用于冷芯盒砂芯固化的三乙胺氣霧發生器的研究應用

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.河南神馬氫化學有限責任公司 河南平頂山 467013

1 序言

在鑄造生產中，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、節能減排等方面的優勢，目前已成為主流造型及制芯工藝。冷芯盒制芯設備的關鍵裝置之一是三乙胺氣霧發生器，其運行的穩定性對生產質量、生產效率及工人操作環境有重要影響[1，2]。在當前使用過程中，該裝置常出現一些問題，例如，使用一段時間后會產生三乙胺氣體泄漏、三乙胺霧化不充分、定量不準確等。通過分析該裝置存在的問題，設計了一種用于冷芯盒砂芯固化的三乙胺氣霧發生器，在實際生產中應用，產生了良好效果。

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，但在生產過程中，三乙胺氣霧發生器存在一些問題，可導致砂芯成品率降低，使生產環境惡化。

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

（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未能達到一定溫度，霧化不充分[4]，砂芯中的兩種樹脂發生反應不充分，導致砂芯局部硬度偏高，而其余部分又未能硬化，產生了廢芯，造成了勞動生產率降低，生產成本增加。

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

（4）霧化過程壓力設計不合理 吹氣壓力按時間段設定，分為低壓段、高壓段，由于高低壓段之間沒有過渡段，同時為保證生產節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 三乙胺發生器技術方案

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生器[7]，以克服生產過程中存在的一些問題。

3.1 工作原理

當冷芯盒制芯機充砂完成后，向三乙胺發生器發出加胺信號，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，當齒輪流量計檢測到胺量已達到設定輸入量后，PLC控制泵斷電，氣動角座閥關閉，停止向加熱系統供胺，如圖1所示。

圖1 三乙胺發生器工作原理

當冷芯盒制芯機吹胺板到位后，比例閥通電，氣動角座閥打開，比例閥按要求設定曲線控制先導減壓閥，使主管路的先導減壓閥按設定壓力曲線工作，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。當吹胺完成后，三乙胺發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。

比例閥按工藝要求設定的曲線動作。開始加胺時，比例閥控制先導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 設備組成

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

（1）日耗胺存儲系統 日耗胺存儲系統由日耗罐、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、防塵帽構成手動加胺裝置，設置手動加胺裝置便于手動操作調整加氨量；自動加胺接頭上安裝氣動球閥，通過管路與車間儲胺系統相連，實現自動加胺功能；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，以保證系統的安全可靠及生產的正常運行；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相連；在日耗罐的側面安裝有可視液位計，便于觀察日耗罐內的液位情況。

圖2 三乙胺氣霧發生器設備

圖3 日耗胺存儲系統的結構

當制芯機工作時，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，由車間儲胺系統向日耗罐供胺，當達到“液位高位Y3”時，氣動球閥自動關閉，車間儲胺系統停止向日耗罐供胺。液位控制裝置在“液位低位Y2”下方還設有“液位最低位Y1”，在“液位高位Y3”上方還設有“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”時發出報警，通知工作人員設備故障，保證自動加胺的可靠性。

當三乙胺逐漸減少，日耗罐內壓力不斷降低，當壓力達到一定值時，呼吸閥打開，使罐內外壓力達到平衡；當日耗罐內的三乙胺達到“液位最低位Y1”時，自動加胺裝置起動向日耗罐內加胺，日耗罐內部壓力逐漸升高，當壓力達到一定值時，呼吸閥打開，使罐內外壓力達到平衡。

（2）定量供胺系統 定量供胺系統由防爆變頻電動機、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供胺量的精確性，從而減少三乙胺的浪費，提高了砂芯的質量穩定性。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的問題。

圖4 定量供胺系統結構

當制芯機開始工作時，制芯機向三乙胺發生器電控柜發出信號，電動換向閥通向加熱系統的控制口打開，控制氣路系統中電磁閥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，當檢測到胺量已達到齒輪流量計設定輸入值時，定量齒輪泵停止工作，控制氣路系統停止供氣，氣動角座閥關閉，電動換向閥切換，將反吹的混合氣體和泵慣性運轉產生三乙胺送入日耗罐，定量供胺系統停止工作。通過齒輪流量計、氣動角座閥、電磁閥Ⅱ動作聯鎖設置，可以避免定量供胺系統出現空打，實現精確定量。

（3）氣路控制系統 氣路控制系統由控制管路、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相連，出氣口K2與載流氣體系統的先導減壓閥相連接，用來調節先導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相連，出氣口K4、K5、K6分別連接日耗胺存儲系統上的氣動球閥、定量供胺系統的氣動角座閥、載流氣體系統的氣動角座閥，以實現閥門工作。

圖5 控制氣路系統的結構示意

（4）載流氣體系統技術方案 載流氣體系統由先導減壓閥、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相連，另一端進入定量供胺（載流氣體）系統柜，依次通過先導減壓閥、氣動角座閥后，與加熱系統上的壓縮空氣進氣口相連接；載流氣體系統用于為加熱系統提供壓縮空氣。

三乙胺氣霧發生器設備工作狀態如圖7所示。

圖6 載流氣體系統的結構

圖7 三乙胺氣霧發生器設備工作示意

由圖5～圖7可知，當制芯機開始工作時，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生器的電控柜發出信號，控制氣路系統中電磁閥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，同時控制氣路系統中壓力比例閥開始工作，壓力比例閥按照設定曲線工作，通過控制管路對先導減壓閥進行控制，先導減壓閥按設定壓力曲線工作，以滿足砂芯表面固化要求。

（5）加熱系統技術方案 加熱系統的結構如圖8所示。

加熱系統包括加熱器殼體、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，加熱系統設置有氣體分配腔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，經混流氣體出口P2排出。

圖8 加熱系統的結構

在加熱系統工作時，電熱元件首先加熱蓄熱體，使之保持一定溫度，當制芯機開始循環制芯時，按照電控柜指令，定量供胺系統完成加胺工作，液態胺加入口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B腔分流后在前換熱管組內依次沿L1、L2方向進入C腔，在此過程中，壓縮空氣經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，經混流氣體出口P2排出，用于砂芯固化。

4 結束語

應用結果表明，該三乙胺氣霧發生器的日耗胺存儲系統解決了生產過程中三乙胺過量或不足問題，保證了系統的安全可靠運行。其中，定量供胺系統保證了系統供胺量的精確性，從而減少三乙胺的浪費，提高了砂芯的質量穩定性；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，提高了勞動生產率。