型砂在线检测技术及其生产应用

　　 在“工业4.0”和“中国制造2025”的大浪潮来临之际，铸造企业新建或改造的高密度（湿）型砂自动化造型生产线日益增多，如果还是按照传统的人工取样检测型砂的性能，然后由技术人员凭借自己的经验调整型砂配方，是很难满足大规模、自动化造型线生产对型砂高质量的要求的。型砂在线检测技术的应用，使型砂的质量由“事后调控”变为“事前监控”，提高了型砂质量的稳定性，满足了自动化造型生产线对型砂质量的要求。因此，型砂在线检测技术的有效运用，为型砂质量的实时监控和科学管理提供了有力的保障。

 

1.型砂检测概况

    （湿）型砂主要是由原砂、水、膨润土、煤粉和其他添加物组成的^[1-2]。型砂的性能主要由其成分决定外，还受混砂设备、混砂工艺等因素的影响。型砂的性能主要有：透气性、发气性、耐火度、强度（包括干、湿、热及表面强度、劈裂强度等）、导热性、退让行以及流动性、可塑性、不粘模型、抗吸湿性、保存性、溃散性、复用性等^[2]。与型砂性能有关的测项目主要有：型砂的含泥量、砂温、水分、透气性、紧实率和湿（压、拉）强度、热湿拉强度以及发气性、酌减量、有效膨润土、有效煤粉等。

目前，型砂性能检测主要分两大类;一是实验室检测，二是在线检测。

实验室检测就是将混制好的型砂在规定的地点分频次取样进行检测，技术人员根据检测的结果结合自己的经验调整型砂的配方，达到控制型砂质量的目的。这种传统的“事后调控”的型砂检测模式是不能满足现代化大规模铸造生产对高质量型砂的要求的。

在线检测就是在混砂的同时对型砂性能进行检测，并及时将检测结果反馈给微机处理系统，系统自动与目标设定值进行比较、经运算后，自动调整和控制水、膨润土的加入量。因此，在线检测真正达到了“事前监控”型砂性能和质量的目的。

 

2.型砂在线检测的主要项目

影响型砂性能的因素很多，现在研究较多的，适应型砂在线检测的项目主要有：砂温、含水量、紧实率、湿压强度、透气性、有效膨润土等。实际生产中应用较成功的是型砂紧实率和湿压强度（联合）在线检测系统。

集合型砂紧实率和湿压强度等技术参数的在线检测系统是通过检测型砂的紧实率和湿压强度，进而控制型砂的水和膨润土的加入量。紧实率和湿压强度是反映型砂基本性能的重要的综合性指标，在线检测系统选择紧实率和湿压强度作为型砂性能的控制参数，也是基于该参数控制起来比较简单、方便，易于实现自动化。

2.1型砂在线检测的基本原理

型砂在线检测系统主要由机械取样系统、气动测量系统、加水控制系统、微机控制系统等四大系统构成。

型砂在线检测系统通过检测型砂的紧实率、湿压强度等重要技术参数，实时监控型砂质量。即通过对混砂过程中型砂的紧实率（系统通过检测型砂砂温自动修正紧实率参数）、湿压强度的实时检测，并与目标设定值进行比较、经微机运算处理后，自动调整和控制水、膨润土的加入量，达到控制并稳定型砂质量的目的。

2.2型砂在线检测的工作流程

（转子）混砂机启动——添加旧砂——自动检测旧砂砂温和水分，修正紧实率参数，计算注水总量——第一次注水（注水量为总水量的80-90%）——添加辅料（如膨润土、煤粉、添加剂等）——混砂——在线检测系统取样检测型砂的紧实率——与设定值（修正值）比较（±5%）——符合——出砂；若不符合——第二次注水——混砂——在线取样检测型砂的紧实率——再次与设定值（修正值）比较（±5%）——符合——出砂；...以此类推。一般设置注水不超过四次，为了保证混砂效率，要求第一次注水后在线检测混砂成功率要达到60-70%，尽量减少二、三次注水，杜绝第四次注水。

检测紧实率的同时检测型砂的湿压强度，通过湿压强度检测数值与设定值（±8%）进行比较，自动判断膨润土加入量的合适度。如果检测湿压强度值在合适区间，下一循环膨润土加入量保持不变。如果检测湿压强度值靠近下限值，下一循环增加膨润土的加入量；如果检测湿压强度值靠近上限值，下一循环减少膨润土的加入量，依此不断循环。（参见图一）。

 

2.3在线检测（型砂）参数设置

型砂在线检测系统是型砂混砂系统的子系统，该系统的正常工作是与型砂混砂机的运行密不可分的，其参数设置也是根据混砂机混砂的基本参数和生产铸件对型砂的具体要求进行的。

型砂在线检测参数设置主要有：紧实率、湿压强度、混砂时间、注水量及注水次数等。

2.4 紧实率

紧实率是反映型砂的湿强度、韧性、含水率及混碾的柔和程度等型砂综合性能的重要指标，可作为型砂性能在线检测和控制的首选项目^［3-4］。通过紧实率参数的变化，反映型砂中水分和有效膨润土的比例是否合适。当型砂紧实率太高时，说明型砂太湿、太粘，型砂的流动性差，不宜紧实，使得铸型硬度偏低。当型砂紧实率太低时，则反映型砂干燥发脆，韧性差^［2］。

当型砂水分控制在2.8-3.5%时，紧实率的参数设定值为30-40%。

2.5湿压强度  

湿压强度也是反映型砂造型综合性能的重要指标。水分适当时，随着有效膨润土含量增加，型砂的湿压强度增高^［2］。因此，当型砂中水分、含泥量控制在合理范围内时，型砂的湿压强度就可以间接地反映型砂中有效膨润土的含量。由此就可以控制膨润土的加入量，监控型砂中有效膨润土是否合适。

型砂在线检测系统中湿压强度参数设定值为0.15-0.17MPa（1500-1700g/cm²）。

2.6混砂时间 

    据资料介绍，碾轮混砂机混砂最佳时间为8-16分/碾，转子混砂机混砂最佳时间为4-6分/碾。普遍认为，碾轮混砂机混砂质量好，转子混砂机混砂生产率高。

通常情况下，自动化生产线用型砂选用转子混砂机混砂。混砂时间太长影响生产效率，混砂时间过短影响型砂质量。如何兼顾混砂质量和混砂效率？混砂时间的设定尤为重要。

在线检测系统中混砂时间设定值为120-180秒，总混砂时间≤6分/碾。

 

3.型砂性能的在线检测与控制

在线检测系统对型砂性能实施控制，作用十分明显。公司在线检测系统运行5年来，型砂的性能稳定，湿压强度（实测）0.18-0.23MPa，紧实率25-35%，水分2.8-3.5%。铸型综合型废率由5.3%下降到1.5%以下，砂眼由2.3%下降到0.2%,冲蚀、粘砂缺陷大幅降低，铸件表面质量大幅提高，为德国KUKA公司生产的工业机器人铸件达到欧洲标准，得到德国客户的高度认可。

在实际生产中（生产车桥铸件和工业机器人铸件），在线检测参数设定值如下：（实时在线检测数据参见表一）

紧实率：36%

湿压强度：1600g/cm²（0.16MPa）

混砂时间：140s，总混砂时间≤6分/碾

第一次注水量及注水次数：90%（第一次注水量占总注水量的百分比）,注水次数≤4次

膨润土加入量(最小值及最大值)：最小值16kg,最大值20kg

煤粉加入量：55%（占膨润土加入量的百分比）

添加剂加入量：20%（占膨润土加入量的百分比）

旧砂加入量：4300kg/碾

 

表一                           实时在线检测数据表(节选)

混碾 时间	序号	给定值	度	给定值	水	测量	水量	测量	水量	测量
	循环	紧实率	旧砂	补偿后紧实率	调整	紧实率1	补加	紧实率2	补加	紧实率3
hh.mm		%	度	%	L	%	L	%	L	%
08.33	402	36	34.2	36.3	60	38.4	0	0	0	0
08.38	403	36	34.3	36.3	52	30.8	12	33.6	10	38.6
08.42	404	36	34.7	36.3	62	34.9	8	37.4	0	0
08.46	405	36	34.3	36.3	60	34.5	8	36.9	0	0
08.50	406	36	33.8	36.2	58	35.6	0	0	0	0
09.00	407	36	33	36.2	54	29.6	14	34.2	0	0
09.04	408	36	32.5	36.1	64	38.5	0	0	0	0
09.07	409	36	32.3	36.1	56	37.1	0	0	0	0
09.11	410	36	31.8	36.1	50	33.9	8	35.1	0	0
...

 

续上表

水量	测量	误差	水量	时间	给定值	测量	重量	重量	重量	重量
补加	紧实率4		全部	循环	湿压强度	湿压强度	膨润土	煤粉	添加剂	旧砂
L	%	%	L	秒	g/cm2	g/cm2	kg	kg	kg	kg
0	0	2.1	60	162	1600	1651	18.32	9.25	3.93	4306
0	0	2.3	74	268	1600	1717	18.31	9.02	3.46	4305
0	0	1.1	70	201	1600	1712	18.83	8.63	4.01	4314
0	0	0.6	68	201	1600	1734	18.32	9.33	3.96	4310
0	0	-0.6	58	172	1600	1739	18.72	8.72	4.17	4305
0	0	-2	68	240	1600	1637	18.41	9.25	3.98	4323
0	0	2.4	64	172	1600	1519	18.19	8.96	3.44	4310
0	0	1	56	171	1600	1643	18.33	8.47	4.11	4302
0	0	-1	58	210	1600	1575	18.16	9.12	4.06	4317
...

 

由于影响型砂性能或质量的因素比较多（砂温、水分、含泥量、有效膨润土、有效煤粉、旧砂的均匀性等），型砂的紧实率与水分、湿压强度与有效膨润土的含量也不是线性对应关系，加之旧砂水分偏差较大，因此，通过控制型砂的紧实率和湿压强度来精确控制型砂性能的是不容易的。为使在线检测数据更准确，实验室检测手段也还是必不可少的。将型砂在线检测数据和实验室检测数据进行比对，分析形成紧实率和湿压强度检测数据差异的原因，找出内在的联系和规律，进而对在线检测系统的设定参数进行调整，更好地发挥在线检测对型砂质量的控制作用。型砂实验室检测项目及要求参见表二，型砂实验室检验结果参见表三 。

表二                   型砂检测项目及要求（实验室检测^[5]）

名称	检验项目	检验频率	取样地点和方法	备注
型 砂	水分	1次/小时	混砂机卸料皮带口按四分法取样(指定)
	紧实率
	透气性
	湿压强度
旧 砂	有效膨润土含量	1次/天	旧砂库圆盘给料机口，间隔一定时间取10点，混合后按四分法取样(指定)
	有效煤粉含量
	灼减量
	水分
	含泥量

 

表三                         型砂实验室检测结果

类 型	砂 （碾） 号	含 泥 量 %	水 分 %	紧 实 率 %	湿压 强度 MPa	透 气 性	有效 膨润 土含 量%	有效 煤粉 含量 %	灼 减 量 %	备注
型 砂	402		3.2	31	0.205	170
	412		3.1	27	0.215	160
	423		3.0	27	0.230	175
	433		3.0	26	0.220	165
	442		3.0	27	0.225	165
	453		3.1	27	0.230	165
	462		3.0	27	0.215	160
	472		3.0	28	0.210	155
旧 砂	1#	12.39	1.8				6.60	5.34	5.50
	2#	12.31	1.2*				6.62	5.32	5.62	*含水量低

 

4.型砂在线检测的局限性及展望

型砂的紧实率和湿压强度是反映型砂造型综合性能的重要指标，但它是间接反映型砂的部分性能，不能直接反映型砂实际使用状态，因此，该在线检测数据只能近似反映型砂的性能和质量。能够直接反映型砂实际起模状态的是型砂的湿拉强度，而直接反映型砂浇注后实际受热状态的是型砂的热湿拉强度。这两项性能参数受型砂的有效膨润土含量和（绝对）含泥量的直接影响。国内外研究机构对型砂的湿拉强度、热湿拉强度也有研究，但因参数设置繁琐，操作复杂，仪器精度低，测试误差大（因测试数值小且敏感），生产应用较少，而应用于型砂在线检测的亦不多见。

有效膨润土是型砂的一项十分重要的组分，对型砂的各项性能起着决定性的作用^[4]， 型砂的湿压强度和热湿拉强度与型砂中有效膨润土的含量和型砂中无效细粉（绝对含泥量）的含量息息相关，如果能够在线检测型砂中的有效膨润土的含量和（绝对）含泥量，就可以直接掌控型砂的性能，管控型砂的质量。

随着型砂理论和型砂工艺研究的不断深入，以及自动化、数字化、智能化技术的不断发展，加之铸造科技工作者的不懈努力，可以设想，更接近实际的实用型型砂在线检测仪将会面世。因此，集成紧实率、型砂强度（湿拉强度、热湿拉强度）、砂温、含水量等技术参数，能应用生产实际的，并且控制简单、操作方便的型砂在线检测、控制技术将成为未来研究的重点。

 

5.结束语

应用在线检测技术来控制型砂的性能和质量，将成为自动化造型生产线型砂质量控制的首选项之一。适应高密度型砂造型的技术参数（推荐设定值）为：紧实率30-40%，湿压强度0.15-0.17MPa(1500-1700g/cm²),混砂时间120-180s，总混砂时间≤6分/碾。通过在线检测技术对型砂的适时控制，型砂性能和型砂质量得到进一步稳定和提高，大幅降低冲蚀、粘砂、砂眼缺陷和造型型废率，满足了自动化造型生产线对高质量型砂的需要。

集成型砂多项技术参数，方便实用的在线检测、控制技术将成为未来型砂检测领域的重点研究课题之一，其意义十分深远。

 

参考文献

[1] 谢祖锡，向青春，汤彬，等，湿型砂检测的概况及新发展[J],铸造设备研究，2000（1）：5-8.

[2] 胡彭生，型砂[M]（第二版）[M]，上海科学技术出版社，1994：134-150.

[3] 刘业金，郭安娜，陈绍华，等，湿型砂紧实率在线检测和控制[J]，铸造技术，1997（2）：6-9.

[4] 杨恢飞，朱世根，傅增明，等，型砂质量的自动检测与控制研究现状[J]，东华大学学报（自然科学版），2006（2）：130-133.

[5] 郭云，大型静压造型线型砂的质量控制[J]，铸造，2015（4）：368-371. 

作者简介：郭云（1963－），男，高级工程师，主要从事铸造。