铝合金树脂砂铸造车间工艺设计分析

李 钊

（中航长沙设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

铝合金砂型铸造根据造型材料的不同分为黏土砂铸造和树脂砂铸造。与黏土砂铸造相比，树脂砂铸造具有以下优点：（1）铸件表面光洁、棱角清晰、尺寸精度高。（2）生产效率高，生产周期短。（3）型（芯）强度高、成型性好、发气量较低、热稳定性好、透气性好，铸件的粘砂、夹砂、砂眼、气孔、缩孔、裂纹等铸件缺陷少，从而降低废品率。（4）旧砂回收再生容易，可以达到90%～95%的再生回收率。

基于以上原因，近三十年我国树脂砂铸造的发展非常迅速，越来越多的企业采用树脂砂铸造。由于树脂砂最适合于多品种小批量的中大铸件生产，而我国航空企业的生产特点就是多品种小批量生产，用树脂砂工艺取代黏土砂生产将是我国航空企业砂型铸造的主要发展方向。因此，本文针对铝合金树脂砂铸造车间工艺设计进行分析。

1 铝合金树脂砂铸造工艺及主要特点

1.1 树脂砂铸造原材料及工艺流程

（1）主要原材料：树脂砂铸造主要原材料包括原砂、再生砂、树脂、固化剂、涂料。

（2）工艺流程：树脂砂铸造工艺与黏土砂铸造工艺基本相同，一般生产工艺流程如图1所示。

图1 一般生产工艺流程

由于树脂粘结剂具有自硬特点，与黏土砂铸造相比，型（芯）上涂料处干后可省去烘烤工序。

1.2 主要工艺特点

其工艺主要特点有：（1）生产过程环境污染点多、污染物产生量大。生产过程中多个工序（混砂、造型、熔化、精炼、浇注、冷却、落砂、吹砂、焊接、旧砂再生）产生大量的砂尘及有害气体；后处理工序中切割浇冒口、打磨噪声较大。（2）生产区间温度较高。金属液在熔化、精炼过程及铸型在浇注、冷却过程中产生大量热量，导致生产区间温度较高，易造成工人夏季中暑，并存在安全隐患。（3）工艺流程较复杂。整个生产过程工艺流程较多，存在多工序同步进行，但工序间的周转基本不存在反复现象。（4）专业配套比较复杂。整个工艺过程既有热加工设备，也有冷加工设备，对各专业的设计要求较多，尤其对通风专业的要求最多。

2 车间工艺设计

2.1 主要生产设备的配置

根据工艺过程的要求，各工序配备的设备主要包括：混砂机、造型机、射芯机、熔化炉、精炼炉、落砂机、旧砂再生设备、锯床、吹砂机、氩弧焊机等。对于树脂砂铸造生产线，影响生产能力的关键设备主要有混砂机和熔化炉。根据生产纲领及相关因素进行主要设备的配备，其他设备根据主要生产设备进行配套。

（1）混砂机。一条铸造生产线一般选用一台混砂机，因此，对于混砂机的计算不是计算其设备数量，而是计算选用设备的混砂能力。

式中：δ—混砂效率（t/h）；n—生产纲领（t）；ψ—单位重量金属用砂量（t）。单位重量金属用砂量一般取3～7 t。

（2）熔化炉。铝合金熔化最广泛的是采用感应电炉，随着天然气的广泛使用，在生产批量较大、合金质量要求不太高的情况下，为节省能源，越来越多的企业采用燃气炉。

由于熔化炉仅仅起到熔化作用，合金成分的调配在精炼炉中完成，因此，一般而言熔化炉的容量较大，且宜选择单一规格。熔化炉的数量采用生产率计算法进行计算。

式中：N—设备数量（台）；n—生产纲领（t）；δ—熔化炉的熔化效率（t/h）；α—产品合格率；β—浇冒口的切除率；η—设备的平均负荷率

一般而言，浇冒口的切除率约为25%～35%，树脂砂铸造的产品合格率为较高，约80%～95%（黏土砂铸造的产品合格率约为55%～70%）。设备的平均负荷率一般取0.85。

（3）精炼炉。对于多品种生产而言，精炼炉的配置与产品的合金原材料种类、单位产品的重量及每种产品的生产纲领有关。不同的合金成分应在不同的精炼炉内精炼。每精炼一炉的时间约为0.5 h，因此，精炼炉的总容量=熔化炉的熔化效率/2。

一种产品选用的精炼炉容量不宜过大，因为精炼后的金属溶液宜在半个小时内浇注完，否则又会产生吸氢现象，影响铸件的机械性能。

（4）旧砂再生设备。根据中国铸造行业准入条件，新建铸造企业必须配备旧砂再生设备。旧砂再生设备每小时的再生能力应与混砂机每小时的混砂能力相当。

呋喃树脂砂的回收率≥90%，酚醛树脂砂的回收率≥60%。因此，即使有旧砂再生设备，车间也应配备一定面积的新砂库。

2.2 厂房工艺设计

2.2.1 厂房选址及总平面布置原则

铸造行业是重污染行业，国家对铸造企业厂址的选择及布局有相应的政策及法规。在一类区不能新建、改扩建铸造厂，在二、三类地区，新建、改扩建铸造厂的污染物排放指标应符合国家或地区有关标准的规定。厂址周围尽量远离医院、制药厂等对环境空气质量要求较高的企业。

在厂房的布局上应将其布置在厂区其他厂房的下风向；要考虑通风良好的因素，厂房的布置最好与当地主导风向垂直。

2.2.2 车间平面布置原则

铸造厂房根据工艺流程通常主要分为：造型区、熔化-精炼区、浇注-冷却区、落砂区、制芯区、后处理区、砂再生区。在进行工艺布置时，主要应遵循以下原则：

（1）要充分考虑物流的顺畅，根据工艺流程尽量避免工序间物流的交叉和反复。（2）砂处理、清理等工段应与车间其他部分隔开或布置在单独的厂房内。（3）落砂、清砂、打磨、切割、焊补等工序宜固定作业工位或场地，以便于采取防尘措施。（4）在布置工艺设备和工艺流程时，应为风管敷设、除尘器设置、粉尘集中输送提供必要的条件。

2.2.3 各生产区工艺要点

（1）造型区。该区域主要进行混砂、造型。新砂、旧砂及树脂硬化剂加入混砂机进行搅拌均匀后填入砂箱震实造型。混砂过程中会产生大量粉尘，一般配备布袋式除尘器除尘。由于混砂机上部有加砂斗，往往该设备较高。在确定厂房内吊车轨顶标高时，应充分考虑混砂机的高度。

（2）熔炼-精炼区。该区域主要进行金属的熔化、合金成分的调配及金属液杂质及有害气体的去除。除铝-镁合金外，铝合金熔化一般不需加提高金属液抗氧化性能的覆盖剂，因此，一般情况下熔化炉排除的热气收集后可直接排入大气。精炼过程中由于精炼剂的加入，会产生酸性有害气体。该区域尽可能布置在靠外墙处，以利于通风散热。

（3）浇注-冷却区。该区域将熔融的金属液浇入铸型，然后冷却成型。树脂砂铸造工艺中的粘结剂除树脂外还有其他的辅助添加物质，如尿素、甲醛、醇类等。浇铸和冷却过程中，除了产生大量的热外，添加剂在浇注过程中部分被充分燃烧生成无机废气，部分只是被加热气化形成有机废气，还有部分会进行不完全燃烧。因此，这个区域是环境最恶劣的区域，温度高、有害气体成分复杂但浓度较低，在进行工艺设计时，尽量将浇注和冷却工位集中，以便于设置抽风罩通风。

由于浇注时需要将金属液从熔炼-精炼区转移到浇注区，为了减少金属液的温降及从安全角度考虑，熔炼-精炼区应尽量靠近浇注-冷却区。同时为了便于通风散热，该区域尽可能布置在靠外墙处。

（4）制芯区。较复杂的铸件需要利用砂芯形成复杂的型腔。对于批量生产，一般利用射芯机制芯。射芯机分冷芯盒射芯机和热芯盒射芯机。冷芯盒射芯机制芯一般采用三乙胺硬化，制芯过程中产生刺鼻的气体需经净化塔处理达标后排放。热芯盒射芯机的砂芯硬化为自硬化，不需使用三乙胺，但制芯过程中仍有少量粘结剂的挥发。

冷芯盒射芯机由于上部有混砂装置，因此该设备比较高。除了混砂机外，射芯机是影响厂房高度的另一主要因素。

（5）落砂区。落砂即将铸件从砂型中分离出来。一般采用震动落砂机。落砂过程中会产生较大的噪声和较多的粉尘，目前，一般比较先进的落砂机自身具有隔声措施，粉尘采用袋式除尘器收集。由于落砂的污染较大，且是后端工序，尽量靠近墙边或角落布置。

（6）后处理区。该区域包括清砂、打磨、切割、吹砂、补焊等工序。清砂和吹砂过程会产生砂尘；打磨和切割过程会产生金属粉尘并伴有刺耳噪声；补焊过程会产生烟尘。因此，应将后处理区与其他生产区域采取隔离措施。

（7）旧砂再生区。该区域设备运行过程中产生的粉尘较大，适宜单独布置。该区域宜尽量与造型区和落砂区靠近，以减少砂的输送距离。

（8）其他区域。由于工作环境比较差，根据职业卫生要求，厂房内应设更衣室、淋浴间。

3 对专业设计的要求

（1）土建专业。铸造厂房通常采用钢筋混凝土结构，目前也越来越多地采用钢结构。为了保证良好的通风散热，轨顶标高一般大于8 m。对于有冷芯盒射芯机的厂房，规定标高一般在10 m以上，具体高度根据混砂机和射芯机的高度而定。

（2）给排水专业。厂房除生活用水外，射芯机和旧砂再生设备工作时需要冷却水。

（3）暖通专业。为了保证良好的工作环境以及满足环保要求，厂房内多个区域及设备需要进行通风除尘。①整个厂房设置天窗或屋脊通风器通风。排风天窗宜直接布置在热源上方，但为防止雨水进入熔融金属造成飞溅，酿成重大安全事故，熔化、浇注区应设避开天窗。②熔化炉、精炼炉、混砂机、落砂机、射芯机、吹砂机、旧砂再生设备进行通风除尘。③浇注-冷却区、后处理区进行通风除尘。

（4）动力专业。造型机、落砂机、射芯机、吹砂机、旧砂再生设备均需提供压缩空气。清砂区、射芯区、后处理区需提供压缩空气吹嘴。

（5）电气专业。电气专业按工艺设备的需求设计。

4 结语

相比其他机械行业的生产车间，树脂砂铸造车间的设计相对比较复杂，设备种类多，专业技术条件多。本文从生产工艺出发，对铝合金树脂砂铸造厂房的设计进行了初步分析，为以后这类厂房的设计提供参考。