砂型水基石墨涂料在离心铸管生产中的应用
2020-08-01
(安钢集团永通球墨铸铁管有限责任公司,河南 安阳 455133)
铸管承口内腔形状和尺寸是靠承口砂芯形成的,离心铸管生产工艺要求砂型具有良好的尺寸精度、较好的抗粘砂性能、较高的强度。其砂型尺寸精度和抗粘砂性能直接影响离心铸管浇注承口质量。砂型工作表面涂层厚度与铸管承口内腔尺寸大小有关,涂层厚铸管承口内腔尺寸大,超公差后成为废管;涂层薄,铸管承口内腔尺寸小,精整打磨工作量增加;砂型涂层工作表面要承受高温高压铁液的冲刷与侵蚀作用,铁液可能透过涂层渗入砂芯,致使铸管内表面出现粘砂缺陷,粘砂缺陷将破坏密封性能,增加精整打磨工作量。永通铸管公司为解决生产过程中存在的上述问题,对砂型水基石墨涂料和涂刷工艺进行了探索,经过大量的DN80-300 砂型试验,解决了上述问题,减少了铸管粘砂缺陷,保证了铸管承口加工精度,降低了打磨工序成本,提高了产品质量,带来了良好的社会效益和经济效益。
1 问题的提出
1.1 砂型要求
铸管砂型形状见图1,铸管承口形状见图2,砂型见图3,铸管承口见图4.
铸管生产用承口砂型在生产中起决定性的作用,砂型芯既要保证铸管承口成型,又要承受离心机在高速旋转过程中的离心力,以及铁水的冲击力与侵蚀。根据生产统计,DN80-300 砂型约有2%的废品率是由离心铸造过程中碎芯造成的。铸管承口各型面尺寸公差都在毫米级别,要求承口砂芯在制芯结束和刷涂结束后都要有足够的加工精度,因此承口砂芯既要保证成型面尺寸精度,又要具有一定的强度。
图1 铸管砂型形状
图2 铸管承口形状
图3 砂型
图4 铸管承口
2.2 涂敷方式要求
使用DN80-300 mm 制芯中心后,以DN100 mm砂芯为例,生产方式由一模两芯提高到一模四芯,生产效率由80 个/h 提高到220 个/h,效率提升3倍,原人工刷涂速度与质量与制芯效率不能匹配,远不能满足制芯中心生产需要,为了满足生产,对刷涂、流涂、浸涂三种方式进行对比,刷涂方式速度慢,赶不上生产节拍;流涂方式需旋转砂芯,工作效率低,涂料飞溅严重,涂层不均匀;浸涂方式浸涂时间短,涂层均匀,节约涂料,能满足生产节拍,据现场需要,选择浸涂方式。
2.3 生产中存在的问题
铸管生产过程中因砂芯涂料问题易造成的缺陷见表1,砂芯工作面t、t4、d2、d3、d5、d6 位置见图2.
t 为铸管承口端面,t4 为铸管密封槽工作面、d2、d5 为铸管密封胶圈工作面、d3、d6 为铸管安装配合工作面。
表1 砂芯及铸件缺陷
随着砂芯生产效率的提高和涂刷方式的改变,如何完善浸涂砂芯的涂层质量是急需解决的问题。
3 现场工艺对涂料的要求
3.1 浸涂过程
取芯浸涂机器人将砂芯从模具上将砂芯取下,在浸涂池内浸涂,甩涂料三次,然后将砂芯倒放在工作台上,机器人夹具从砂芯的另一面夹取砂芯,将砂芯大端面向下放置在烘干炉的托盘上面。
整个浸涂过程涂料流动方向如图5 所示,小端面先与涂料池中的涂料接触,随着夹具的下沉,由下而上完成浸涂工序,为了减少机器人移动过程中的滴撒,设计机器人甩涂料动作,此时涂料由大端面流到小端面;在翻转工位,机器人夹具实现砂芯的翻转,此时残余的涂料又由小端面到大端面。
由于离心浇注的特殊性,以及水基涂料的渗透性问题,还未有水基涂料离心铸管行业应用,针对目前的现状,根据水基涂料的特性,试验其在机器人浸涂方式中的使用。
3.2 离心铸造对水基涂料的要求
制芯生产过程效率高,以DN100 芯盒为例,每小时生产55 模220 个砂芯,平均1 min 就要在浸涂池浸涂一次,每次浸涂四个砂芯,这就要求涂料在浸涂池内具有极好的悬浮性能;
图5 砂芯浸涂、翻转、放置过程
在浸涂过程中,为了形成均匀的涂层就要求涂料具有优异的浸涂流变性能,形成的涂层均匀,涂层厚度有保障,为减少粘砂现象湿态涂层平均厚度要求300 μm~400 μm.
浸涂结束后,随着砂芯翻转,涂料受重力作用向下流动,因此要求整个涂层光滑、平整,无滴流、堆积。
放置在芯盘上的砂芯随着运输链进入烘干炉,在经过烘干炉烘干后要求涂层常温强度高,不起皮,无裂纹。
4 试验过程
4.1 砂型制造原材料要求及配比
为了保证试验过程的准确性,采用表2 所示原材料及配比。
砂型使用40~100 目(占比95%以上)的型砂进行制芯,双组份树脂(酚醛树脂、聚异氰酸脂)粘结剂按照1:1,总配比占混砂重量的1.0%~1.1%,固化剂三乙胺按照15 ml~20 ml 配加。
表3 水基涂料技术指标
4.2 涂料指标对比
水基涂料一般由占70%~80%石墨、铝硅酸盐,占20%左右的粘结剂、悬浮剂和其他助剂组成,砂型表面涂敷涂料过程中的悬浮性、流平性、渗透性及高温浇注过程中的耐火度、发气量是其主要指标。
在试验过程中对国内3 个厂家的水基涂料悬浮性、耐火度、发气量指标进行对比,指标如表3.
根据试验结果,三种涂料的悬浮性、耐火度、发气量都能满足要求,根据浸涂工艺要求,需对水基石墨涂料的流平性和渗透性进一步试验,以选择最佳的涂料。
4.3 水基石墨涂料流平性
砂型浸涂涂料后,不允许表面有明显的流痕,面要光亮平整,不能有气孔、裂纹、流痕等缺陷也不允许出现涂层厚度不均匀,因此涂料要有良好流平性。
图6 三种水基涂料浸涂效果
表4 三种水基涂料流平性测试
表5 涂层厚度
如图6 和表4 所示,通过对三种涂料的流平性和渗透性数据进行比较,涂料3 的指标优于其他两个。
4.4 涂层厚度的确定
经过上述流平性和渗透性试验指标对比,选择涂料3 用于生产,为防止涂料使用过程中出现粘砂、粘铁等增加精整打磨量的缺陷,涂料3 按照不同配比进行试验,测试使用性能。
从表5 中可以看出涂层湿膜厚度达到0.285 mm~0.335 mm 时,铸管承口内腔表面光滑,仅有少量粘砂或不粘砂现象,没有出现因涂料原因报废,故将涂料的湿膜厚度确定在0.285 mm~0.315 mm 之间。为了方便现场控制涂料湿膜厚度,在生产过程通过调节水的加入量,用波美度比重计测量搅拌后的水基石墨涂料的波美度,将指标控制在35~40 之间。
5 结束语
根据离心铸管的特殊性,为保证铸管承口质量,提出了对砂型涂料的要求,选用砂型浸涂上涂料的方式,通过对水基涂料各项指标的试验研究,确定了波美度最佳指标为35~40,涂料湿膜厚度确定在0.285 mm~0.315 mm 之间,减少了涂层缺陷,防止铸管承口产生缺陷,大幅降低制造成本,大幅度降低铸件清理工作量,提高生产效率。