三乙胺冷芯盒精準工藝設計

郭建榮

（上柴動力海安有限公司，海安226600）

0 引言

三乙胺冷芯盒工藝自上世紀未在我國開始應用以來，已歷經(jīng)近20年的發(fā)展。不論是冷芯盒樹脂及配套原材料，還是其應用工藝及工廠設計都取得了長足的進步，目前巳成為汽車、內(nèi)燃機和拖拉機零件等中高端鑄件制芯和造型的首推工藝，每年呈較快增長的態(tài)勢。筆者所在公司是國內(nèi)最早應用冷芯盒工藝進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)鑄件的鑄造公司，早在1998年，就開始用三乙胺冷芯盒制芯工藝生產(chǎn)中等馬力柴油機零件所需的所有型芯。在20年的實踐過程中，沉淀了不少經(jīng)驗與教訓，現(xiàn)對工藝和工廠設計的有關情況進行總結，拋磚引玉，與同行進行交流。

1 三乙胺冷芯盒制芯工藝的特性

三乙胺冷芯盒制芯工藝是在室溫條件下，用原砂與一定比例的酚醛樹脂 （以下稱為Ⅰ組份樹脂）和一定比例的聚異氰酸酯樹脂 （以下稱為Ⅱ組份樹脂）混合而成的混合料，然后通過吹的方式進入芯盒，并在數(shù)秒內(nèi)就硬化成型的一種制芯工藝，具有精度高、效率高的先進工藝特性[1]。

Ⅰ組份和Ⅱ組份樹脂一旦混合后，即會發(fā)生聚合化學反應。在胺、鐵、鈣、鎂等堿性化合物的催化作用下，反應速率加快?；旌狭峡墒褂玫臅r間取決于催化劑的種類、濃度、溫度，混合料隨以上參數(shù)的變化和相互作用，流動性會降低，可吹性會變差。因此，芯盒、物流等工藝設計須與之匹配。

Ⅰ組份和Ⅱ組份樹脂聚合反應過程存在前期固化和后期固化。前期在催化劑作用下快速固化形成的初始強度僅占整個最終強度的50%～75%，還有25%～50%的強度須在后期形成[2]。為保證已成形的型芯不被破壞和順利形成最終強度，須對涂料涂裝機、烘干爐、倉儲設施等進行正確選用與設計。

Ⅱ組份聚異氰酸酯中的-N=C=O基團在堿性或微堿性環(huán)境中容易水解，放出CO2生成胺化合物，反應活性受濃度、溫度、催化劑的影響。水分濃度和反應溫度增加可使水解反應速率增大。三乙胺在催化羥甲基與-N=C=O基團反應的同時，也使-N=C=O基團的水解反應加速。在無三乙胺的條件下水解相對速率為1.1，在吹三乙胺以后，水解相對速率則提高到47。因此，整個工藝設計和工廠設計過程中須對水分的影響有嚴格的防范措施。

2 芯盒設計概要

正確設計射砂嘴尺寸、數(shù)量和位置是冷芯盒制芯成敗的首要問題。實踐經(jīng)驗表明，熱芯盒、殼芯中的射砂嘴不能用于冷芯盒[3]。因為在熱芯盒設計中，通常采用較小的射嘴，較高的壓力使混合料高速流動；而在冷芯盒制芯工藝中，如選用小射口射砂嘴，高壓不僅會使冷芯盒樹脂與原砂分離而飛濺在芯盒表面上，難以清理，降低生產(chǎn)力，而且射嘴容易堵塞，造成砂芯局部射不實。為此，射嘴口徑要大，降低射砂壓力，以提高砂芯表面質量。

2.1 水平分型芯盒射砂嘴

冷芯盒水平分型芯盒射砂嘴通常有金屬制件（大多鋼件）、非金屬制件 （尼龍、塑料、硬橡膠等）、金屬與非金屬組合制件等3種。為便于維護保養(yǎng)，設計選用時，通常推薦上部采用法蘭與射砂板連接，射嘴用尼龍、塑料或硬橡膠制作，做成標準通用型，與鋼制射砂管緊配，使用或調(diào)換時套上即可，方便省時。另外，由于非金屬射砂嘴對混合料的阻力稍大于金屬射砂管，射砂嘴內(nèi)徑可等于混合料安息角的數(shù)值，便于充型。如安息角為10°，則射砂嘴內(nèi)徑為10 mm。為此，質量小于10 kg砂芯的射砂嘴內(nèi)徑不小于Φ15 mm，大于10 kg砂芯的射砂嘴內(nèi)徑為Φ15～25 mm。安息角即止休角，其含義是：使置于其上的物體開始下滑的臨界狀態(tài)的斜面與水平面所成的最小角度。

2.2 射砂嘴位置設計

射砂嘴安裝位置往往取決于設計經(jīng)驗和冷芯盒混合料的流動性。其通用原則是：射砂嘴最好設置在芯腔的最大斷面、大平面或芯頭上方，盡量不要選在傾斜面上；射砂嘴最好正對芯盒的深凹處，使砂粒與芯盒的碰撞降低到最小限度，減少芯盒的磨損和便于清理粘在芯盒上的樹脂砂；射砂嘴最好不要正對頂芯桿孔，排氣塞最好交錯排列；射砂嘴彼此間最好不要靠得太近，如距離太小，易造成砂流紊亂，砂芯不易射實，各射嘴之間應保持50～100 mm的距離。

2.3 射砂總面積設計

射嘴內(nèi)徑截面積之和稱為射砂總面積。射砂總面積與射芯機射砂結構，砂芯復雜程度，混合料的流動性，排氣位置及其大小密切相關。例如，厚大的簡單砂芯，每公斤混合料約需2.5～3.5 cm3的射砂面積；而網(wǎng)狀或細長砂芯，每公斤混合料約需4.0～5.0 cm3的射砂面積。實踐經(jīng)驗表明，射砂面積大，射砂壓力可低一些，以降低粘?，F(xiàn)象。

2.4 排氣系統(tǒng)設計

合理的排氣是冷芯制芯成敗的又一關鍵問題。因為排氣塞的類型、尺寸、放置方式和數(shù)量對射砂能力、砂芯質量和三乙胺耗量都有較大的影響。

排氣塞有縫隙式、網(wǎng)狀式、溝槽式金屬排氣塞等3種類型。排氣塞的選擇主要決定于砂芯上的放置位置，鑄件表面所要求的粗糙度和允許的進、排氣區(qū)域大小。溝槽式排氣塞排氣面積小，但清理方便；網(wǎng)狀式排氣塞排氣面積最大，往往優(yōu)先選用，但因其在砂芯上會留下痕跡，從而在最終鑄件上也會留下痕跡而不能適用于任何位置，但薄片篩網(wǎng)狀式排氣塞具有中等開口面積，適用位置也可以折衷選擇。

排氣位置、面積，即排氣塞位置和數(shù)量的設計，總體遵循的原則是：排氣塞應盡量設置在射砂過程中氣體易于排出的位置，在型腔中建立足夠的背壓，使催化劑分布均勻，進而使得反應均勻平穩(wěn)，這樣上模的總進氣面積與下模的總排氣面積就必須保持一定的比例關系。通?？偱艢饷娣e為總進氣面積的70%，當然還與砂芯的尺寸、形狀、透氣性以及樹脂種類有很大的關系。實際中需要做許多優(yōu)化試驗，對排氣塞的位置進行調(diào)整，以優(yōu)化催化劑的用量和將循環(huán)時間縮至最短。

2.5 芯盒密封設計

密封性是冷芯盒設計中的重中之重。如密封不好，不僅三乙胺用量增多，制芯周期加長，砂芯強度下降或硬化不良，而且還會污染環(huán)境，危及操作人員的身體健康。

冷芯盒的密封性除了取決于機加工精度以外，還主要取決于密封條的材料和形狀。通常選用耐堿氯丁橡膠，做成凸形條狀，凸形上端須發(fā)泡，下端不能發(fā)泡，凸形上端在壓縮解除后復原性要好。檢驗方法：剪小段密封條放在密封的三乙胺中，72 h不變硬、不發(fā)脆為合格。

密封條安裝位置一要易于檢查，二要便于清理。水平分型的芯盒宜安裝在上芯盒，垂直分型的芯盒通常安裝在靜盒中。在吹氣板與芯盒之間，密封條通常安裝在吹氣板上，而芯盒與蓋板之間，密封條一般安裝在蓋板上。密封條安裝槽大都設計成燕尾槽狀，可有效防止密封條脫落。

3 工廠設計概要

3.1 物流設計

3.1.1 樹脂密封存儲和輸送

眾所周知，空氣中含有氧氣和水分，特別是長江以南地區(qū)，在梅雨季節(jié)，大氣濕度呈飽和狀態(tài)。在這種氣候條件下，如果冷芯盒樹脂在儲存、輸送過程中敞開不密封，樹脂在被氧化的同時，Ⅱ組份樹脂還將發(fā)生水解反應，放出CO2生成胺化合物，其反應活性受水分濃度、溫度和時間的影響。隨著水分濃度和反應溫度增加，水解反應速率增大，致使冷芯盒樹脂技術性能大幅下降。為此，倉儲樹脂時應注意密封，應采用密封輸送方式泵入日耗罐和定量罐，避免樹脂與大氣直接接觸，以防其氧化和水解。

3.1.2 胺氣管路設計 “三要”原則

胺氣管路設計應遵循 “三要”原則，即口徑要大，彎頭要少，長度要短。管路需要纏電磁震蕩電熱絲，電熱絲外再加保溫材料，這樣可以防止胺氣冷凝成液態(tài)。若管徑太小，管路太長都會延長硬化時間。胺氣管管徑通常按砂芯質量大小選取。

砂芯質量≤10 kg，最小管徑Φ25 mm；砂芯10～25 kg，最小管徑Φ32 mm；砂芯25～50 kg，最小管徑Φ40 mm；砂芯＞50 kg，最小管徑Φ50 mm。

3.1.3 不宜用壓縮空氣輸送烘干原砂

三乙胺冷芯盒所用原砂，對水分有嚴格要求。有個別工廠設計方案，采用普通壓縮空氣輸送烘干原砂，而壓縮空氣又沒有要求充分干燥。在輸送過程中，壓縮空氣中的水汽向干燥原砂傳遞，使原砂水分增加，對砂芯強度勢必造成嚴重的負面影響。如位于高濕地區(qū)情況可能更為嚴重。如果必須采用氣壓輸送烘干原砂，那壓縮空氣露點必須保持在-15℃左右。

此外，三乙胺冷芯盒所用原砂，對粒度分布亦有嚴格要求。如采用壓縮空氣輸送，尤其是采用壓力較高的壓縮空氣輸送，往往會使原砂顆粒破碎和粒度偏析，級配嚴重偏離工藝要求，對砂芯質量穩(wěn)定性勢必積蓄負能量。如果必須采用壓縮空氣輸送烘干原砂，應優(yōu)先采用低壓壓縮空氣。

壓縮空氣輸送的終端應有可靠的除塵設施，防止粉塵污染。

3.2 射芯機的選配與設計

3.2.1 射砂壓力

射芯機選配和設計時，射砂壓力一般選擇低于0.30 MPa；對于復雜砂芯，射砂壓力為0.25～0.30 MPa，一般砂芯為0.15～0.2 MPa。低壓射砂有如下的優(yōu)點：1）工裝磨損少，射頭、射板、射砂管、芯盒的磨損小，制芯設備和工裝的使用壽命長，而且粘?，F(xiàn)象大為減少；2）氣砂比小，射砂用的氣幾乎沒有進入芯盒，而是在膨脹做功后經(jīng)過濾后排入大氣，這樣射砂面積大，砂芯密度高；3）結構簡單，易清理，易維修。

3.2.2 吹氣溫度

吹氣溫度包括吹胺和吹氣溫度。吹氣溫度的高低和恒定，對液胺汽化和液胺用量起著決定性的影響。由于三乙胺具有易燃易爆的化學特性，為簡化結構、保證安全，大多數(shù)胺氣發(fā)生器用胺加載氣，通過加熱器的方式來加溫，溫度一般低于80℃，且波動大，造成胺未完全霧化，胺耗量增加，固化速度下降。因此，在選配和設計胺氣發(fā)生器時，最好選用預置加熱法，將吹胺和吹氣溫度高于100℃作為重要的工藝條件。

3.2.3 脫模劑噴霧壓力

噴脫模劑是預防粘模，保證砂芯質量，提高生產(chǎn)力的重要工藝措施。有些射芯機由于配置的噴槍噴嘴直徑大而壓力低，脫模劑呈雨滴狀，積存在芯盒表面凹陷處，脫模劑在未能完全揮發(fā)的情況下，就開始制芯，導致砂芯表面殘留過量的脫模劑，使砂芯強度變差。脫模劑不但沒有起到預防粘模的作用，而且還使砂芯表面質量下降。根據(jù)試驗結果，脫模劑噴霧壓力應大于1.0 MPa，噴槍壓力應大于1.0 MPa。這樣脫模劑耗量可減少1/2，且可收到事半功倍的效果。

3.2.4 設置工藝參數(shù)調(diào)整密碼

優(yōu)化的冷芯盒制芯工藝參數(shù)是獲得高質量砂芯的可靠保證。為遵守工藝紀律，保持制芯工藝參數(shù)的連續(xù)性和可靠性，應防止操作人員隨意改變。例如，為盡快完成產(chǎn)量指標，加大胺量，縮短吹氣時間，導致砂芯吹氣口都呈白色，胺味嚴重，局部沒固化等問題，尤其在夜班，更容易出現(xiàn)這種情況。因此，必須設置工藝參數(shù)調(diào)整密碼，只有技術主管才能調(diào)整工藝參數(shù)，操作人有建議權，無修改權。

3.3 壓縮空氣干燥機的選配與設計

壓縮空氣干燥裝置根據(jù)砂芯種類、厚薄、復雜程度選配。僅做簡單厚實砂芯時，可選用冷凍式干燥機，如兼做薄壁復雜砂芯應選無熱再生干燥機。如空氣壓縮機是采用潤滑油進行潤滑，則還應增配除油、去水裝置，如空氣壓縮機是無油潤滑，除油裝置可省去。

選配壓縮空氣干燥機時要注意，干燥機應能保證壓縮空氣總量在干燥后仍足夠滿足使用要求，且壓降應小于0.02 MPa；露點低于-15℃，無熱再生式應低于-45℃。

3.4 三乙胺尾氣處理裝置的選配與設計

在三乙胺冷芯盒制芯工藝中，三乙胺是催化劑，它并不參與反應，通常將三乙胺連同排氣和清洗氣體稱為三乙胺尾氣。在設計三乙胺尾氣處理風量時，最好將處理風量設計成三乙胺尾氣量的3倍或3倍以上。連接管路要少彎頭和T型接頭，并與芯盒排氣室直接相連，其負壓不超過-0.007 MPa。若負壓太高，樹脂容易堵塞排氣塞，胺氣和凈化氣體在砂芯中會產(chǎn)生短路或旁路，造成砂芯局部不固化。

三乙胺尾氣有毒，呈堿性，需經(jīng)處理方能排入大氣。其處理裝置利用酸堿中和原理，尾氣從下往上，酸霧從上向下噴淋，中間設置數(shù)層阻尼，并利用多孔塑料球，增加酸堿接觸面積，使尾氣到達頂部時，三乙胺濃度小于25E-4%，達標排放要求。

選配三乙胺尾氣處理裝置時，應注意尾氣處理前首先應沉降砂粒，處理風量要足夠，酸霧PH值要自動安全可靠，確保符合排放要求。

4 結論

三乙胺冷芯盒制芯工藝為制造高質量鑄件提供了技術手段。由于三乙胺冷芯盒特點，即冷芯Ⅰ組份和Ⅱ組份樹脂一旦混合，即會發(fā)生聚合化學反應，Ⅱ組份聚異氰酸酯中-N=C=O基團遇水容易水解，因此，芯盒設計、工藝設計、物流設計等必須充分考慮其特殊性，須與之匹配。

本文所給出的一些實用參數(shù)，是長期工作積累的，是經(jīng)過試驗驗證的，具有普遍的參考價值，但在具體應用中還需要根據(jù)砂芯的結構、當?shù)氐臍夂驐l件及工廠實際情況進行適當調(diào)整。