實型鑄造用模樣板材與制備技術(shù)

馮?？?劉明坤 王紅宇* 趙環(huán)宇 胡志鵬 趙雨晴 崔 勇姜喜亮 耿春杰 姜興田 周艷艷 Murugesan Priya

（1：吉林省新英海節(jié)能減排科技有限公司，吉林 長春 130114；2：吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118；3：長春理工大學(xué)，吉林 長春 130022；4：印度莎維沙工程學(xué)院，印度 泰米爾納德邦 629175）

0 引言

實型鑄造用模樣板材即消失模板材，這一概念最早是在鑄造領(lǐng)域提出來的，指的是在消失模鑄造工藝中的一種鑄造模型。消失模鑄造法中主要使用可發(fā)性消失模板材原材料，包括可發(fā)性聚苯乙烯（EPS），苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂共聚物（STMMA）和可發(fā)性聚丙烯（EPMMA）。消失模板材廣泛用于實型鑄造建筑、冷凍冷藏等低溫環(huán)境、保溫隔熱及家電等物品設(shè)備的包裝等用途。近年來，全球知名公司如德國BASF、美國陶氏化學(xué)等先后用不同的工藝技術(shù)，在各自領(lǐng)域中大力開展對消失模板材的應(yīng)用研究[1-2]。

本文對基于實際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，針對EPS消失模板材設(shè)備與制備工藝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對于生產(chǎn)過程中實際出現(xiàn)的問題，提出了解決方案。

1 制備技術(shù)

1.1 原料選擇與處理

在制造消失模板材時，要重視原始珠粒的選擇。這種選擇主要是指對原始珠粒尺寸規(guī)格的選擇。選擇時所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是生產(chǎn)鑄件的規(guī)格，壁厚等要求。同時，在選擇珠粒時，要考慮到在預(yù)發(fā)泡過程中，珠粒直徑隨發(fā)泡倍率的變化。

1.2 主要設(shè)備與技術(shù)路線

1.2.1 生產(chǎn)過程中的主要設(shè)備

模樣板材制作生產(chǎn)第1步是對珠粒進(jìn)行預(yù)發(fā)泡操作。預(yù)發(fā)泡操作具體實施方法是通過蒸汽加熱使珠粒膨脹，最終表現(xiàn)為體積的增加，進(jìn)而使珠粒密度發(fā)生相應(yīng)的變化，達(dá)到生產(chǎn)要求的密度值。預(yù)發(fā)泡原理是在一定的蒸汽壓力及加熱時間下，珠粒內(nèi)部發(fā)泡劑發(fā)生汽化，進(jìn)而發(fā)生膨脹，使珠粒的體積變大[1，3]。生產(chǎn)過程中使用的發(fā)泡機(jī)設(shè)備見圖1。

預(yù)發(fā)泡過程結(jié)束后，經(jīng)常會伴隨著珠粒中液體蒸汽（如水和發(fā)泡劑）遇冷液化情況。這是在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)注意并避免的。因為當(dāng)液化現(xiàn)象發(fā)生時，會使珠粒表現(xiàn)為其內(nèi)部壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，且含有一定的水分。為防止這種情況的出現(xiàn)，引入了熟化操作。熟化過程是將預(yù)發(fā)后的珠粒轉(zhuǎn)移到熟化料倉中，放置一段時間，并保證環(huán)境通風(fēng)、干燥。在熟化料倉中，珠粒內(nèi)外壓力會逐漸恢復(fù)一致、并且使珠粒內(nèi)部的干燥程度得到提升。需要注意的是，對于不同規(guī)格的珠粒，其熟化料倉的溫度，濕度及熟化時間的設(shè)置也不盡相同[2-4]。生產(chǎn)過程中的熟化倉見圖2。

熟化操作完成后，使用真空泵將珠粒轉(zhuǎn)移至板材成型機(jī)型腔里面，通過蒸汽加熱、冷卻成型，制成消失模板材。常用的制板設(shè)備見圖3。

1.2.2 技術(shù)路線與工藝參數(shù)

消失模板材生產(chǎn)的技術(shù)路線可以總結(jié)如下：選料→預(yù)發(fā)泡→熟化→板材成型。

預(yù)發(fā)泡過程一般選用間歇式發(fā)泡機(jī)（W-140）見圖1，在實際生產(chǎn)過程中，蒸汽工作壓力范圍為0.65 MPa～0.75 MPa，壓縮空氣的工作壓力范圍為0.65 MPa～0.75 MPa。將發(fā)泡機(jī)筒體溫度加熱至80℃～95℃。根據(jù)所需要板材容重，投放原料25 kg～28 kg，打入蒸汽，穿透時間為 16 s～18 s，保壓時間 2 s，出料時間25 s～35 s。調(diào)整穿透時間，使每次發(fā)泡的體積一定，根據(jù)發(fā)泡密度要求定量稱取珠粒。

預(yù)發(fā)泡完成后，需要對珠粒進(jìn)行稱重。稱重后通過原料輸送管道將珠粒轉(zhuǎn)移到預(yù)發(fā)泡桶，向發(fā)泡桶中通以一定壓力的干燥飽和蒸汽，使珠粒發(fā)生膨脹，當(dāng)珠粒的體積增大至目標(biāo)體積后停止通氣，最后在流化床對珠粒進(jìn)行干燥處理，最后由輸送管道將珠粒轉(zhuǎn)移送至熟化料倉進(jìn)行熟化操作。熟化過程是將預(yù)發(fā)后珠粒放置在熟化倉中，在通風(fēng)及干燥環(huán)境作用下使珠粒內(nèi)外壓力值趨于平衡、珠粒內(nèi)部干燥。其過程對環(huán)境的溫濕度都有一定的要求，不同密度的珠粒熟化時間要求也不相同。

板材成型的過程一般包括模具預(yù)熱、加料、加熱、冷卻、脫模等幾個主要步驟,其中關(guān)鍵步驟是加熱和冷卻。常見的加熱方式有一次蒸汽加熱和二次蒸汽加熱。冷卻過程可分為真空冷卻和水冷冷卻2種[1，4-5]。水冷冷卻時，進(jìn)水閥始終打開，模具冷卻孔進(jìn)水，靠水流帶走熱量，直接達(dá)到板材模具所需要的脫模溫度。這種方法可以使板材表面光滑，使其具有很好的產(chǎn)品強(qiáng)度，缺點(diǎn)是水冷時間過長，不能達(dá)到節(jié)約能源的目的，并且不能達(dá)到干燥成型的目的；真空冷卻是通過真空泵抽真空的形式帶走模具型腔內(nèi)的殘余蒸汽、發(fā)泡劑，從而帶走熱量。這種方法的冷卻時間比水冷時間要短[4-5]。

1.2.3 產(chǎn)品性能

成型產(chǎn)品見圖4。產(chǎn)品性能：EPS屬超輕型高分子合成材料，EPS消失模板材的主要特點(diǎn)見表1。

表1 EPS特點(diǎn)簡介

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量性能的影響

在模板材的實際生產(chǎn)中，預(yù)發(fā)泡操作是其中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在預(yù)發(fā)泡過程中，戊烷量，蒸汽壓力和攪拌速率都會影響發(fā)泡密度。根據(jù)在生產(chǎn)過程中總結(jié)出的實際經(jīng)驗，當(dāng)其他參數(shù)不變時，戊烷量越小，珠粒的發(fā)泡密度越大。實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，將戊烷量調(diào)整至5.5%時，預(yù)發(fā)泡的效果最佳。在模板材的實際生產(chǎn)中，EPS的預(yù)發(fā)蒸汽壓力為0.1 Mpa～0.2 Mpa，攪拌主軸轉(zhuǎn)速為65轉(zhuǎn)～70轉(zhuǎn)。固定攪拌器速率時，在相同發(fā)泡時間下，蒸汽壓力越低，發(fā)泡密度越高。但在模板材的實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對EPS發(fā)泡時間超過6 min時，發(fā)泡密度和蒸汽壓力會變?yōu)檎嚓P(guān)關(guān)系，即蒸汽壓力越低，發(fā)泡密度越低[6-7]。

在實際生產(chǎn)中，熟化操作對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能起到了至關(guān)重要的作用。板材融合度與熟化時間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，但隨熟化時間的繼續(xù)增加，二者呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系；因為當(dāng)熟化時間過長時，會導(dǎo)致珠粒內(nèi)的發(fā)泡劑過量揮發(fā)，在板材成型與加工過程中珠粒不能充分融解。溫度偏低時要達(dá)到理想熟化程度需增加熟化時間。要獲得優(yōu)良的熟化珠粒，需制定嚴(yán)格的熟化時間、溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)。不同密度的珠粒熟化時間也不相同，一般大密度的熟化時間應(yīng)當(dāng)長于小密度的預(yù)發(fā)珠粒[6]。

2.2 工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律

預(yù)發(fā)泡過程是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。在預(yù)發(fā)泡過程中，戊烷量的選取，蒸汽壓力的調(diào)節(jié)和攪拌器速度的控制都會影響發(fā)泡密度[2]。我們通過大量的實踐和經(jīng)驗規(guī)律的總結(jié)，歸納出戊烷量及發(fā)泡時間與發(fā)泡密度之間的關(guān)系圖，見圖5。需要注意的是，預(yù)發(fā)密度和各參數(shù)之間的關(guān)系在生產(chǎn)中確定工藝條件時可供參考使用。

由圖5可知，當(dāng)蒸汽壓力、攪拌器速度及戊烷量不變時，預(yù)發(fā)過程中發(fā)泡密度和發(fā)泡時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著發(fā)泡時間的增加，發(fā)泡密度不斷降低。

2.3 生產(chǎn)過程中常見的實際問題與技術(shù)分析

預(yù)發(fā)珠粒質(zhì)量與后續(xù)的板材成型質(zhì)量息息相關(guān)。通過實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題及積累的經(jīng)驗，將生產(chǎn)中可能遇到的問題和注意事項總結(jié)如下。

1）在預(yù)發(fā)泡過程中，如果環(huán)境中水分或水蒸氣含量過多，會導(dǎo)致預(yù)發(fā)泡潮濕或結(jié)塊，這一情況可通過蒸汽管加強(qiáng)保溫并設(shè)疏水器來解決[1-3，6]。同時，若發(fā)泡機(jī)轉(zhuǎn)速快，進(jìn)料速度快或發(fā)泡溫度太低，預(yù)發(fā)泡中有死料塊，這種問題可通過對發(fā)泡機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)料速度及發(fā)泡溫度進(jìn)行合理調(diào)控來解決。

2）熟化過程中，若熟化倉中溫度過低，會導(dǎo)致熟化效果變差。若熟化時間調(diào)控不合理，會導(dǎo)致珠粒的發(fā)泡劑含量偏低。另外熟化倉的結(jié)構(gòu)不合理或帶靜電，會導(dǎo)致熟化倉放料不徹底[1]。

3）板材成型過程中，板材成形應(yīng)遵循“低壓大流量原理”。如果壓力過高或者溫度值很高時，只有少量的蒸汽能夠進(jìn)入板材內(nèi)部，而導(dǎo)致板材無法融解，融合度降低且會引起板材表面燒焦、模板材之間發(fā)生粘連。若壓力保持適宜，而流量不夠時，同樣無法實現(xiàn)板材的較好融合，會導(dǎo)致板材融合度過低。并且如果板材型腔密封不嚴(yán)，漏氣嚴(yán)重，同樣會導(dǎo)致板材融合度不好。因此在板材成型過程中，必須對加熱蒸汽壓力、流量進(jìn)行嚴(yán)格的把控。同時，若預(yù)發(fā)泡熟化程度不好或冷卻時間不足，會導(dǎo)致板材成型時變形[1-2，6]。

3 結(jié)語

1）模板材制造要重視原始珠粒的選取，在選擇原始珠粒的粒度時，必須先了解目標(biāo)板材的規(guī)格，表面的質(zhì)量要求等。同時考慮到夏季運(yùn)輸工廠的儲存因素，一般不建議使用太細(xì)的珠粒。在實際生產(chǎn)過程中，原始珠粒粒徑的選擇要根據(jù)鑄件材質(zhì)及鑄件的壁厚來決定。另外在預(yù)發(fā)泡時，40倍～50倍的發(fā)泡倍率，對應(yīng)要選擇的原珠粒的珠粒直徑是目標(biāo)直徑的1/3倍左右。同時在成型時要在鑄件最小壁厚方向排列珠粒。

2）根據(jù)在生產(chǎn)過程中的實際經(jīng)驗，將預(yù)發(fā)泡過程中的戊烷量調(diào)整至5.5%時，預(yù)發(fā)泡的效果最佳。當(dāng)蒸汽壓力、攪拌器速度及戊烷量等參量不變時，預(yù)發(fā)過程中的發(fā)泡密度和發(fā)泡時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著發(fā)泡時間的增加，發(fā)泡密度不斷降低。

3）在熟化操作中，熟化時間，熟化環(huán)境對熟化效果都存在一定的影響。要獲得合格甚至優(yōu)質(zhì)的熟化珠粒，需對熟化時間、溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格把控。

4）對消失模板材生產(chǎn)工藝的研究，對于提高消失模板材質(zhì)量具有重要的意義。在發(fā)泡珠粒確定的情況下，通過改進(jìn)工藝能夠最大可能地提升消失模板材的質(zhì)量。本文從生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)入手，從預(yù)發(fā)、熟化、板材成型等方面的蒸汽壓力、溫度、濕度等進(jìn)行了研究。為消失模板材的生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)，為消失模板鑄造提供有力的保障。