氣動模具在爐具耐火材料澆筑中的應(yīng)用

馬軍民，王國棟，韓建設(shè)，姜 凱

(兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500)

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國模具制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》顯示：我國現(xiàn)有的75%的粗加工工業(yè)產(chǎn)品零件、50%的精加工零件由模具成型，絕大部分塑料制品也由模具成型。作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)行業(yè)，模具涉及機械、汽車、輕工、電子、化工、冶金、建材等各個行業(yè)，應(yīng)用范圍十分廣泛。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，歐洲模具設(shè)計和生產(chǎn)的時間分別比我國快44%和61%，因此，我國的模具發(fā)展還有很大的提升空間。一種設(shè)計合理、使用便捷的模具能夠較大地提升生產(chǎn)效率[1-4]。

爐具是滿足我國農(nóng)村和小城鎮(zhèn)冬季分散取暖的主要設(shè)備，低效采暖爐具的使用及原煤散燒已成為導(dǎo)致冬季霧霾加重的重要原因之一[5-6]。兗煤藍天清潔能源有限公司生產(chǎn)的環(huán)保爐具是在中科院發(fā)明的解耦燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的一款節(jié)能環(huán)保爐具，環(huán)保指標優(yōu)異，實現(xiàn)了煙煤的無煙燃燒。傳統(tǒng)爐具一般只設(shè)計有一個腔室，而環(huán)保爐具設(shè)計了熱解區(qū)、高溫燃盡區(qū)和換熱區(qū)三部分，這也給爐具耐火材料涂覆，尤其是自動化涂覆工藝帶來較大困難。高質(zhì)量的環(huán)保爐具內(nèi)部耐火材料的澆筑，是保障爐具長周期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。 本文提出了一種實現(xiàn)較復(fù)雜爐具腔體耐火材料自動涂覆的氣動模具，該氣動模具設(shè)計調(diào)試的成功，為公司流水生產(chǎn)取暖爐具提供了技術(shù)支持。

1 氣動模具的研發(fā)

1.1 取暖爐具結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)市場調(diào)研，2017年我國注冊爐具生產(chǎn)企業(yè)約8 000家，年產(chǎn)各類采暖爐具約1 300萬臺。其中，80%以上企業(yè)主要生產(chǎn)燃煤爐具，普遍存在企業(yè)規(guī)模小，產(chǎn)品研發(fā)滯后，工藝簡單等問題。并且傳統(tǒng)的取暖爐具多為一個燃燒腔室，大多采用手工涂泥或使用成型預(yù)制件套裝到爐體內(nèi)。由于兗煤藍天清潔能源有限公司設(shè)計的取暖爐具優(yōu)于以往的爐具結(jié)構(gòu)，具有三個獨立的燃燒腔室，這就要求采用的耐火材料隔離形態(tài)也是非標準結(jié)構(gòu)。通過模擬仿真和實體拆解，將取暖爐具進行工藝分割成爐體和底座，這兩部分分別澆筑耐火材料再合焊到一起形成完整的取暖爐具[7-9]。

分解的爐具爐體每個腔室都是異形的結(jié)構(gòu)，如果采用預(yù)制件套裝的形式，首先這種異形結(jié)構(gòu)預(yù)制件生產(chǎn)存在困難，其次預(yù)制件之間的連接縫需要二次澆筑，長時間在高溫下炙烤容易脫落。因此采用預(yù)制件套裝的方式不可取。環(huán)保爐具耐火腔室與異形預(yù)制件分別如圖1和圖2所示。

圖1 爐體耐火腔室結(jié)構(gòu)

圖2 異形預(yù)制件

根據(jù)特殊腔室的形式，通過大量的試驗設(shè)計了異形結(jié)構(gòu)的模具，配合占總澆筑料比重不到10%的異形預(yù)制件，完成爐具的澆筑。這樣成型后耐火澆筑料能夠形成一個整體，在高溫炙烤下不會出現(xiàn)裂縫問題。

1.2 氣動模具開發(fā)

通過多次試驗，研發(fā)設(shè)計的爐具腔體耐火材料自動涂覆的氣動模具，模具結(jié)構(gòu)如圖3所示，整體采用1.0 mm鋼板連續(xù)焊接，既考慮了支撐耐火材料的強度又最大程度上降低了本身的自重；內(nèi)部設(shè)計了大功率微動氣旋震動泵GT25；底部設(shè)計成四周折疊結(jié)構(gòu)；底部設(shè)計頂升氣缸SC40X75；同時多個燃燒腔室合理劃分，借助模具級聯(lián)式設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)一次澆筑整體成型目標。模具的成品結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 氣動澆筑模具結(jié)構(gòu)示意

圖4 成品氣動澆筑模具

2 氣動模具在爐具生產(chǎn)中應(yīng)用

2.1 氣動模具的使用流程

首先把做好的異形預(yù)制件放到焊接完成待澆筑的爐具腔堂中，再放入澆筑模具。模具和爐具腔堂之間會有40 mm的距離，在這個間隙中澆筑耐火材料。澆筑過程中開啟振動器，提高耐火材料的流動性，同時還能夠提高澆筑的密實度，避免澆筑出現(xiàn)蜂窩麻面。模具底部四周設(shè)計了折邊結(jié)構(gòu)折疊扣板，澆筑時伸出扣板能夠起到支撐耐火材料的作用，避免了耐火料的流失，澆筑完成具備一定強度后，拉伸折疊扣板拉環(huán)，扣板再縮回折邊，方便拔出模具。

澆筑完成后，模具底部設(shè)計了頂升氣缸SC40X75，打開開關(guān)后能夠使模具垂直提升75 mm的距離，減輕了人工提升模具的勞動力，還能避免耐火材料黏連模具造成耐火料的坍塌，提升了澆筑的質(zhì)量。澆筑完成的爐體和底座，都要先靜止一段時間，待耐火料具備一定的強度后，再由搬運機器人把兩部分組合到一起進行焊接。這樣一臺焊完整的爐具就完成了耐火材料的澆筑工作。整臺爐具的澆筑流程如圖5所示。

圖5 使用模具的爐具澆筑流程示意

2.2 澆筑工藝過程的注意事項

(1)耐火材料的選用要進行嚴格的凝固時間界定。耐火材料的凝固時間決定了爐具澆筑的效率。凝固時間過短，耐火材料攪拌完經(jīng)過螺旋輸送機就產(chǎn)生強度，導(dǎo)致無法填充40 mm的間隙，造成局部空間無法填實；凝固時間過長，耐火料澆筑完成就不能及時摘取模具，否則會造成坍塌。通過長時間生產(chǎn)測試，調(diào)配耐火材料配比，耐火材料的凝固時間界定在24 min，能夠較好的匹配目前的設(shè)備和生產(chǎn)節(jié)拍。

(2)耐火材料澆筑過程適當振搗。模具中設(shè)置了空氣流振動器，在耐火材料填充40 mm間隙的過程中，要適時開啟振搗。開啟振搗能夠加速耐火料的流動性和填充的密實度，提升澆筑質(zhì)量。如果開啟振搗時間過早也會導(dǎo)致耐火料凝結(jié)過快，填充出現(xiàn)蜂窩麻面。通過實驗數(shù)據(jù)分析，每臺爐具需要耐火料約40 kg，單臺澆筑時間約4 min，當填充約20 kg耐火料或者澆筑約2 min的時候再開啟振搗器會提升澆筑質(zhì)量[10]。

(3)鎖定水分和耐火材料的配比。耐火材料的干濕度會嚴重影響爐具的澆筑質(zhì)量。要準確把握水分和耐火材料的比重。通過生產(chǎn)測試，選取的水和耐火材料配比為12%，要保持這個配比每班生產(chǎn)前需要先用清水滋潤設(shè)備，保持水和耐火材料的恒定比重，不受設(shè)備和環(huán)境工況的影響。

3 結(jié) 語

民用取暖爐具耐火材料澆筑氣動模具，是結(jié)合產(chǎn)品的具體情況，設(shè)計出的簡單實用澆筑工裝，其有效解決公司民用高效潔凈爐具的量產(chǎn)問題，突破了手工澆筑爐具不能實現(xiàn)自動化的瓶頸，澆筑1臺爐具由原來手工30 min縮短到現(xiàn)在只需要9.5 min，提升了爐具的生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量。經(jīng)過檢驗，爐具出廠涂泥合格率達到99%以上。這種氣動模具的設(shè)計應(yīng)用，也為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了解決途徑。