

在干式罗茨真空泵启动和非工作状态时，真空软管敞口的情况下，不接触地面或避免粉尘等细小颗粒物进入真空泵内防止损坏系统设备。

2.3 砂处理、砂冷却单元

2.3.1 流化床砂温调节装置

流化床砂温调节装置是V法铸造砂处理冷却系统中的主要工艺设备。其主要由：带有管路系统的热交换器沸腾床、高压离心风机及风量调节系统、水箱及水循环系统和除尘系统等组成。

热交换器沸腾床的结构为一箱形室体，室内装有管路系统，冷却水或热水通过管路系统进行热交换循环。沸腾床底部为风箱，利用高压离心风机产生的压缩空气经风箱进入沸腾床内，床体下部与风箱间有沸腾板。

热旧砂通过进料口进入沸腾床内，由于沸腾床下部沸腾板受压缩空气作用，使热旧砂在箱形室体内呈沸腾状态流动。

热旧砂在床体内与水循环冷却系统连接的热交换器充分进行热交换，利用热传导原理达到对热旧砂冷却的目的。相反，若造型砂温度低于要求的温度，则可向管路系统内通入蒸气或用电加热器提高水温来实现温度调节。也可在沸腾床的进风口处，设置电热器来提高风温达到升温的目的。

流化床砂温调节装置是V法铸造生产中不可缺少的工艺设备之一。

流化床的通过能力应与加入量相匹配。避免堵死或者生产能力不够。

流化床的安装方式可水平安装，也可倾斜安装，其倾斜度可调在0°～5°之间。

2.3.2 振动输送筛分机

振动输送筛分机是铸造砂处理单元中常用的振动输送、筛分二用设备。常用于铸造车间输送型砂、新砂、旧砂（热、冷）、焦炭、石灰石等散状、颗粒状和块状物料。在输送过程中，物料经过筛分面可将废料，杂质排出废料口。

对应用于V法铸造、消失模铸造工艺过程中，对干旧砂回用能起到筛分输送的作用。

振动输送筛分机主要由振动槽体、振动电机、过滤筛网、隔振弹簧、机座等组成。是常用的铸造振动机械设备。

2.3.3 振动筛分机

振动筛分机亦是铸造砂处理中常用的振动筛分设备之一。

对应用于V法铸造、消失模铸造工艺过程中，对干旧砂回用能起到筛分的作用。

2.3.4 磁分离机（悬挂式、贯通式）

在V法铸造生产的砂处理单元中，经常应用的磁分离设备有悬挂式磁选机和贯通式磁选机。在干旧砂回用过程中分离出其中的铁杂物。

1）悬挂式磁选机同振动输送机配套使用，作为第一道磁分离设备，分离出旧砂中铁杂物。避免铁杂物影响下道工序，如振动筛网等。磁场强度一般在1200 A/m～1500 A/m.

该机具有磁选效果好，结构紧凑，安装灵活、使用可靠的优点。

2）贯通式磁选机是一种配套在斗式提升机的出口处、入库前应用的第二道磁分离设备。可以分离出第一道磁分离遗漏的细小铁杂物。

目前我们根据生产能力的要求，设计了宽磁系的贯通式磁选机，可以满足50 m3/h～80 m3/h的通过能力。具有布置灵活、磁场均匀、磁选效果好的特点。磁场强度大于1500 A/m.

2.3.5 斗式提升机

斗式提升机是铸造砂处理单元中常用的垂直输送设备之一。适用于向上输送粉状、粒状、小块状的无磨琢性或半磨琢性的散状物料。该提升机为快速离心卸料，被输送的物料温度不宜超过80℃.

斗式提升机基本满足了V法铸造生产的砂处理使用要求。

2.3.6 皮带输送机

皮带输送机亦是铸造砂处理单元中常用的输送设备之一。用于铸造车间输送新砂、旧砂、型砂，输送无腐蚀性、低温的散状物料。

该皮带输送机采用三角带、轴装式减速器和电动机驱动。

一般输送带的速度为v=1 m/s.

V法铸造生产中，皮带输送机基本满足了砂处理使用要求。

3 V法铸造应用示例

3.1 工艺参数的确定

1）铸件名称：耐磨衬板。

2）材质：合金铸铁，单件重量：120 kg.

3）外形尺寸：650 mm×540 mm×200 mm.

4）每型分布4件，每型铸件重量：4×120 kg.

3.2 技术参数的确定

1）砂箱内尺寸：1800 mm×1400 mm×200/200 mm.

2）造型能力：5箱 /h～6箱 /h，覆膜厚度：0.05 mm～0.08 mm.

3）造型方式：双主机作业造型（造型时型砂温度控制在25℃～35℃）.

4）合箱方式：机械翻转合箱（配置地面真空管路系统）。

5）砂箱转运：配置车载真空泵装置。

6）浇注与落砂：固定浇注、转运落砂（配置除尘系统）。

7）砂处理能力：40 m3/h.

8）砂处理配置设备：振动输送筛分机、磁选机、卧式风冷却流化床、斗式提升机、风选磁选机等。

3.3 配置设备相关技术参数

1）卧式流化床冷却水压力：0.2 MPa.

2）供气源压力：0.6 MPa.

3）真空泵真空度：0.03 MPa～0.05 MPa.

4）旧砂冷却温度：≤50℃.

5）旧砂回用率：≥95%.

6）系统除尘效率：≥90%.

7）砂处理除尘风量：30000 m3/h～36000 m3/h.

3.4 工艺流程设计

1）造型：模具及型板—薄膜加热—覆膜成型（抽负压）—喷涂料及烘干—配砂箱及加造型砂—振动紧实及覆背膜（抽负压）—起模、下芯及合箱（保持负压）。

2）浇注与落砂：浇注及冷却（保持负压）—开箱溃散落砂（解除负压）。

3）砂处理：落砂过渡—转运输送—冷却调温—筛分过滤—磁选分离—净砂回用。