砂温调节器在铸造砂型3D 打印中的应用

李培亮

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

为节省铸造成本，铸造用砂都是采用旧砂再生进行循环利用。而旧砂再生后温度较高需要通过砂温调节器降低到一定温度才能使用，3D 打印用砂对于温度的控制又比较严格，砂温的高度会直接影响树脂及固化剂的反应速度和发气量，从而影响砂芯的质量[1]。目前砂温调节器主要存在精度低、误差大以及容易堵塞的问题。本文主要从硬件设置和程序控制两个方面来解决这些问题。

1 砂温调节器结构组成及工作原理

1.1 砂温调节器的结构组成

图1 所示为砂温调节器结构示意图，砂调主要由本体、砂调上下砂库、冷却系统、温度检测系统、插板阀等构成。图1 中，101 为插板阀，102 为进水口，103 为出水口，104 为冷却水管，105 为控制热电偶，106 为对比热电偶，107 与108 为检修门，201 为下料位，202 为堆积砂。

图1 砂调结构示意图

1.2 砂温调节器的工作原理

砂调上砂库用来缓存待冷却的砂子，3D 打印用砂灼减量要求要小于0.2%，机械再生方式很难保证，一般通过热法再生来循环利用砂子，经过热法再生冷却后进入砂调上砂库的砂子温度一般高于100 ℃[2]，需要通过砂调将温度精确控制到3D 用砂所需求的温度范围。砂调内部均匀布满冷却水管，下方为进水口，上方为出水口，水管在砂调内部间隙易在15 mm～20 mm，砂调中的砂子填充在水管的间隙中，间隙太小砂子容易堵塞，间隙太大降温效果不明显。水管下方有检测砂温的传感器和放砂的插板阀，当砂子降低到指定的温度时，打开插板阀放砂。

2 硬件的设置

2.1 砂库料位计高度的确定

图2 所示为砂库料位计布局图。砂调上砂库须设置下料位，若砂库下料位触发，说明砂调上砂库中已经没有砂了，应阻止砂调继续放砂，否则砂调本体中的砂子放空后内部的冷却水管就会暴露在空气中，空气与水管壁接触就会因预冷液化，导致冷却水管壁结露，砂子再次覆盖水管就会打湿结块，堵塞砂调，局部堵塞后会影响砂调内部砂子流动效果和整体的降温效果，严重时会导致热电偶周围砂子不流动，热电偶感应假温度而使热砂未冷却就从插板阀放下去，影响后端用砂设备的砂芯质量。因砂子静态时会有一个堆积角度[3]，若下料位高度设置不合理，则会出现下料位没有触发，但局部砂位已经降低到冷却水管暴露在空气中的高度，因此下料位高度需要经过计算得出，可以参考公式（1）计算：

图2 砂库料位计布局图

式中：h-料位计高度；w-砂库的宽度；l-料位计的长度；α-砂子的静态堆积角度。

2.2 温度传感器的要求

本文以热电偶为温度传感器来阐述使用要求：砂调本体中的砂子通过与冷却水管进行热交换达到降温的效果，而热电偶主要用来检测砂调中的砂子实际砂温，当砂温降低到要求的温度时，打开插板阀放砂，要对砂温进行精确控制，则对热电偶的位置及热电偶的数量又有如下的要求。

2.2.1 热电偶位置

热电偶设置在最底层的冷却水管下端，距离与冷却水管之间的间隙保持一致。若热电偶距离冷却水管太近，水管壁的温度会影响热电偶检测的砂温精度。若热电偶距离冷却水管太远，冷却水管不能有效冷却热电偶周围的砂子（冷却水管周围的砂子，距离水管越远，降温速度就越慢），因此热电偶检测的砂温不能代表目前砂温真实的状态。

2.2.2 热电偶数量

如图1，热电偶采用两组，105 为控制热电偶（用来检测砂温，控制插板阀的开关），106 为对比热电偶（检测两个热电偶的温差，判断是否有热电偶出现故障）。对比热电偶的作用为：当控制热电偶与对比热电偶的温差大于3 ℃时，说明两个热电偶有一个有故障，此时需要报警提示，将热电偶进行校准或更换新的热电偶，防止因热电偶检测的温度误差而导致砂温不合格就打开插板阀放砂。

2.3 水冷系统的要求

由于冷却水从砂调进水口102 进去，将砂子冷却后从103 出水口出来，那么出水口的温度相比进水口就会升高很多，需要外部的冷却系统将水温降低到一定的温度后才能再次进入砂调，达到给砂调持续降温的作用。现有的冷却系统的水温控制技术目前比较成熟，本文不再赘述，砂调进水口的水温要求相对恒定，供水温度宜比砂子要求的温度中心值低10 ℃左右（如砂温中心值要求是25 ℃，则冷却水温控制在15 ℃左右），温差太大，冷却系统的能耗高，温差太小，砂调的降温效率太低。如图1，冷却水从砂调下方的进水口102 进入冷却水管104，将砂子循环冷却后，从砂调上方的出水口103 出来。

3 程序控制系统

通过热电偶检测砂温，当砂温降低到设定值后，插板阀间隔打开放砂，每次开启时间2 s，间隔1 min，当温度高于上限时，停止放砂。若温度长时间高于上限，需要临时打开一次插板阀2 s，防止热电偶检测误差。

3.1 砂调上砂库下料位在程序控制中的作用

当下料位触发时，不允许打开插板阀放砂，否则砂位会降低至冷却水管以下，导致冷却水管壁结露，从而打湿砂子结块。

3.2 插板阀开启的温度条件

如砂温要求为25 ℃±2 ℃，当热电偶检测砂温降低至23 ℃时，打开插板阀，开始放砂，当砂温升高至27 ℃时，关闭插板阀，停止放砂，当砂温再一次降低至23 ℃时再次开启放砂，如此循环，控制冷却后的砂温在23 ℃～27 ℃.

3.3 插板阀的开启频次

由于热电偶感应实际温度需要时间，所以插板阀的开启需要间隔开启，即到放砂温度23 ℃时，插板阀打开2 s 后关闭（这个时间与砂调的尺寸以及插板阀漏砂孔的大小有关，实际根据放砂一次，砂温升高不超过1 ℃为原则），间隔1 min 再打开2 s，如此循环，直到砂温升高至27 ℃时，停止放砂。

3.4 热电偶检测误差消除

由于热电偶位于冷却水管的下方，砂子冷却速度与冷却水管缝隙中的砂子冷却速度不一致，导致热电偶检测的砂温与实际值有一定的差异，会导致砂温长时间低于27 ℃，但未达到23 ℃的开启放砂条件，若此时手动开启一次放砂，会发现温度低于23 ℃了，说明放砂前热电偶感应的砂温与真实温度有差异，此时就需要设置二级自动放砂条件。若砂温在23 ℃～27 ℃之间维持30 min 以上（每个设备这个时间不一致，可根据实际情况设定），此时应该自动开启一次放砂，砂子经过一次流动后，此时热电偶感应的砂温才是真实的温度，再次回到循环放砂的状态。

4 结语

在碳中和的大背景下，资源循环利用与节能减排要同时考虑，因此建议：设计砂温调节器时在保证出砂温度的同时综合考虑能耗、效率以及余热利用等方面的问题。