三乙胺冷芯盒精准工艺设计

郭建荣

（上柴动力海安有限公司，海安226600）

0 引言

三乙胺冷芯盒工艺自上世纪未在我国开始应用以来，已历经近20年的发展。不论是冷芯盒树脂及配套原材料，还是其应用工艺及工厂设计都取得了长足的进步，目前巳成为汽车、内燃机和拖拉机零件等中高端铸件制芯和造型的首推工艺，每年呈较快增长的态势。笔者所在公司是国内最早应用冷芯盒工艺进行产业化生产铸件的铸造公司，早在1998年，就开始用三乙胺冷芯盒制芯工艺生产中等马力柴油机零件所需的所有型芯。在20年的实践过程中，沉淀了不少经验与教训，现对工艺和工厂设计的有关情况进行总结，抛砖引玉，与同行进行交流。

1 三乙胺冷芯盒制芯工艺的特性

三乙胺冷芯盒制芯工艺是在室温条件下，用原砂与一定比例的酚醛树脂 （以下称为Ⅰ组份树脂）和一定比例的聚异氰酸酯树脂 （以下称为Ⅱ组份树脂）混合而成的混合料，然后通过吹的方式进入芯盒，并在数秒内就硬化成型的一种制芯工艺，具有精度高、效率高的先进工艺特性[1]。

Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂一旦混合后，即会发生聚合化学反应。在胺、铁、钙、镁等碱性化合物的催化作用下，反应速率加快。混合料可使用的时间取决于催化剂的种类、浓度、温度，混合料随以上参数的变化和相互作用，流动性会降低，可吹性会变差。因此，芯盒、物流等工艺设计须与之匹配。

Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂聚合反应过程存在前期固化和后期固化。前期在催化剂作用下快速固化形成的初始强度仅占整个最终强度的50%～75%，还有25%～50%的强度须在后期形成[2]。为保证已成形的型芯不被破坏和顺利形成最终强度，须对涂料涂装机、烘干炉、仓储设施等进行正确选用与设计。

Ⅱ组份聚异氰酸酯中的-N=C=O基团在碱性或微碱性环境中容易水解，放出CO2生成胺化合物，反应活性受浓度、温度、催化剂的影响。水分浓度和反应温度增加可使水解反应速率增大。三乙胺在催化羟甲基与-N=C=O基团反应的同时，也使-N=C=O基团的水解反应加速。在无三乙胺的条件下水解相对速率为1.1，在吹三乙胺以后，水解相对速率则提高到47。因此，整个工艺设计和工厂设计过程中须对水分的影响有严格的防范措施。

2 芯盒设计概要

正确设计射砂嘴尺寸、数量和位置是冷芯盒制芯成败的首要问题。实践经验表明，热芯盒、壳芯中的射砂嘴不能用于冷芯盒[3]。因为在热芯盒设计中，通常采用较小的射嘴，较高的压力使混合料高速流动；而在冷芯盒制芯工艺中，如选用小射口射砂嘴，高压不仅会使冷芯盒树脂与原砂分离而飞溅在芯盒表面上，难以清理，降低生产力，而且射嘴容易堵塞，造成砂芯局部射不实。为此，射嘴口径要大，降低射砂压力，以提高砂芯表面质量。

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属制件（大多钢件）、非金属制件 （尼龙、塑料、硬橡胶等）、金属与非金属组合制件等3种。为便于维护保养，设计选用时，通常推荐上部采用法兰与射砂板连接，射嘴用尼龙、塑料或硬橡胶制作，做成标准通用型，与钢制射砂管紧配，使用或调换时套上即可，方便省时。另外，由于非金属射砂嘴对混合料的阻力稍大于金属射砂管，射砂嘴内径可等于混合料安息角的数值，便于充型。如安息角为10°，则射砂嘴内径为10 mm。为此，质量小于10 kg砂芯的射砂嘴内径不小于Φ15 mm，大于10 kg砂芯的射砂嘴内径为Φ15～25 mm。安息角即止休角，其含义是：使置于其上的物体开始下滑的临界状态的斜面与水平面所成的最小角度。

2.2 射砂嘴位置设计

射砂嘴安装位置往往取决于设计经验和冷芯盒混合料的流动性。其通用原则是：射砂嘴最好设置在芯腔的最大断面、大平面或芯头上方，尽量不要选在倾斜面上；射砂嘴最好正对芯盒的深凹处，使砂粒与芯盒的碰撞降低到最小限度，减少芯盒的磨损和便于清理粘在芯盒上的树脂砂；射砂嘴最好不要正对顶芯杆孔，排气塞最好交错排列；射砂嘴彼此间最好不要靠得太近，如距离太小，易造成砂流紊乱，砂芯不易射实，各射嘴之间应保持50～100 mm的距离。

2.3 射砂总面积设计

射嘴内径截面积之和称为射砂总面积。射砂总面积与射芯机射砂结构，砂芯复杂程度，混合料的流动性，排气位置及其大小密切相关。例如，厚大的简单砂芯，每公斤混合料约需2.5～3.5 cm3的射砂面积；而网状或细长砂芯，每公斤混合料约需4.0～5.0 cm3的射砂面积。实践经验表明，射砂面积大，射砂压力可低一些，以降低粘模现象。

2.4 排气系统设计

合理的排气是冷芯制芯成败的又一关键问题。因为排气塞的类型、尺寸、放置方式和数量对射砂能力、砂芯质量和三乙胺耗量都有较大的影响。

排气塞有缝隙式、网状式、沟槽式金属排气塞等3种类型。排气塞的选择主要决定于砂芯上的放置位置，铸件表面所要求的粗糙度和允许的进、排气区域大小。沟槽式排气塞排气面积小，但清理方便；网状式排气塞排气面积最大，往往优先选用，但因其在砂芯上会留下痕迹，从而在最终铸件上也会留下痕迹而不能适用于任何位置，但薄片筛网状式排气塞具有中等开口面积，适用位置也可以折衷选择。

排气位置、面积，即排气塞位置和数量的设计，总体遵循的原则是：排气塞应尽量设置在射砂过程中气体易于排出的位置，在型腔中建立足够的背压，使催化剂分布均匀，进而使得反应均匀平稳，这样上模的总进气面积与下模的总排气面积就必须保持一定的比例关系。通常总排气面积为总进气面积的70%，当然还与砂芯的尺寸、形状、透气性以及树脂种类有很大的关系。实际中需要做许多优化试验，对排气塞的位置进行调整，以优化催化剂的用量和将循环时间缩至最短。

2.5 芯盒密封设计

密封性是冷芯盒设计中的重中之重。如密封不好，不仅三乙胺用量增多，制芯周期加长，砂芯强度下降或硬化不良，而且还会污染环境，危及操作人员的身体健康。

冷芯盒的密封性除了取决于机加工精度以外，还主要取决于密封条的材料和形状。通常选用耐碱氯丁橡胶，做成凸形条状，凸形上端须发泡，下端不能发泡，凸形上端在压缩解除后复原性要好。检验方法：剪小段密封条放在密封的三乙胺中，72 h不变硬、不发脆为合格。

密封条安装位置一要易于检查，二要便于清理。水平分型的芯盒宜安装在上芯盒，垂直分型的芯盒通常安装在静盒中。在吹气板与芯盒之间，密封条通常安装在吹气板上，而芯盒与盖板之间，密封条一般安装在盖板上。密封条安装槽大都设计成燕尾槽状，可有效防止密封条脱落。

3 工厂设计概要

3.1 物流设计

3.1.1 树脂密封存储和输送

众所周知，空气中含有氧气和水分，特别是长江以南地区，在梅雨季节，大气湿度呈饱和状态。在这种气候条件下，如果冷芯盒树脂在储存、输送过程中敞开不密封，树脂在被氧化的同时，Ⅱ组份树脂还将发生水解反应，放出CO2生成胺化合物，其反应活性受水分浓度、温度和时间的影响。随着水分浓度和反应温度增加，水解反应速率增大，致使冷芯盒树脂技术性能大幅下降。为此，仓储树脂时应注意密封，应采用密封输送方式泵入日耗罐和定量罐，避免树脂与大气直接接触，以防其氧化和水解。

3.1.2 胺气管路设计 “三要”原则

胺气管路设计应遵循 “三要”原则，即口径要大，弯头要少，长度要短。管路需要缠电磁震荡电热丝，电热丝外再加保温材料，这样可以防止胺气冷凝成液态。若管径太小，管路太长都会延长硬化时间。胺气管管径通常按砂芯质量大小选取。

砂芯质量≤10 kg，最小管径Φ25 mm；砂芯10～25 kg，最小管径Φ32 mm；砂芯25～50 kg，最小管径Φ40 mm；砂芯＞50 kg，最小管径Φ50 mm。

3.1.3 不宜用压缩空气输送烘干原砂

三乙胺冷芯盒所用原砂，对水分有严格要求。有个别工厂设计方案，采用普通压缩空气输送烘干原砂，而压缩空气又没有要求充分干燥。在输送过程中，压缩空气中的水汽向干燥原砂传递，使原砂水分增加，对砂芯强度势必造成严重的负面影响。如位于高湿地区情况可能更为严重。如果必须采用气压输送烘干原砂，那压缩空气露点必须保持在-15℃左右。

此外，三乙胺冷芯盒所用原砂，对粒度分布亦有严格要求。如采用压缩空气输送，尤其是采用压力较高的压缩空气输送，往往会使原砂颗粒破碎和粒度偏析，级配严重偏离工艺要求，对砂芯质量稳定性势必积蓄负能量。如果必须采用压缩空气输送烘干原砂，应优先采用低压压缩空气。

压缩空气输送的终端应有可靠的除尘设施，防止粉尘污染。

3.2 射芯机的选配与设计

3.2.1 射砂压力

射芯机选配和设计时，射砂压力一般选择低于0.30 MPa；对于复杂砂芯，射砂压力为0.25～0.30 MPa，一般砂芯为0.15～0.2 MPa。低压射砂有如下的优点：1）工装磨损少，射头、射板、射砂管、芯盒的磨损小，制芯设备和工装的使用寿命长，而且粘模现象大为减少；2）气砂比小，射砂用的气几乎没有进入芯盒，而是在膨胀做功后经过滤后排入大气，这样射砂面积大，砂芯密度高；3）结构简单，易清理，易维修。

3.2.2 吹气温度

吹气温度包括吹胺和吹气温度。吹气温度的高低和恒定，对液胺汽化和液胺用量起着决定性的影响。由于三乙胺具有易燃易爆的化学特性，为简化结构、保证安全，大多数胺气发生器用胺加载气，通过加热器的方式来加温，温度一般低于80℃，且波动大，造成胺未完全雾化，胺耗量增加，固化速度下降。因此，在选配和设计胺气发生器时，最好选用预置加热法，将吹胺和吹气温度高于100℃作为重要的工艺条件。

3.2.3 脱模剂喷雾压力

喷脱模剂是预防粘模，保证砂芯质量，提高生产力的重要工艺措施。有些射芯机由于配置的喷枪喷嘴直径大而压力低，脱模剂呈雨滴状，积存在芯盒表面凹陷处，脱模剂在未能完全挥发的情况下，就开始制芯，导致砂芯表面残留过量的脱模剂，使砂芯强度变差。脱模剂不但没有起到预防粘模的作用，而且还使砂芯表面质量下降。根据试验结果，脱模剂喷雾压力应大于1.0 MPa，喷枪压力应大于1.0 MPa。这样脱模剂耗量可减少1/2，且可收到事半功倍的效果。

3.2.4 设置工艺参数调整密码

优化的冷芯盒制芯工艺参数是获得高质量砂芯的可靠保证。为遵守工艺纪律，保持制芯工艺参数的连续性和可靠性，应防止操作人员随意改变。例如，为尽快完成产量指标，加大胺量，缩短吹气时间，导致砂芯吹气口都呈白色，胺味严重，局部没固化等问题，尤其在夜班，更容易出现这种情况。因此，必须设置工艺参数调整密码，只有技术主管才能调整工艺参数，操作人有建议权，无修改权。

3.3 压缩空气干燥机的选配与设计

压缩空气干燥装置根据砂芯种类、厚薄、复杂程度选配。仅做简单厚实砂芯时，可选用冷冻式干燥机，如兼做薄壁复杂砂芯应选无热再生干燥机。如空气压缩机是采用润滑油进行润滑，则还应增配除油、去水装置，如空气压缩机是无油润滑，除油装置可省去。

选配压缩空气干燥机时要注意，干燥机应能保证压缩空气总量在干燥后仍足够满足使用要求，且压降应小于0.02 MPa；露点低于-15℃，无热再生式应低于-45℃。

3.4 三乙胺尾气处理装置的选配与设计

在三乙胺冷芯盒制芯工艺中，三乙胺是催化剂，它并不参与反应，通常将三乙胺连同排气和清洗气体称为三乙胺尾气。在设计三乙胺尾气处理风量时，最好将处理风量设计成三乙胺尾气量的3倍或3倍以上。连接管路要少弯头和T型接头，并与芯盒排气室直接相连，其负压不超过-0.007 MPa。若负压太高，树脂容易堵塞排气塞，胺气和净化气体在砂芯中会产生短路或旁路，造成砂芯局部不固化。

三乙胺尾气有毒，呈碱性，需经处理方能排入大气。其处理装置利用酸碱中和原理，尾气从下往上，酸雾从上向下喷淋，中间设置数层阻尼，并利用多孔塑料球，增加酸碱接触面积，使尾气到达顶部时，三乙胺浓度小于25E-4%，达标排放要求。

选配三乙胺尾气处理装置时，应注意尾气处理前首先应沉降砂粒，处理风量要足够，酸雾PH值要自动安全可靠，确保符合排放要求。

4 结论

三乙胺冷芯盒制芯工艺为制造高质量铸件提供了技术手段。由于三乙胺冷芯盒特点，即冷芯Ⅰ组份和Ⅱ组份树脂一旦混合，即会发生聚合化学反应，Ⅱ组份聚异氰酸酯中-N=C=O基团遇水容易水解，因此，芯盒设计、工艺设计、物流设计等必须充分考虑其特殊性，须与之匹配。

本文所给出的一些实用参数，是长期工作积累的，是经过试验验证的，具有普遍的参考价值，但在具体应用中还需要根据砂芯的结构、当地的气候条件及工厂实际情况进行适当调整。