混砂機(jī)水玻璃系統(tǒng)的改進(jìn)

姚國(guó)濤

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西大同 037001）

0 引言

在鑄造行業(yè)中，利用自硬砂制造砂型已成為當(dāng)今時(shí)代的主流。自硬砂所需的材料有石英砂、水玻璃和固化劑。要求水玻璃和固化劑混入石英砂中，在較短時(shí)間內(nèi)硬化達(dá)到所需的強(qiáng)度，滿足造型起模轉(zhuǎn)運(yùn)的要求[1]。特別是在中大型鑄造廠中，砂型的需求量相當(dāng)大，這就需要提供砂型造型線，而給造型線提供原材料的就是混砂機(jī)[2]。在理想狀態(tài)下，水玻璃、固化劑和石英砂按固定比例在混砂機(jī)中攪拌均勻，而在實(shí)際生產(chǎn)中受各種因素的制約無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。有3種常見的因素制約了生產(chǎn)進(jìn)度：1）水玻璃、固化劑與石英砂混合時(shí)間協(xié)調(diào)不好造成頭砂（就是沒有混合水玻璃和固化劑的干砂）太多。在啟動(dòng)混砂機(jī)后，由于輸送水玻璃和固化劑的管路中存在空氣致使水玻璃和固化劑比石英砂延后到達(dá)混砂機(jī)，到達(dá)的時(shí)間越長(zhǎng)，流出的干砂越多，浪費(fèi)也就越嚴(yán)重。頭砂的產(chǎn)生直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和鑄件成本。2）由于水玻璃（硅酸鈉）是一種礦質(zhì)黏合劑，在空氣中極易與CO2反應(yīng)（Na2Si3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3）[3]，在混砂完成后，水玻璃殘留在噴嘴上，時(shí)間一長(zhǎng)，容易因凝固而造成噴嘴堵塞，用水難以清洗、洗凈，需要有常水源自動(dòng)啟停清洗的裝置，在每次使用完對(duì)其進(jìn)行清洗。3）水玻璃、固化劑溫度過低使混合后的模型硬化時(shí)間過長(zhǎng)，造成生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。由于水玻璃、固化劑受四季及晝夜溫差的影響，硬化時(shí)間長(zhǎng)短不一致，為達(dá)到一個(gè)相同的硬化起模時(shí)間，就需為水玻璃、固化劑加裝可調(diào)溫度系統(tǒng)。針對(duì)以上出現(xiàn)的幾種情況，需要開發(fā)一種操作簡(jiǎn)便且易于實(shí)現(xiàn)的新型水玻璃、固化劑供應(yīng)系統(tǒng)的新型混砂機(jī)。

1 水玻璃循環(huán)系統(tǒng)的組成及運(yùn)行原理

如圖1所示，水玻璃循環(huán)系統(tǒng)由變頻器、傳送電動(dòng)機(jī)、泵體、抽液管道、送液管道、回液管道、換向閥、罐體組成。其中變頻器負(fù)責(zé)設(shè)定水玻璃的流量，變頻器上的數(shù)字所對(duì)應(yīng)的具體流量數(shù)值需要與實(shí)際測(cè)量值對(duì)應(yīng)起來(lái)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵體向混砂機(jī)中提供水玻璃，換向閥用于切換水玻璃的流向，罐體用于儲(chǔ)存水玻璃及固化劑。

圖1 水玻璃循環(huán)系統(tǒng)示意圖

造型開始前，提前開啟循環(huán)系統(tǒng)，換向閥切換到回液管道，此時(shí)送液管道關(guān)閉。泵體將水玻璃由抽液管道抽出，流經(jīng)泵體、換向閥、回液管道，流回罐體中。一段時(shí)間后，通過透明軟管觀察，管道中的水玻璃無(wú)空氣混雜，此時(shí)可開啟混砂機(jī)，同時(shí)切換換向閥，回液管道關(guān)閉。此時(shí)水玻璃由送液管道輸送到混砂機(jī)。在電路控制中，混砂開關(guān)同時(shí)控制混砂和換向閥?；焐伴_始后，換向閥自動(dòng)切換到送液管道?；焐敖Y(jié)束后，換向閥自動(dòng)切換到回液管道，在管道中循環(huán)水玻璃。造型結(jié)束時(shí)，關(guān)閉泵體循環(huán)系統(tǒng)。

2 水玻璃噴嘴及殘砂自動(dòng)清洗設(shè)計(jì)

2.1 裝置的功能

水玻璃噴嘴及殘砂自動(dòng)清洗裝置是一種自動(dòng)控制的裝置，通過機(jī)械部件和電氣元件（PLC等）之間的緊密配合，達(dá)到自動(dòng)清洗的效果。

2.2 裝置的組成

水玻璃噴嘴自動(dòng)清洗裝置包括電氣控制部分、可調(diào)壓力泵及清洗部分。清洗部分包括儲(chǔ)存清洗液（水）的罐體（罐體包含液位顯示）及壓縮氣體管道。

2.3 工作原理

如圖2所示，工作原理為：1）將準(zhǔn)備好的清洗液（水）加入儲(chǔ)存罐內(nèi)，觀察液位顯示。2）設(shè)備管路接通壓縮空氣，由氣動(dòng)閥門控制。3）操作臺(tái)控制面板上有清洗裝置電路總開關(guān)，工作模式可選手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。當(dāng)選擇自動(dòng)工作模式時(shí)，可在控制面板編輯噴淋時(shí)間、噴淋循環(huán)次數(shù)、噴淋壓力、壓縮空氣吹掃時(shí)間及壓縮空氣工作壓力。選擇手動(dòng)模式時(shí)，噴淋壓力及壓縮空氣可提前編輯設(shè)置，噴淋時(shí)間及壓縮空氣吹掃時(shí)間不受控制。4）在水玻璃噴嘴前及混砂懸臂管壁側(cè)方加裝三通閥門，閥門后噴淋頭采用不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕且使用壽命長(zhǎng)。三通閥門采用二進(jìn)一出的運(yùn)作方式，閥門的兩個(gè)入口分別進(jìn)壓縮空氣和水。當(dāng)混砂工作結(jié)束后，混砂機(jī)停止運(yùn)行。將控制面板上的清洗裝置按鈕選到自動(dòng)模式，由控制面板上的PLC控制單元發(fā)出指令，控制水路的氣動(dòng)閥門打開，高壓水泵開始工作，達(dá)到預(yù)置時(shí)間后，控制水路的氣動(dòng)閥門關(guān)閉，高壓水泵停止工作，控制壓縮空氣的閥門打開，通過壓縮空氣對(duì)水玻璃噴嘴及混砂管壁進(jìn)行清掃，如此往復(fù)直至達(dá)到預(yù)置次數(shù)，清洗結(jié)束，清洗后的清洗液及水玻璃石英砂殘留則返回到廢舊液體存儲(chǔ)罐中，定期清理。5）選擇手動(dòng)模式需要人工實(shí)時(shí)操作，打開控制面板上的水清潔功能，打開控制水路的氣動(dòng)閥門及高壓水泵，待廢液出口流出干凈的水為止，此時(shí)關(guān)閉水路打開壓縮空氣進(jìn)行吹掃。6）自動(dòng)模式和手動(dòng)模式各有利弊。自動(dòng)模式無(wú)需人工照看，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，但清洗效果不如手動(dòng)模式。手動(dòng)模式需要人工照看，通過觀察清洗的效果來(lái)關(guān)閉清洗系統(tǒng)，清洗效果明顯高于自動(dòng)模式。

圖2 清洗裝置工作原理圖

3 水玻璃、固化劑恒溫控制系統(tǒng)

儲(chǔ)存水玻璃與固化劑的罐體由2層組成，里面一層裝有水玻璃，外面一層裝有自來(lái)水。在外面罐壁上有料位報(bào)警器，當(dāng)添加的水玻璃超過料位器控制的高度時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警。在使用過程中，當(dāng)水玻璃低于料位器時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警，提醒操作人員添加水玻璃。在罐體裝水的夾層中，裝有加熱棒及溫度控制模塊，通過傳感裝置將溫度顯示在操作臺(tái)上。操作人員可以設(shè)定溫度大小，溫度范圍為15～38 ℃，靈敏度為向下3 ℃，即設(shè)定溫度為28 ℃，當(dāng)溫度低于25 ℃時(shí)加熱棒工作，加熱至28 ℃時(shí)加熱棒停止工作。

4 水玻璃循環(huán)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的校對(duì)

4.1 調(diào)整造型混砂機(jī)砂流量大小

通過氣動(dòng)閥門控制造型混砂機(jī)的砂流量，首先要調(diào)整砂流量的氣動(dòng)閥門以改變砂流量的大小，砂流量大小要合適。在從小到大逐步調(diào)節(jié)閥門的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂流量設(shè)定為140 kg/min時(shí)，出砂平穩(wěn)，沒有砂子外溢或者斷流現(xiàn)象。砂流量太大會(huì)造成兩種后果：1）造成混砂機(jī)攪拌系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟不上，致使型砂攪拌不均，影響鑄模強(qiáng)度；2）使石英砂外溢，懸臂刀頭阻力過大，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪部位造成切齒，甚至損壞電動(dòng)機(jī)。砂流量過小會(huì)產(chǎn)生兩種后果：1）造型時(shí)間加長(zhǎng)，影響工作效率。2）因?yàn)樗Ａё杂采暗目捎脮r(shí)間一般為15 min左右，造型時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使先放的型砂提前硬化，后放入的型砂強(qiáng)度不足，起模時(shí)強(qiáng)度過大會(huì)使鑄模損壞，強(qiáng)度過小會(huì)造成塌箱。根據(jù)可用時(shí)間15 min，砂箱長(zhǎng)寬高為1600 mm×800 mm×600 mm，型砂密度為2.3，除去模型所占空間，所用時(shí)間大約為5 min，完全滿足造型條件。調(diào)整砂流量時(shí)，因?yàn)闆]有專門測(cè)試砂流量的工具，只能通過秒表臺(tái)秤一點(diǎn)一點(diǎn)地控制調(diào)整，并將測(cè)試結(jié)果與氣孔閥門的開度對(duì)應(yīng)起來(lái)，形成一個(gè)完成的參數(shù)。

4.2 調(diào)整水玻璃和固化劑的流量

我們選用的是西門子廠家生產(chǎn)的流量變頻裝置，通過調(diào)整頻率數(shù)值大小來(lái)調(diào)節(jié)水玻璃的流量，齒輪泵型號(hào)為CB-B6，由于水玻璃和固化劑的黏度及密度不同，需要通過手動(dòng)測(cè)量的方式測(cè)量出變頻器上的數(shù)字所對(duì)應(yīng)流量的大小，并作好記錄。

測(cè)量方式如下：準(zhǔn)備1個(gè)臺(tái)秤，2個(gè)量杯并稱重，秒表計(jì)時(shí)器。首先將通有水玻璃的軟管一頭拔出，置于與混砂機(jī)同一高度，定好變頻器數(shù)值，打開水玻璃控制開關(guān)，玻璃從管口流出時(shí)按下計(jì)時(shí)器，1 min后將管口移出量杯，測(cè)出此時(shí)量杯的質(zhì)量。如此反復(fù)，直至測(cè)完所有的數(shù)值，流量大小與變頻器上的數(shù)值對(duì)應(yīng)起來(lái)，作好記錄，為以后設(shè)置參數(shù)留存依據(jù)。

5 調(diào)整前后混砂機(jī)運(yùn)行情況比對(duì)

1）對(duì)水玻璃、固化劑供應(yīng)裝置未做改動(dòng)時(shí)，打開控制柜上的混砂按鈕，幾秒種后砂子從出砂口流出，發(fā)現(xiàn)流出的砂子為干砂，從透明水玻璃軟管里看到水玻璃正從軟管逐漸上升，大約過了20 s后，用手觸及型砂，有濕潤(rùn)感，可以造型（水玻璃占石英砂比例為2.5%，固化劑占水玻璃比例為13%）[4]。一箱完成后，關(guān)閉混砂按鈕，此時(shí)觀察水玻璃液面逐漸回流，再進(jìn)行下一箱操作時(shí)，又重復(fù)之前現(xiàn)象，出現(xiàn)很多干砂?；焐皺C(jī)在關(guān)閉開啟中的過程，都有短暫的約20 s的干砂出現(xiàn)。干砂不能造型，會(huì)影響模型的強(qiáng)度。流出的干砂需要人工清理，增加了人力消耗。對(duì)水玻璃、固化劑供應(yīng)裝置改動(dòng)后，反復(fù)進(jìn)行以上操作，從出砂口流出的全是混好的型砂，不含一點(diǎn)干砂，很大程度上提高了造型質(zhì)量，節(jié)約了成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）水玻璃噴嘴及殘砂自動(dòng)清洗裝置前后運(yùn)行情況對(duì)比。裝置安裝之前，在每次運(yùn)行結(jié)束后都要將水玻璃管路及混砂機(jī)懸臂襯板打開，將水玻璃軟管逐一洗凈晾干，用電動(dòng)工具鋼刷之類的工具對(duì)襯板上的殘余水玻璃砂進(jìn)行打磨清理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。安裝之后，只需在操作面板按下操作按鈕，即可在短時(shí)間內(nèi)完成這些工作。

3）水玻璃、固化劑恒溫控制系統(tǒng)安裝前后對(duì)比。系統(tǒng)安裝前，由于受四季及晝夜溫差的影響，造型硬化時(shí)間長(zhǎng)短不一，起模時(shí)間很難控制，極易造成塌箱及起不出模型。系統(tǒng)安裝后，水玻璃、固化劑有一個(gè)恒定的工作溫度，硬化時(shí)間在四季處在同一個(gè)時(shí)長(zhǎng)，工作難度降低，效率得到很大的提高。

6 改進(jìn)后的水玻璃系統(tǒng)部分技術(shù)參數(shù)

1）混砂能力達(dá)到20 t/h。2）3個(gè)罐體。分別為容積為1個(gè)1000 L的水玻璃罐、1個(gè)1000 L的快酯固化劑[5]罐體和1個(gè)慢酯固化劑[5]罐體。3）水玻璃、固化劑的加入量可無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)，任意比例混合。4）水玻璃、固化劑罐體內(nèi)設(shè)有高低液位顯示裝置，當(dāng)液位過高或過低時(shí)，自動(dòng)聲光報(bào)警裝置會(huì)報(bào)警。5）加裝了水玻璃、固化劑噴嘴自動(dòng)清洗功能。6）水玻璃、固化劑外設(shè)有溢流保護(hù)套桶，在溢流保護(hù)套桶內(nèi)通過恒溫加熱元件對(duì)其進(jìn)行水浴加熱，使其控制在一個(gè)恒定溫度。7）在水玻璃與固化劑罐體內(nèi)設(shè)置有溫度傳感裝置，并將溫度顯示在操作臺(tái)上。8）固化劑與水玻璃的泵體全部使用進(jìn)口泵，壽命更長(zhǎng)。9）向混砂機(jī)液料灌中加料簡(jiǎn)易、方便。

7 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有混砂機(jī)設(shè)備在水玻璃、固化劑供給、清理及保溫方面的改造，解決了混砂機(jī)因水玻璃、固化劑供應(yīng)滯后產(chǎn)生干砂的問題，避免管路堵塞、水玻璃砂殘留，統(tǒng)一了硬化時(shí)間，從而使機(jī)械設(shè)備的技術(shù)性能、總體功能及工作效率得到了質(zhì)的飛躍。