李保強 ，劉玲玲 ，張震宇，郭毛毛

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007；2.鄭州財經(jīng)學院 機電工程學院，河南 鄭州 450044）

發(fā)動機缸蓋砂芯通過式表干爐用于生產(chǎn)發(fā)動機缸蓋砂芯整體浸水基涂料后的表面干燥。 砂芯的主要成分為樹脂砂，樹脂砂芯本身的含水量較低（0.2%～0.3%）， 采用水基涂料表干工藝所需干燥的主要是砂芯表面水基涂料滲入的水分[1]。

某發(fā)動機公司缸蓋砂芯表干爐項目，缸蓋砂芯的烘干時間為120 min， 缸蓋砂芯的生產(chǎn)率為30 盤/h。因生產(chǎn)需要， 缸蓋砂芯的烘干時間需由現(xiàn)在的120 min 降到90 min，生產(chǎn)率由現(xiàn)在的30 盤/h 提高到40盤/h， 同時折合到單件砂芯烘干的天然氣能耗降低15%～20%。

鑒于此， 本文研究一種改進的節(jié)能型缸蓋熱風表干爐系統(tǒng)，通過提高烘干爐內(nèi)熱風風速，可加大對流換熱系數(shù)， 增強砂芯表面換熱， 加速砂芯表面烘干，縮短砂芯烘干時間，減少砂芯內(nèi)部吸熱，同時可降低烘干爐熱風溫度，達到提高砂芯烘干生產(chǎn)率，降低砂芯烘干能耗的效果。

1 系統(tǒng)工藝參數(shù)

以某公司缸蓋砂芯表干爐項目為例， 缸蓋砂芯通過式表干爐用于生產(chǎn)發(fā)動機缸蓋芯整體浸水基涂料后的表面烘干。 砂芯的表面干燥可簡單地劃分成三個步驟：（1）砂芯表面水分受熱后蒸發(fā)汽化；（2）表層蒸汽通過紊流狀態(tài)的熱風快速向四周擴散；（3）在擴散動力作用下砂芯內(nèi)部的水分向表層遷移。 在涂料烘干過程中， 其表面的熱交換屬于紊流狀態(tài)下的強制對流換熱。 同時，由于樹脂砂工藝的限制，其干燥溫度一般不超過200 ℃[2]。

其工件參數(shù)為：砂芯外形尺寸：208 mm（長）×365 mm（寬）×160 mm（高）；砂芯重量：6 kg；烘芯托盤外形尺寸：1 400 mm（長）×900 mm（寬）×100 mm（高）；烘芯托盤重量：約150 kg；每只烘芯托盤裝載量：8 只。其工藝為：涂料涂敷方式：整體浸涂水基涂料；浸涂時間：≤10 s； 涂料層厚度：≤0.3 mm； 烘干溫度：120～160 ℃(可調(diào))；干燥后殘余水分含量：≤0.2%；砂芯出爐溫度：≤55 ℃。

2 系統(tǒng)方案設計

改進后的缸蓋砂芯表干爐系統(tǒng)由升降式輥道輸送機、進出料輥道、砂芯烘干爐、燃氣式加熱室、天然氣專用燃燒機、熱風循環(huán)系統(tǒng)、天然氣管道系統(tǒng)、冷卻室、烘芯托盤輸送輥道、烘芯托盤、電氣控制系統(tǒng)、安全防護欄及工作梯、排氣管道等部分組成。

2.1 升降式輥道輸送機

升降式輥道輸送機升降行程600 mm，升降速度8 m/min， 輥道輸送速度 10 m/min， 輥道驅(qū)動功率0.55 kW，升降式輥道輸送機由升降平臺及輸送輥道兩部分組成。輸送輥道由輥子、鏈輪、鏈條、調(diào)心軸承座及驅(qū)動減速器等組成。升降平臺由支架、升降機構(gòu)及活動支架等組成。 支架及活動支架由型鋼焊接后經(jīng)機床加工制成， 活動支架由4 根立柱及導套固定在支架上。升降機構(gòu)由液壓缸拉動活動支架升降，升降機配有一臺小型液壓站。 輸送輥道配有3 套托盤定位裝置，進出口升降臺各一套，出口升降臺前邊工位一套，托盤定位裝置為四面夾緊定位機構(gòu)，現(xiàn)場實物見圖1。 提高了機械手上件和取件的精度，重復定位精度0.5 mm。

圖1 四面夾緊定位機構(gòu)實物圖

2.2 砂芯烘干爐

烘干爐爐體為雙通道貫通式結(jié)構(gòu)，實物見圖2。整體框架結(jié)構(gòu)由堅固的型鋼和鋼板焊接制成， 分節(jié)制作，現(xiàn)場組裝。 爐體采用鋼結(jié)構(gòu)全纖維爐襯，爐內(nèi)襯板由不銹鋼板焊接制成，板厚不小于2 mm，中間填充厚度≥140 mm 的保溫礦渣巖棉； 外壁平整美觀，隔熱性能好，熱損失小，爐體外壁溫度不高于車間環(huán)境溫度15 ℃。 托盤從兩個通道分開運行，中間設有雙層隔板，雙層隔板作為爐體中間回風通道，只使用一條機動輥道線輸送； 爐體安裝在標高為4 m的鋼平臺上，爐體由骨架、爐襯等組成，骨架采用符合國家標準的同系列壁厚最厚的方型鋼管、 槽鋼及鋼板（3 mm）焊接制成整體框架式的結(jié)構(gòu)，焊接成型后進行防銹處理。

圖2 雙通道砂芯烘干爐實物圖

烘干爐設有5 個加熱區(qū)，分2 個預熱段、3 個加熱段。每個加熱區(qū)單獨控制，便于烘干工藝的設定及調(diào)整。 5 個加熱區(qū)的熱風循環(huán)方式均為頂部吹風，兩側(cè)底部回風結(jié)構(gòu)，確保砂型表面的充分干燥。烘干爐在預熱段因砂芯表面涂料的大部分水分在此期間蒸發(fā)， 為了防止砂芯表面涂料膜因水分蒸發(fā)太快而遭破壞，熱風溫度需要控制得低一些，熱風濕度控制得相對較高，利于節(jié)省能源。在加熱保溫段水分蒸量相對較少，要使砂芯表面的水分順利地向外表遷移，該段的熱風溫度相對較高，干燥時間較長，熱風濕度可控制在較低水平，確保砂芯烘干烘透，同時降低砂芯烘干能耗。鑒于此，5 區(qū)溫度分別設定為150 ℃、160℃、180 ℃、180 ℃、180 ℃。

2.3 燃氣式加熱室

表干爐設有5 個溫區(qū)， 每個溫區(qū)配有一套燃氣式加熱室。燃氣式加熱室由燃燒室和換熱室組成。燃燒室采用耐熱鋼制造，使用壽命長，壁體為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有利于天然氣高溫燃燒氣體的擴散，便于循環(huán)熱風的混合換熱，并降低燃燒室外壁溫度。換熱室內(nèi)設有熱風導流結(jié)構(gòu)， 使得循環(huán)熱風與高溫氣體在換熱器內(nèi)充分、均勻地混合換熱，熱效率高。 燃燒器配有節(jié)能燒嘴及穩(wěn)焰盤、自動點火裝置、火焰監(jiān)測器、伺服配風結(jié)構(gòu)、助燃風機、比例調(diào)節(jié)控制器、燃氣控制閥組、氣體壓力開關、吹掃裝置及控制裝置等。

2.4 熱風循環(huán)系統(tǒng)

烘干爐5 個溫區(qū)均設有一套熱風循環(huán)系統(tǒng)，熱風循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)風機、風道、排濕管道及新鮮空氣補充閥等組成。 在風管上設有排濕及新鮮空氣補給管，兩管上均裝有手動調(diào)節(jié)閥，便于調(diào)節(jié)排出和補給空氣量。熱風循環(huán)風機為分體插入結(jié)構(gòu)，可嵌入到燃氣加熱室內(nèi)，與燃氣加熱室采用嵌入式法蘭連接，每臺風量為30 000 m3/h，風嘴出口風速24 m/s，使循環(huán)熱風具有足夠的穿透力， 同時便于爐內(nèi)循環(huán)熱風形成紊流狀態(tài)， 保證砂芯最佳干燥效果， 提高了生產(chǎn)率。循環(huán)風機及點火裝置的啟動運行實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，只有當循環(huán)風機正常運行一定時間后， 完成對天然氣換熱裝置的吹掃， 同時通過壓力開關發(fā)出壓力信號，點火裝置獲得啟動指示后才能進行點火，防止由于天然氣泄漏，造成危險，以充分保證生產(chǎn)安全。

2.5 冷卻室

冷卻室由室體及冷卻排風系統(tǒng)等組成。 室體結(jié)構(gòu)同烘干爐， 有效尺寸為9 000 mm×1 500 mm×550 mm。 冷卻排風系統(tǒng)由冷卻風機、抽風機及排風管組成，冷卻風機功率0.55 kW×4=2.2 kW，抽風機功率2.2 kW。由4 臺風機將冷空氣吹入冷卻室內(nèi)，經(jīng)砂芯換熱后，熱廢空氣經(jīng)頂部中間的排氣口，由抽風機通過排風管道排出。 缸蓋表干爐設有5 個工位的冷卻段，設置4 臺冷卻風機，冷卻風量～24 000 m3/h，冷卻時間10 min，砂芯冷卻后表面溫度≤55 ℃。 砂芯冷卻過程也是砂芯進一步干燥的過程， 故強制冷卻風應具有足夠的風量。增加冷卻段的風量，等同于增加表干爐的爐長， 有助于提高砂芯烘干的生產(chǎn)率和降低能耗[4]。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括表干爐溫度控制單元、 輥道驅(qū)動控制單元、 程序系統(tǒng)控制單元和人機操作界面四部分。 分別由工控機、PLC 及控制柜、搬運機器人和各種傳感器及控制儀表組成。 表干爐的溫度控制儀采用宇電人工智能溫控儀表， 通過PID 調(diào)節(jié)控制爐內(nèi)溫度。 輥道驅(qū)動控制單元采用施耐德斷路器作過流、過壓保護。爐內(nèi)輥道和上下料輥道采用變頻控制， 通過電氣實現(xiàn)安全聯(lián)鎖控制及自動手動運行模式切換。 程序系統(tǒng)控制單元用一臺西門子S7-1500 PLC 完成，控制超溫檢測并實時監(jiān)測故障，同時實現(xiàn)工位狀態(tài)監(jiān)測及處理； 人機界面控制系統(tǒng)采用西門子TP1200 液晶觸摸屏實現(xiàn)， 根據(jù)生產(chǎn)線工藝的要求， 系統(tǒng)各部分的運行參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)在相應設備的位置顯示， 并以菜單與窗口的方式對給定參數(shù)進行修改輸入。 同時編制一個模擬設備現(xiàn)場布置擺放的設備框圖， 用不同的顏色實時顯示生產(chǎn)線現(xiàn)場的各種位置與運行狀態(tài)及故障。

3 結(jié)語

研究實踐表明， 改進型缸蓋砂芯表干爐針對樹脂砂生產(chǎn)工藝特點，并依據(jù)熱平衡原理、水分遷移理論及傳熱學理論進行專門設計， 其節(jié)能效果達到了國內(nèi)先進水平，它具有大流量、無輻射、控制精度高、爐溫均勻性好、能控制和運行穩(wěn)定可靠等特點[5]，有一定的推廣價值。