混砂機水玻璃系統的改進

姚國濤

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備公司中央機廠，山西大同 037001）

0 引言

在鑄造行業中，利用自硬砂制造砂型已成為當今時代的主流。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，在較短時間內硬化達到所需的強度，滿足造型起模轉運的要求[1]。特別是在中大型鑄造廠中，砂型的需求量相當大，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[2]。在理想狀態下，水玻璃、固化劑和石英砂按固定比例在混砂機中攪拌均勻，而在實際生產中受各種因素的制約無法達到理想狀態。有3種常見的因素制約了生產進度：1）水玻璃、固化劑與石英砂混合時間協調不好造成頭砂（就是沒有混合水玻璃和固化劑的干砂）太多。在啟動混砂機后，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混砂機，到達的時間越長，流出的干砂越多，浪費也就越嚴重。頭砂的產生直接影響到產品質量和鑄件成本。2）由于水玻璃（硅酸鈉）是一種礦質黏合劑，在空氣中極易與CO2反應（Na2Si3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3）[3]，在混砂完成后，水玻璃殘留在噴嘴上，時間一長，容易因凝固而造成噴嘴堵塞，用水難以清洗、洗凈，需要有常水源自動啟停清洗的裝置，在每次使用完對其進行清洗。3）水玻璃、固化劑溫度過低使混合后的模型硬化時間過長，造成生產周期延長，影響生產效率。由于水玻璃、固化劑受四季及晝夜溫差的影響，硬化時間長短不一致，為達到一個相同的硬化起模時間，就需為水玻璃、固化劑加裝可調溫度系統。針對以上出現的幾種情況，需要開發一種操作簡便且易于實現的新型水玻璃、固化劑供應系統的新型混砂機。

1 水玻璃循環系統的組成及運行原理

如圖1所示，水玻璃循環系統由變頻器、傳送電動機、泵體、抽液管道、送液管道、回液管道、換向閥、罐體組成。其中變頻器負責設定水玻璃的流量，變頻器上的數字所對應的具體流量數值需要與實際測量值對應起來。電動機帶動泵體向混砂機中提供水玻璃，換向閥用于切換水玻璃的流向，罐體用于儲存水玻璃及固化劑。

圖1 水玻璃循環系統示意圖

造型開始前，提前開啟循環系統，換向閥切換到回液管道，此時送液管道關閉。泵體將水玻璃由抽液管道抽出，流經泵體、換向閥、回液管道，流回罐體中。一段時間后，通過透明軟管觀察，管道中的水玻璃無空氣混雜，此時可開啟混砂機，同時切換換向閥，回液管道關閉。此時水玻璃由送液管道輸送到混砂機。在電路控制中，混砂開關同時控制混砂和換向閥。混砂開始后，換向閥自動切換到送液管道。混砂結束后，換向閥自動切換到回液管道，在管道中循環水玻璃。造型結束時，關閉泵體循環系統。

2 水玻璃噴嘴及殘砂自動清洗設計

2.1 裝置的功能

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

2.2 裝置的組成

水玻璃噴嘴自動清洗裝置包括電氣控制部分、可調壓力泵及清洗部分。清洗部分包括儲存清洗液（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）將準備好的清洗液（水）加入儲存罐內，觀察液位顯示。2）設備管路接通壓縮空氣，由氣動閥門控制。3）操作臺控制面板上有清洗裝置電路總開關，工作模式可選手動模式和自動模式。當選擇自動工作模式時，可在控制面板編輯噴淋時間、噴淋循環次數、噴淋壓力、壓縮空氣吹掃時間及壓縮空氣工作壓力。選擇手動模式時，噴淋壓力及壓縮空氣可提前編輯設置，噴淋時間及壓縮空氣吹掃時間不受控制。4）在水玻璃噴嘴前及混砂懸臂管壁側方加裝三通閥門，閥門后噴淋頭采用不銹鋼材質，耐腐蝕且使用壽命長。三通閥門采用二進一出的運作方式，閥門的兩個入口分別進壓縮空氣和水。當混砂工作結束后，混砂機停止運行。將控制面板上的清洗裝置按鈕選到自動模式，由控制面板上的PLC控制單元發出指令，控制水路的氣動閥門打開，高壓水泵開始工作，達到預置時間后，控制水路的氣動閥門關閉，高壓水泵停止工作，控制壓縮空氣的閥門打開，通過壓縮空氣對水玻璃噴嘴及混砂管壁進行清掃，如此往復直至達到預置次數，清洗結束，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罐中，定期清理。5）選擇手動模式需要人工實時操作，打開控制面板上的水清潔功能，打開控制水路的氣動閥門及高壓水泵，待廢液出口流出干凈的水為止，此時關閉水路打開壓縮空氣進行吹掃。6）自動模式和手動模式各有利弊。自動模式無需人工照看，可實現自動啟停，但清洗效果不如手動模式。手動模式需要人工照看，通過觀察清洗的效果來關閉清洗系統，清洗效果明顯高于自動模式。

圖2 清洗裝置工作原理圖

3 水玻璃、固化劑恒溫控制系統

儲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，外面一層裝有自來水。在外面罐壁上有料位報警器，當添加的水玻璃超過料位器控制的高度時，聲光報警器報警。在使用過程中，當水玻璃低于料位器時，聲光報警器報警，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上。操作人員可以設定溫度大小，溫度范圍為15～38 ℃，靈敏度為向下3 ℃，即設定溫度為28 ℃，當溫度低于25 ℃時加熱棒工作，加熱至28 ℃時加熱棒停止工作。

4 水玻璃循環系統各項參數的校對

4.1 調整造型混砂機砂流量大小

通過氣動閥門控制造型混砂機的砂流量，首先要調整砂流量的氣動閥門以改變砂流量的大小，砂流量大小要合適。在從小到大逐步調節閥門的過程中發現，當砂流量設定為140 kg/min時，出砂平穩，沒有砂子外溢或者斷流現象。砂流量太大會造成兩種后果：1）造成混砂機攪拌系統轉速跟不上，致使型砂攪拌不均，影響鑄模強度；2）使石英砂外溢，懸臂刀頭阻力過大，對傳動機構齒輪部位造成切齒，甚至損壞電動機。砂流量過小會產生兩種后果：1）造型時間加長，影響工作效率。2）因為水玻璃自硬砂的可用時間一般為15 min左右，造型時間過長會使先放的型砂提前硬化，后放入的型砂強度不足，起模時強度過大會使鑄模損壞，強度過小會造成塌箱。根據可用時間15 min，砂箱長寬高為1600 mm×800 mm×600 mm，型砂密度為2.3，除去模型所占空間，所用時間大約為5 min，完全滿足造型條件。調整砂流量時，因為沒有專門測試砂流量的工具，只能通過秒表臺秤一點一點地控制調整，并將測試結果與氣孔閥門的開度對應起來，形成一個完成的參數。

4.2 調整水玻璃和固化劑的流量

我們選用的是西門子廠家生產的流量變頻裝置，通過調整頻率數值大小來調節水玻璃的流量，齒輪泵型號為CB-B6，由于水玻璃和固化劑的黏度及密度不同，需要通過手動測量的方式測量出變頻器上的數字所對應流量的大小，并作好記錄。

測量方式如下：準備1個臺秤，2個量杯并稱重，秒表計時器。首先將通有水玻璃的軟管一頭拔出，置于與混砂機同一高度，定好變頻器數值，打開水玻璃控制開關，玻璃從管口流出時按下計時器，1 min后將管口移出量杯，測出此時量杯的質量。如此反復，直至測完所有的數值，流量大小與變頻器上的數值對應起來，作好記錄，為以后設置參數留存依據。

5 調整前后混砂機運行情況比對

1）對水玻璃、固化劑供應裝置未做改動時，打開控制柜上的混砂按鈕，幾秒種后砂子從出砂口流出，發現流出的砂子為干砂，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，關閉混砂按鈕，此時觀察水玻璃液面逐漸回流，再進行下一箱操作時，又重復之前現象，出現很多干砂。混砂機在關閉開啟中的過程，都有短暫的約20 s的干砂出現。干砂不能造型，會影響模型的強度。流出的干砂需要人工清理，增加了人力消耗。對水玻璃、固化劑供應裝置改動后，反復進行以上操作，從出砂口流出的全是混好的型砂，不含一點干砂，很大程度上提高了造型質量，節約了成本，降低了工人的勞動強度。

2）水玻璃噴嘴及殘砂自動清洗裝置前后運行情況對比。裝置安裝之前，在每次運行結束后都要將水玻璃管路及混砂機懸臂襯板打開，將水玻璃軟管逐一洗凈晾干，用電動工具鋼刷之類的工具對襯板上的殘余水玻璃砂進行打磨清理，費時費力。安裝之后，只需在操作面板按下操作按鈕，即可在短時間內完成這些工作。

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

6 改進后的水玻璃系統部分技術參數

1）混砂能力達到20 t/h。2）3個罐體。分別為容積為1個1000 L的水玻璃罐、1個1000 L的快酯固化劑[5]罐體和1個慢酯固化劑[5]罐體。3）水玻璃、固化劑的加入量可無級連續調節，任意比例混合。4）水玻璃、固化劑罐體內設有高低液位顯示裝置，當液位過高或過低時，自動聲光報警裝置會報警。5）加裝了水玻璃、固化劑噴嘴自動清洗功能。6）水玻璃、固化劑外設有溢流保護套桶，在溢流保護套桶內通過恒溫加熱元件對其進行水浴加熱，使其控制在一個恒定溫度。7）在水玻璃與固化劑罐體內設置有溫度傳感裝置，并將溫度顯示在操作臺上。8）固化劑與水玻璃的泵體全部使用進口泵，壽命更長。9）向混砂機液料灌中加料簡易、方便。

7 結語

通過對現有混砂機設備在水玻璃、固化劑供給、清理及保溫方面的改造，解決了混砂機因水玻璃、固化劑供應滯后產生干砂的問題，避免管路堵塞、水玻璃砂殘留，統一了硬化時間，從而使機械設備的技術性能、總體功能及工作效率得到了質的飛躍。