1国内外三乙胺法冷芯盒工艺的发展应用

三乙胺法冷芯盒工艺即酚醛氨基甲酸乙酯工艺,是冷芯盒制芯工艺方法中目前应用广泛的一种,开发于1968年。其制芯工艺过程是,在定量原砂中按工艺配比加入组分Ⅰ酚醛树脂和组分Ⅱ聚异氰酸酯的双组分粘结剂,在混砂机中混均匀后得到冷芯砂,利用射芯机紧实到芯盒中,再借助气体发生器,以干燥的压缩空气或氮气等为载体将定量的雾化或汽化的三乙胺催化剂通过吹气板吹入芯盒,将双组分粘结剂中的羟基和异氰酸催化变成尿烷而硬化,继而靠载体气体清洗出芯砂中残余的三乙胺,得到具有一定强度、满足工艺要求的砂芯。

冷芯盒法制芯工艺用的芯盒不需加热,免去了芯盒热变形,砂芯精度高,芯盒寿命长,芯盒材质可视生产批量大小等条件选用钢、铸铁、铝、塑料、木材等。冷芯盒制芯工艺化学反应迅速,固化周期短,生产效率高,砂芯发气量较低,溃散性好,易清砂,铸件表面光洁,废品率低,综合成本低,易于组织自动化生产,经济效益显著。因此,在近20年的发展中,日益取代油砂法、热芯盒法、壳芯法等传统制芯工艺。在欧美等有些工厂采用三乙胺法冷芯盒制芯工艺生产的砂芯重量达砂芯总重量的70%以上。

为适应铸造工艺各方面的不同要求,特别是提高现行三乙胺法冷芯盒砂芯的热强度,防止在浇注金属高温作用下,砂芯过早溃散、变形、开裂造成废品,美国有关部门研究出高热强度三乙胺冷芯盒工艺,将现行三乙胺法冷芯盒工艺用的粘结剂组分Ⅰ酚醛树脂改为酚醛多元醇树脂,其他不变。这样,溃散时间从不到100s延迟到400s。

另一方面,德国、美国、意大利、西班牙、日本等各国对三乙胺法冷芯盒工艺配套设备,射芯机、气体发生器、芯砂混砂机、空气干燥器、砂加热冷却器、废气净化装置等的研究逐步深入,不断采用新技术、新专利形成各具特色的系列化生产。例如,采用低压射头、无射砂筒结构,不同方式的胺和树脂容积定量、时间定量,从而使定量精度提高,调节灵活方便,满足了吹胺压力特征曲线的比例阀技术、大功率加热汽化器等。特别是在控制方面采用PLC自由可编程序控制、屏幕显示、生产参数调整储存、故障诊断、砂料位检测等,使三乙胺法冷芯盒制芯系统的生产达到完全自动化的新水平。

10几年来,我国一些大专院校、研究所、汽车厂也开展了三乙胺法及其他方法冷芯盒工艺、材料、设备的科研探索应用开发工作。潍坊柴油机有限责任公司为满足开拓发动机品种、扩大柴油机生产能力、提高整机质量的需要,狠抓了铸造生产的技术改造。在引进国外设备的基础上进行了消化吸收,并展开了现有国产热芯机改冷芯机的工作。几年来,应用推广三乙胺法冷芯盒工艺技术取得了明显的经济效益,充分显示了三乙胺法冷芯盒工艺的优越性,部分代替了热芯盒制芯,绝大部分代替了合脂油制芯,缩短了生产周期,铸件质量提高,改善了生产环境。

2三乙胺法冷芯盒技术中的一些问题探讨

a.首先对需生产的砂芯要做可行性工艺分析。

根据目前我国国产三乙胺法粘结剂的性能看,尚适于生产较厚大、简单和一般复杂的大中小砂芯,对生产形状结构特别复杂、薄且长的联体缸盖水套等类砂芯有一定困难。因其干强度及热强度略低,易出现裂纹及溃塌,一般600e时强度急降,导致铸件出现毛刺缺陷。目前,美国等国家正研究高热强度三乙胺法冷芯盒,它将组分Ñ酚醛树脂改为酚醛多元醇树脂,其大比例的甲基氢氧化物团在室温时为一层保护团所覆盖,不能与异氰酸盐起反应,但是一经升温,即形成交联键,从而提高了热强度,使落砂溃散时间从不足100s推迟到400s。这种高热强度三乙胺法可扩大原三乙胺法的应用范围。目前,国内所用的常州产酚醛树脂组分C1-Ñ-308在潮湿地区和多雨季节使用时应慎重。现在,常州已用抗湿性树脂C1-Ñ-903代替C1-Ñ-308使用,但价格略有增加。

b.按工艺要求选择冷芯机的机型,满足射砂及固化重量、砂芯轮廓尺寸、开模方式、开模数、顶芯及取芯方式、生产率等基本要求。

有小行程开模缸(抽活块)时,可考虑设在芯盒结构上。通常,应该一次射砂达射砂重量,在个别情况下,砂芯重量超过射砂量可以采用二次加砂、二次射砂,但吹胺清洗应该尽量一次完成。当冷芯机为水平分型、下模前出且是下顶芯方式时,要注意下顶芯有足够高度,使砂芯低点高出下模面,否则会造成吊搬、取芯不便。更换芯盒应方便快捷,射砂筒、射头、射砂板等易于拆卸和清理余砂。

c.气体发生器是冷芯机的重要组成部分,对提高制芯水平及砂芯质量、减少三乙胺耗量具有关键作用。特别在冬季要保证在足够的加热汽化功率。

吹胺管路要短,好管路保温,否则会造成汽化的三乙胺凝聚,增加消耗量。三乙胺的定量应准确、易调整。在引进的气体发生器中Laempe公司的气体发生器采用吹胺清洗压力特征曲线的比例阀技术、薄膜泵计次定量、计算机控制,压力、时间等生产参数的设置、调整、存储方便,使用效果良好。其他公司的气体发生器,胺定量有的采用齿轮泵,计时间定量;有的采用双活塞容积定量或采用单活塞波纹管容积定量。在目前的生产应用中,由于进行芯盒的设计制造,射芯机及气体发生器结构因素、生产使用等各方面的原因造成较严重的、不合理的三乙胺过量消耗。三乙胺每吨约24000元,不但使成本上升,而且污染生产环境,所以要充分重视提高三乙胺的利用率。

d.混砂机应采用叶片式球形或圆柱形,易清理。

双组分树脂应定量准确、供给方便。树脂是否加热应视冬季生产环境温度决定,室温不低于10e时可不用加热;若低于10e,日耗树脂箱应加热保温(可用国产附温控制器电热带缠绕,外加保温层)。混砂机好布置在冷芯机上部平台上,可以单元布置(1台冷芯机配1台专用混砂机),也可以系统布置(多台冷芯机配1台混砂机,在平台上设送砂车送冷芯砂)。要注意减少运输中或在储斗中冷芯砂溶剂挥发,特别是夏季高温季节,溶剂挥发多会造成可使用时间过度缩短,冷芯砂性能不良。尽量不要采用皮带机长距离运送冷芯砂,因为芯砂坦露面积大,会导致溶剂大量挥发。

e.原砂可用温度范围要求在10~41。

砂温偏低时,可多混一点时间;砂温过高  ) 16) 汽车工艺与材料 会造成冷芯砂可使用时间缩短,影响制芯质量。为此,在混砂前采用砂加热冷却器,使原砂保持较小温度波动,但投资多、耗能高、管理困难。折衷的办法是将原砂日耗库放在厂房内,为降低厂房高度,日耗库可放在车间地面上,采用压送装置将原砂送至混砂机上方小砂斗内。

f.冷芯盒工装设计水平、制造质量是生产合格砂芯的基本环节。

有的冷芯机安装调试后长期不能投产,这主要是芯盒在设计或制造时出现问题不能及时解决所致。冷芯盒工装设计与热芯盒工装设计相比较,在射砂紧实、顶芯、射砂孔和排气塞的位置数量等方面有许多共同之处。但冷芯盒工艺的吹胺、清洗却有特殊的要求,有的冷芯盒射砂后紧实度、轮廓形状都无问题,但吹胺清洗后出现局部不固化、下沉变形等问题,而局部不固化的地方就是吹胺未到的地方,可视局部不固化的位置、大小检查芯盒密封。冷芯盒砂芯下沉、变形主要是射砂压力偏低,紧实度不足及吹胺初始压力过高所致,提高射砂压力,降低吹胺初始压力即可。实践表明,不断改进芯盒的结构、密封、进排气位置、比率、吹胺工艺参数,使三乙胺的消耗降到很低,才能生产出合格的砂芯。

g.在国产两工位热芯机改冷芯机时,为发挥原有两个工位的作用,应该在射砂工位增加吹气板进出吹胺装置。

要注意两个工位的不同芯盒射砂重量应接近,以便统一吹胺参数。否则,两个工位同时生产就会造成胺的浪费,增加污染。此外,要考虑采用更加复杂的两个工位各自使用吹胺参数的气体发生器。因在射砂工位增加了吹气板进出高度,故需在射砂板下面与芯盒上平面间有足够的空间及顶升压紧缸有相应的上升行程。

h.目前三乙胺法冷芯盒制芯技术应用 中的一个问题是如何有效地收集、处理、净化通过芯盒排出的三乙胺残气。

三乙胺是一种有腐蚀性、易燃的碱性液体,液体三乙胺能损伤皮肤及眼睛,其蒸汽亦刺激眼睛及呼吸系统,有强烈氨气臭味,其密度比空气大,工作环境排放浓度规定为2.5@10-5。全封闭型冷芯机能较好地收集三乙胺废气而减少扩散,如HottingerLoramendi冷芯机,但封闭室空间较大,需较大的排风量,而且维修、清扫不太方便。有的冷芯机为顶部敞开的半封闭室(如Laempe冷芯机)。有的冷芯机全敞开,必须设排风罩。也有的芯盒要求全密封排气,使芯盒结构复杂,带着排气管运动,装卸也不方便。另外,砂芯取出后仍会有或多或少的残余三乙胺废气逸散,污染工作环境。实际生产中,常常发生因各种原因造成三乙胺废气收集不良,致使废气净化处理装置起不到有效发挥。

i.为进一步提高冷芯盒制芯的工艺水平,更好地解决环境污染问题,国外近几年来研究开发了酚醛树脂/酯法(Betaset法)冷芯盒工艺。

该工艺采用水溶性碱性甲阶酚醛树脂为粘结剂,以挥发性酯类(甲酸甲酯)蒸汽为催化剂,只需少量压缩空气清洗多余的甲酸甲脂,其允许极限浓度为1@10-4,在冷芯机生产现场周围几乎闻不到气味。经压缩空气清洗稀释后可直接排放,不需净化处理。同时,其芯砂使用时间较长,对水分不敏感,能减少铸件飞翅、热裂、变形缺陷。

综上所述,我国应加快酚醛树脂/酯法冷芯盒工艺的研究开发,进行必须的技术专利、设备的引进及原材料的生产,为应用推广创造条件。三乙胺法现用的气体发生器略加改造就可用于酚醛树脂/酯法,不会给工艺转换造成困难。