用于冷芯盒砂芯固化的三乙胺氣霧發(fā)生器的研究應(yīng)用

劉霞，朱永生，范巧變，王雷飛，馬向奇

1.第一拖拉機股份有限公司制造工程中心 河南洛陽 471004

2.一拖（洛陽）液壓傳動有限公司 河南洛陽 471004

3.第一拖拉機股份有限公司大拖公司 河南洛陽 471004

4.河南神馬氫化學(xué)有限責(zé)任公司 河南平頂山 467013

1 序言

在鑄造生產(chǎn)中，冷芯盒造型及制芯工藝具有效率高、鑄件尺寸精度高、運行成本低、節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢，目前已成為主流造型及制芯工藝。冷芯盒制芯設(shè)備的關(guān)鍵裝置之一是三乙胺氣霧發(fā)生器，其運行的穩(wěn)定性對生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率及工人操作環(huán)境有重要影響[1，2]。在當(dāng)前使用過程中，該裝置常出現(xiàn)一些問題，例如，使用一段時間后會產(chǎn)生三乙胺氣體泄漏、三乙胺霧化不充分、定量不準(zhǔn)確等。通過分析該裝置存在的問題，設(shè)計了一種用于冷芯盒砂芯固化的三乙胺氣霧發(fā)生器，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用，產(chǎn)生了良好效果。

2 存在問題分析

三乙胺冷芯盒砂芯固化是制芯過程中最常使用的一種方法，但在生產(chǎn)過程中，三乙胺氣霧發(fā)生器存在一些問題，可導(dǎo)致砂芯成品率降低，使生產(chǎn)環(huán)境惡化。

（1）三乙胺氣體泄漏，環(huán)境污染嚴(yán)重 目前，使用的三乙胺氣霧發(fā)生器液體、氣體輸送系統(tǒng)采用焊接方式，該方式不便于損壞部件的更換及維修。若采用螺紋聯(lián)接，則容易發(fā)生三乙胺和壓縮空氣泄漏[3]，使生產(chǎn)環(huán)境惡化，加大生產(chǎn)成本。

（2）三乙胺氣體加熱霧化不充分 三乙胺在要求的工藝時間內(nèi)未能達到一定溫度，霧化不充分[4]，砂芯中的兩種樹脂發(fā)生反應(yīng)不充分，導(dǎo)致砂芯局部硬度偏高，而其余部分又未能硬化，產(chǎn)生了廢芯，造成了勞動生產(chǎn)率降低，生產(chǎn)成本增加。

（3）供胺系統(tǒng)定量裝置易損壞，定量不準(zhǔn)確 目前，三乙胺氣霧發(fā)生器供胺系統(tǒng)的定量裝置主要有三種形式：其一，采用波紋管式定量泵，通過計量泵上的調(diào)整機構(gòu)對進入的三乙胺量進行調(diào)節(jié)，計量泵內(nèi)的波紋管使用壽命較短，定量不夠準(zhǔn)確；其二，采用定量泵、氣動截止閥簡單地對三乙胺進行計量，定量泵會產(chǎn)生空打或過量輸送，使計量不夠準(zhǔn)確，造成三乙胺浪費或砂芯硬化缺陷；其三，采用氣動隔膜泵，根據(jù)電磁閥通斷設(shè)定不同的供胺時間來調(diào)整供胺量，氣動隔膜泵膜片比較容易損壞，定量不準(zhǔn)確[4，5]。

（4）霧化過程壓力設(shè)計不合理 吹氣壓力按時間段設(shè)定，分為低壓段、高壓段，由于高低壓段之間沒有過渡段，同時為保證生產(chǎn)節(jié)拍低壓段時間不能過長，如果固化層過淺，高低壓的瞬時切換動作還可能造成砂芯表面被吹出凹坑[6]。

3 三乙胺發(fā)生器技術(shù)方案

為了克服以上不足，本文介紹了一種用于冷芯盒雙組份樹脂砂芯固化的三乙胺氣霧發(fā)生器[7]，以克服生產(chǎn)過程中存在的一些問題。

3.1 工作原理

當(dāng)冷芯盒制芯機充砂完成后，向三乙胺發(fā)生器發(fā)出加胺信號，泵前氣動角座閥打開（延時2s后），定量齒輪泵起動，胺液進入三乙胺加熱器，當(dāng)齒輪流量計檢測到胺量已達到設(shè)定輸入量后，PLC控制泵斷電，氣動角座閥關(guān)閉，停止向加熱系統(tǒng)供胺，如圖1所示。

圖1 三乙胺發(fā)生器工作原理

當(dāng)冷芯盒制芯機吹胺板到位后，比例閥通電，氣動角座閥打開，比例閥按要求設(shè)定曲線控制先導(dǎo)減壓閥，使主管路的先導(dǎo)減壓閥按設(shè)定壓力曲線工作，壓縮空氣首先通過空氣加熱器，之后進入三乙胺加熱器，將已加熱霧化的三乙胺送入芯盒固化砂芯。當(dāng)吹胺完成后，三乙胺發(fā)生器停止給主機提供三乙胺，主機芯盒打開，取出砂芯，完成一個動作循環(huán)。

比例閥按工藝要求設(shè)定的曲線動作。開始加胺時，比例閥控制先導(dǎo)減壓閥輸出較低壓力，低壓凈化確保砂芯表面固化，防止氣體在砂芯表面固化前將芯砂吹散，待砂芯表面固化后逐漸升高輸出壓力到達需要硬化的壓力。

3.2 設(shè)備組成

三乙胺氣霧發(fā)生器由柜體、日耗胺儲存系統(tǒng)、定量供胺系統(tǒng)、載流氣體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)和電控柜組成，其中柜體包括定量供胺（載流氣體）系統(tǒng)柜、加熱系統(tǒng)柜及控制氣路系統(tǒng)柜，如圖2所示。

（1）日耗胺存儲系統(tǒng) 日耗胺存儲系統(tǒng)由日耗罐、手動加胺裝置、自動加胺裝置、防火阻燃器裝置、液位控制裝置及出胺口組成，如圖3所示。日耗罐頂部帶螺紋的手動加胺接頭上安裝球閥、防塵帽構(gòu)成手動加胺裝置，設(shè)置手動加胺裝置便于手動操作調(diào)整加氨量；自動加胺接頭上安裝氣動球閥，通過管路與車間儲胺系統(tǒng)相連，實現(xiàn)自動加胺功能；呼吸閥接頭上安裝呼吸閥組成防火阻燃器裝置，用于阻斷火星，以保證系統(tǒng)的安全可靠及生產(chǎn)的正常運行；液位計接頭上安裝4點液位計組成液位控制裝置，用于解決生產(chǎn)過程中三乙胺過量或不足問題；出胺口位于日耗罐的下部，距中心線一定距離的位置，通過出胺口接頭、彎管、卡套式接頭和球閥與定量供胺系統(tǒng)相連；在日耗罐的側(cè)面安裝有可視液位計，便于觀察日耗罐內(nèi)的液位情況。

圖2 三乙胺氣霧發(fā)生器設(shè)備

圖3 日耗胺存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)制芯機工作時，日耗罐上4點液位計檢測到三乙胺量減少，下降到達“液位低位Y2”時，氣路控制系統(tǒng)上的電磁閥Ⅰ工作。電磁閥Ⅰ通過控制管路將控制用壓縮空氣提供給氣動球閥，自動加胺裝置上的氣動球閥打開，由車間儲胺系統(tǒng)向日耗罐供胺，當(dāng)達到“液位高位Y3”時，氣動球閥自動關(guān)閉，車間儲胺系統(tǒng)停止向日耗罐供胺。液位控制裝置在“液位低位Y2”下方還設(shè)有“液位最低位Y1”，在“液位高位Y3”上方還設(shè)有“液位最高位Y4”，作為“液位最低位Y1”和“液位高位Y3”的補充控制點。如果“液位最低位Y1”和“液位高位Y3”失靈，液面高度到達“液位最高位Y4”或“液位最低位Y1”時發(fā)出報警，通知工作人員設(shè)備故障，保證自動加胺的可靠性。

當(dāng)三乙胺逐漸減少，日耗罐內(nèi)壓力不斷降低，當(dāng)壓力達到一定值時，呼吸閥打開，使罐內(nèi)外壓力達到平衡；當(dāng)日耗罐內(nèi)的三乙胺達到“液位最低位Y1”時，自動加胺裝置起動向日耗罐內(nèi)加胺，日耗罐內(nèi)部壓力逐漸升高，當(dāng)壓力達到一定值時，呼吸閥打開，使罐內(nèi)外壓力達到平衡。

（2）定量供胺系統(tǒng) 定量供胺系統(tǒng)由防爆變頻電動機、定量齒輪泵、齒輪流量計、氣動角座閥、不銹鋼卡套式接頭、角型過濾器、電動換向閥及三乙胺輸送管組成，如圖4所示。防爆變頻電動機、定量齒輪泵、齒輪流量計共同作用保證了系統(tǒng)供胺量的精確性，從而減少三乙胺的浪費，提高了砂芯的質(zhì)量穩(wěn)定性。定量齒輪泵的一端通過不銹鋼卡套式接頭依次與氣動角座閥連接，氣動角座閥再通過角型過濾器與日耗胺存儲系統(tǒng)下部的球閥連接，定量齒輪泵的另一端通過不銹鋼卡套式接頭與齒輪流量計相連，最后與安裝在加熱系統(tǒng)上的三乙胺液加入口前端的電動換向閥相連接。電動換向閥用于解決硬化時壓縮空氣回吹、定量齒輪泵慣性造成計量不準(zhǔn)的問題。

圖4 定量供胺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)制芯機開始工作時，制芯機向三乙胺發(fā)生器電控柜發(fā)出信號，電動換向閥通向加熱系統(tǒng)的控制口打開，控制氣路系統(tǒng)中電磁閥Ⅱ工作。電磁閥Ⅱ通過控制氣路將控制用的壓縮空氣提供給氣動角座閥，氣動角座閥打開，按設(shè)定時間延時后，定量齒輪泵起動。同時，齒輪流量計對通過的三乙胺量進行計算，當(dāng)檢測到胺量已達到齒輪流量計設(shè)定輸入值時，定量齒輪泵停止工作，控制氣路系統(tǒng)停止供氣，氣動角座閥關(guān)閉，電動換向閥切換，將反吹的混合氣體和泵慣性運轉(zhuǎn)產(chǎn)生三乙胺送入日耗罐，定量供胺系統(tǒng)停止工作。通過齒輪流量計、氣動角座閥、電磁閥Ⅱ動作聯(lián)鎖設(shè)置，可以避免定量供胺系統(tǒng)出現(xiàn)空打，實現(xiàn)精確定量。

（3）氣路控制系統(tǒng) 氣路控制系統(tǒng)由控制管路、電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ、電磁閥Ⅲ及壓力比例閥組成，如圖5所示。壓力比例閥進氣口K1與車間壓縮空氣管網(wǎng)相連，出氣口K2與載流氣體系統(tǒng)的先導(dǎo)減壓閥相連接，用來調(diào)節(jié)先導(dǎo)減壓閥的輸出壓力值。電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ、電磁閥Ⅲ的進氣口K3與車間壓縮空氣管網(wǎng)相連，出氣口K4、K5、K6分別連接日耗胺存儲系統(tǒng)上的氣動球閥、定量供胺系統(tǒng)的氣動角座閥、載流氣體系統(tǒng)的氣動角座閥，以實現(xiàn)閥門工作。

圖5 控制氣路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

（4）載流氣體系統(tǒng)技術(shù)方案 載流氣體系統(tǒng)由先導(dǎo)減壓閥、氣動角座閥及載流氣體輸送管組成，如圖6所示。載流氣體輸送管一端與車間壓縮空氣管網(wǎng)相連，另一端進入定量供胺（載流氣體）系統(tǒng)柜，依次通過先導(dǎo)減壓閥、氣動角座閥后，與加熱系統(tǒng)上的壓縮空氣進氣口相連接；載流氣體系統(tǒng)用于為加熱系統(tǒng)提供壓縮空氣。

三乙胺氣霧發(fā)生器設(shè)備工作狀態(tài)如圖7所示。

圖6 載流氣體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖7 三乙胺氣霧發(fā)生器設(shè)備工作示意

由圖5～圖7可知，當(dāng)制芯機開始工作時，射砂頭沿著軌道離開工作部位，吹胺板沿軌道移動至工作位置，此時制芯機向三乙胺發(fā)生器的電控柜發(fā)出信號，控制氣路系統(tǒng)中電磁閥Ⅲ工作，為管路控制提供壓縮空氣。電磁閥Ⅲ通過控制管路將控制用壓縮空氣提供給氣動角座閥，氣動角座閥打開，同時控制氣路系統(tǒng)中壓力比例閥開始工作，壓力比例閥按照設(shè)定曲線工作，通過控制管路對先導(dǎo)減壓閥進行控制，先導(dǎo)減壓閥按設(shè)定壓力曲線工作，以滿足砂芯表面固化要求。

（5）加熱系統(tǒng)技術(shù)方案 加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

加熱系統(tǒng)包括加熱器殼體、前換熱管組、測溫元件、電熱元件、后換熱管組及蓄熱體。由圖8知，加熱系統(tǒng)設(shè)置有氣體分配腔B，用于將從壓縮空氣進口P1進入的壓縮空氣分配給前換熱管組的各換熱管；設(shè)置氣體混流腔C，用于將前換熱管組的各換熱管的壓縮空氣匯集，與經(jīng)三乙胺液加入口M引入的三乙胺氣體混合后，再分配給后換熱管組的各換熱管；設(shè)置氣體匯集腔D，用于將換熱管組的各換熱管的壓縮空氣匯集后，經(jīng)混流氣體出口P2排出。

圖8 加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在加熱系統(tǒng)工作時，電熱元件首先加熱蓄熱體，使之保持一定溫度，當(dāng)制芯機開始循環(huán)制芯時，按照電控柜指令，定量供胺系統(tǒng)完成加胺工作，液態(tài)胺加入口M定量進入C腔室后受熱汽化，隨后壓縮空氣自P1口進入，經(jīng)B腔分流后在前換熱管組內(nèi)依次沿L1、L2方向進入C腔，在此過程中，壓縮空氣經(jīng)前換熱管組吸熱后初步升溫；壓縮空氣進入C腔后，與先期進入C腔受熱汽化的三乙胺氣體混合，分流到后加熱管組，依次沿L3、L4方向匯集到D腔，在此過程中，混合氣體在后加熱管組進一步吸熱升溫，完成三乙胺氣體的加熱霧化，經(jīng)混流氣體出口P2排出，用于砂芯固化。

4 結(jié)束語

應(yīng)用結(jié)果表明，該三乙胺氣霧發(fā)生器的日耗胺存儲系統(tǒng)解決了生產(chǎn)過程中三乙胺過量或不足問題，保證了系統(tǒng)的安全可靠運行。其中，定量供胺系統(tǒng)保證了系統(tǒng)供胺量的精確性，從而減少三乙胺的浪費，提高了砂芯的質(zhì)量穩(wěn)定性；三乙胺加熱與載流氣體采用一體式加熱器，在保證加熱效率的同時，改善了三乙胺氣體的加熱霧化效果，減小了設(shè)備尺寸，避免了三乙胺的泄漏，降低了廢品率，提高了勞動生產(chǎn)率。