1國內外三乙胺法冷芯盒工藝的發展應用

三乙胺法冷芯盒工藝即酚醛氨基甲酸乙酯工藝,是冷芯盒製芯工藝方法中目前應用廣泛的一種,開發於1968年。其製芯工藝過程是,在定量原砂中按工藝配比加入組分Ⅰ酚醛樹脂和組分Ⅱ聚異氰酸酯的雙組分粘結劑,在混砂機中混均勻後得到冷芯砂,利用射芯機緊實到芯盒中,再借助氣體發生器,以幹燥的壓縮空氣或氮氣等為載體將定量的霧化或汽化的三乙胺催化劑通過吹氣板吹入芯盒,將雙組分粘結劑中的羥基和異氰酸催化變成尿烷而硬化,繼而靠載體氣體清洗出芯砂中殘餘的三乙胺,得到具有一定強度、滿足工藝要求的砂芯。

冷芯盒法製芯工藝用的芯盒不需加熱,免去了芯盒熱變形,砂芯精度高,芯盒壽命長,芯盒材質可視生產批量大小等條件選用鋼、鑄鐵、鋁、塑料、木材等。冷芯盒製芯工藝化學反應迅速,固化周期短,生產效率高,砂芯發氣量較低,潰散性好,易清砂,鑄件表麵光潔,廢品率低,綜合成本低,易於組織自動化生產,經濟效益顯著。因此,在近20年的發展中,日益取代油砂法、熱芯盒法、殼芯法等傳統製芯工藝。在歐美等有些工廠采用三乙胺法冷芯盒製芯工藝生產的砂芯重量達砂芯總重量的70%以上。

為適應鑄造工藝各方麵的不同要求,特別是提高現行三乙胺法冷芯盒砂芯的熱強度,防止在澆注金屬高溫作用下,砂芯過早潰散、變形、開裂造成廢品,美國有關部門研究出高熱強度三乙胺冷芯盒工藝,將現行三乙胺法冷芯盒工藝用的粘結劑組分Ⅰ酚醛樹脂改為酚醛多元醇樹脂,其他不變。這樣,潰散時間從不到100s延遲到400s。

另一方麵,德國、美國、意大利、西班牙、日本等各國對三乙胺法冷芯盒工藝配套設備,射芯機、氣體發生器、芯砂混砂機、空氣幹燥器、砂加熱冷卻器、廢氣淨化裝置等的研究逐步深入,不斷采用新技術、新專利形成各具特色的係列化生產。例如,采用低壓射頭、無射砂筒結構,不同方式的胺和樹脂容積定量、時間定量,從而使定量精度提高,調節靈活方便,滿足了吹胺壓力特征曲線的比例閥技術、大功率加熱汽化器等。特別是在控製方麵采用PLC自由可編程序控製、屏幕顯示、生產參數調整儲存、故障診斷、砂料位檢測等,使三乙胺法冷芯盒製芯係統的生產達到完全自動化的新水平。

10幾年來,我國一些大專院校、研究所、汽車廠也開展了三乙胺法及其他方法冷芯盒工藝、材料、設備的科研探索應用開發工作。濰坊柴油機有限責任公司為滿足開拓發動機品種、擴大柴油機生產能力、提高整機質量的需要,狠抓了鑄造生產的技術改造。在引進國外設備的基礎上進行了消化吸收,並展開了現有國產熱芯機改冷芯機的工作。幾年來,應用推廣三乙胺法冷芯盒工藝技術取得了明顯的經濟效益,充分顯示了三乙胺法冷芯盒工藝的優越性,部分代替了熱芯盒製芯,絕大部分代替了合脂油製芯,縮短了生產周期,鑄件質量提高,改善了生產環境。

2三乙胺法冷芯盒技術中的一些問題探討

a.首先對需生產的砂芯要做可行性工藝分析。

根據目前我國國產三乙胺法粘結劑的性能看,尚適於生產較厚大、簡單和一般複雜的大中小砂芯,對生產形狀結構特別複雜、薄且長的聯體缸蓋水套等類砂芯有一定困難。因其幹強度及熱強度略低,易出現裂紋及潰塌,一般600e時強度急降,導致鑄件出現毛刺缺陷。目前,美國等國家正研究高熱強度三乙胺法冷芯盒,它將組分Ñ酚醛樹脂改為酚醛多元醇樹脂,其大比例的甲基氫氧化物團在室溫時為一層保護團所覆蓋,不能與異氰酸鹽起反應,但是一經升溫,即形成交聯鍵,從而提高了熱強度,使落砂潰散時間從不足100s推遲到400s。這種高熱強度三乙胺法可擴大原三乙胺法的應用範圍。目前,國內所用的常州產酚醛樹脂組分C1-Ñ-308在潮濕地區和多雨季節使用時應慎重。現在,常州已用抗濕性樹脂C1-Ñ-903代替C1-Ñ-308使用,但價格略有增加。

b.按工藝要求選擇冷芯機的機型,滿足射砂及固化重量、砂芯輪廓尺寸、開模方式、開模數、頂芯及取芯方式、生產率等基本要求。

有小行程開模缸(抽活塊)時,可考慮設在芯盒結構上。通常,應該一次射砂達射砂重量,在個別情況下,砂芯重量超過射砂量可以采用二次加砂、二次射砂,但吹胺清洗應該盡量一次完成。當冷芯機為水平分型、下模前出且是下頂芯方式時,要注意下頂芯有足夠高度,使砂芯低點高出下模麵,否則會造成吊搬、取芯不便。更換芯盒應方便快捷,射砂筒、射頭、射砂板等易於拆卸和清理餘砂。

c.氣體發生器是冷芯機的重要組成部分,對提高製芯水平及砂芯質量、減少三乙胺耗量具有關鍵作用。特別在冬季要保證在足夠的加熱汽化功率。

吹胺管路要短,好管路保溫,否則會造成汽化的三乙胺凝聚,增加消耗量。三乙胺的定量應準確、易調整。在引進的氣體發生器中Laempe公司的氣體發生器采用吹胺清洗壓力特征曲線的比例閥技術、薄膜泵計次定量、計算機控製,壓力、時間等生產參數的設置、調整、存儲方便,使用效果良好。其他公司的氣體發生器,胺定量有的采用齒輪泵,計時間定量;有的采用雙活塞容積定量或采用單活塞波紋管容積定量。在目前的生產應用中,由於進行芯盒的設計製造,射芯機及氣體發生器結構因素、生產使用等各方麵的原因造成較嚴重的、不合理的三乙胺過量消耗。三乙胺每噸約24000元,不但使成本上升,而且汙染生產環境,所以要充分重視提高三乙胺的利用率。

d.混砂機應采用葉片式球形或圓柱形,易清理。

雙組分樹脂應定量準確、供給方便。樹脂是否加熱應視冬季生產環境溫度決定,室溫不低於10e時可不用加熱;若低於10e,日耗樹脂箱應加熱保溫(可用國產附溫控製器電熱帶纏繞,外加保溫層)。混砂機好布置在冷芯機上部平台上,可以單元布置(1台冷芯機配1台專用混砂機),也可以係統布置(多台冷芯機配1台混砂機,在平台上設送砂車送冷芯砂)。要注意減少運輸中或在儲鬥中冷芯砂溶劑揮發,特別是夏季高溫季節,溶劑揮發多會造成可使用時間過度縮短,冷芯砂性能不良。盡量不要采用皮帶機長距離運送冷芯砂,因為芯砂坦露麵積大,會導致溶劑大量揮發。

e.原砂可用溫度範圍要求在10~41。

砂溫偏低時,可多混一點時間;砂溫過高  ) 16) 汽車工藝與材料 會造成冷芯砂可使用時間縮短,影響製芯質量。為此,在混砂前采用砂加熱冷卻器,使原砂保持較小溫度波動,但投資多、耗能高、管理困難。折衷的辦法是將原砂日耗庫放在廠房內,為降低廠房高度,日耗庫可放在車間地麵上,采用壓送裝置將原砂送至混砂機上方小砂鬥內。

f.冷芯盒工裝設計水平、製造質量是生產合格砂芯的基本環節。

有的冷芯機安裝調試後長期不能投產,這主要是芯盒在設計或製造時出現問題不能及時解決所致。冷芯盒工裝設計與熱芯盒工裝設計相比較,在射砂緊實、頂芯、射砂孔和排氣塞的位置數量等方麵有許多共同之處。但冷芯盒工藝的吹胺、清洗卻有特殊的要求,有的冷芯盒射砂後緊實度、輪廓形狀都無問題,但吹胺清洗後出現局部不固化、下沉變形等問題,而局部不固化的地方就是吹胺未到的地方,可視局部不固化的位置、大小檢查芯盒密封。冷芯盒砂芯下沉、變形主要是射砂壓力偏低,緊實度不足及吹胺初始壓力過高所致,提高射砂壓力,降低吹胺初始壓力即可。實踐表明,不斷改進芯盒的結構、密封、進排氣位置、比率、吹胺工藝參數,使三乙胺的消耗降到很低,才能生產出合格的砂芯。

g.在國產兩工位熱芯機改冷芯機時,為發揮原有兩個工位的作用,應該在射砂工位增加吹氣板進出吹胺裝置。

要注意兩個工位的不同芯盒射砂重量應接近,以便統一吹胺參數。否則,兩個工位同時生產就會造成胺的浪費,增加汙染。此外,要考慮采用更加複雜的兩個工位各自使用吹胺參數的氣體發生器。因在射砂工位增加了吹氣板進出高度,故需在射砂板下麵與芯盒上平麵間有足夠的空間及頂升壓緊缸有相應的上升行程。

h.目前三乙胺法冷芯盒製芯技術應用 中的一個問題是如何有效地收集、處理、淨化通過芯盒排出的三乙胺殘氣。

三乙胺是一種有腐蝕性、易燃的堿性液體,液體三乙胺能損傷皮膚及眼睛,其蒸汽亦刺激眼睛及呼吸係統,有強烈氨氣臭味,其密度比空氣大,工作環境排放濃度規定為2.5@10-5。全封閉型冷芯機能較好地收集三乙胺廢氣而減少擴散,如HottingerLoramendi冷芯機,但封閉室空間較大,需較大的排風量,而且維修、清掃不太方便。有的冷芯機為頂部敞開的半封閉室(如Laempe冷芯機)。有的冷芯機全敞開,必須設排風罩。也有的芯盒要求全密封排氣,使芯盒結構複雜,帶著排氣管運動,裝卸也不方便。另外,砂芯取出後仍會有或多或少的殘餘三乙胺廢氣逸散,汙染工作環境。實際生產中,常常發生因各種原因造成三乙胺廢氣收集不良,致使廢氣淨化處理裝置起不到有效發揮。

i.為進一步提高冷芯盒製芯的工藝水平,更好地解決環境汙染問題,國外近幾年來研究開發了酚醛樹脂/酯法(Betaset法)冷芯盒工藝。

該工藝采用水溶性堿性甲階酚醛樹脂為粘結劑,以揮發性酯類(甲酸甲酯)蒸汽為催化劑,隻需少量壓縮空氣清洗多餘的甲酸甲脂,其允許極限濃度為1@10-4,在冷芯機生產現場周圍幾乎聞不到氣味。經壓縮空氣清洗稀釋後可直接排放,不需淨化處理。同時,其芯砂使用時間較長,對水分不敏感,能減少鑄件飛翅、熱裂、變形缺陷。

綜上所述,我國應加快酚醛樹脂/酯法冷芯盒工藝的研究開發,進行必須的技術專利、設備的引進及原材料的生產,為應用推廣創造條件。三乙胺法現用的氣體發生器略加改造就可用於酚醛樹脂/酯法,不會給工藝轉換造成困難。