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大吨位酯硬化水玻璃砂热法再生线 |
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作者：锡南铸造机械厂 朱旭东 朱以松 王逢钧 马宗超 |
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摘要：本文主要介绍了无锡市锡南铸造机械厂在国内率先制造并已投放市场的酯硬化水玻璃砂热法再生线。该线已通过由江苏省组织的科技鉴定。来自清华、东大、上海交大、华中理工大、沈阳铸造所、上海沪东造船厂、戚机厂等单位的著名专家、学者对该线进行了现场考察和测试，并作出了高度的评价，对我国铸造旧砂再生技术的这一突破性的进展给予了充分肯定。
主题词：水玻璃砂旧砂 热法再生线 酯硬化
一．水玻璃砂正面临着一次新的发展机遇
自1947年水玻璃砂CO2吹气硬化方法问世以来，一度由于水玻璃加入量过多（6~8%），导致水玻璃砂溃散性差、旧砂再生困难等问题，使其应用受到很大限制。
近年来，随着现代社会对环境的质量要求越来越高，水玻璃砂在环保方面的优势重新引起铸造工作者的重视。20世纪70年代，随着水玻璃有机酯自硬法、真空置换硬化（VRH）法、微波烘干法等新工艺相继开发成功并应用于生产，型砂中水玻璃的加入量减少到CO2吹气硬化法的1/2~1/3，特别是近年来在水玻璃硬化机理方面深入研究所取得的进展，加上各种改性水玻璃和溃散剂的开发和应用，在解决水玻璃砂溃散性、旧砂再生和回用方面取得了突破性进展，这主要表现在：
1．水玻璃砂工艺的改进，使型砂中水玻璃加入量大幅度下降，改善了型砂的溃散性，降低了旧砂再生的难度。例如：有机酯硬化工艺已经可以使水玻璃加入量降到1.8%~2.8%以下。
2．旧砂再生新工艺、新设备的研究开发成功，为水玻璃旧砂再生提供了前所未有的有利条件。
3．对水玻璃基础理论研究的深入，为水玻璃旧砂的再生和再生砂的应用提供了理论指导，使各种物理再生和化学再生方法有机地结合起来，旧砂再生的过程得到简化。干法再生砂已用于大型铸钢件的背砂和中小型铸钢和铸铁件的单一砂。旧砂回用率的提高，不但使生产成本降低，而且有利铸件质量提高。使水玻璃砂膨胀小，高温退让性好和环境污染少的特点得以充分发挥。
目前国内水玻璃砂再生方法一般是干法采用较多，其次是湿法。热法则由于设备的问题，几乎处于空白。“锡南”铸机在热法再生设备方面经过十多年的研究，终于研制出一套可行的高效热法再生系统，为水玻璃砂的再生开辟了一条可靠、经济而实用的崭新途径。
至此，水玻璃砂应用的两大难题：溃散性和再生回用的突破性进展，加上其自身的环保优势，使水玻璃砂真正面临着一次新的发展机遇。
二．热法再生的理论基础
热法再生的理论依据是：对酯硬化的水玻璃旧砂，将其焙烧到300~350℃[1]、[2]，除去水玻璃膜中的自由水、结晶水和残留的有机酯（残留酯的分解温度在300℃以上），使水玻璃膜脆化；为防止脆化膜的回韧，必须在焙烧后立即用机械的撞击和搓擦或气力的冲刷去除残留在旧砂表面已经脆化的水玻璃膜。
一般的不焙烧的干法再生，虽然采用了机械的撞击和搓擦，但由于砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有一定的韧性，完全去除它比较困难；而且旧砂循环使用次数多的情况下，残留Na2O和有机酯的积累也恶化了旧砂的质量。这也是焙烧和不焙烧的区别。
三．热法再生的工艺流程与设备布置
热法再生工艺过程中，有四个值得注意的问题：一是加热温度必须在300~350℃以上，我们称之为焙烧或高温焙烧；二是焙烧过的旧砂应立即进行再生，效果较好，否则冷却后的水玻璃膜可能有回韧现象，增加脱膜难度；三是焙烧、再生后要配置高效的冷却设备。四是二级磁选应该选择在常温的位置。因此，结合通常的干法再生，一条10t/h的热法再生线。
1. 落砂后的旧砂首先经过悬挂式磁选机，去除铁磁物质。
2. 在振动破碎机内，将砂块破碎成单颗粒；同时进行筛分，去除粉尘，并进行初级再生。
3. 进入立式焙烧炉，旧砂被加热到300℃以上，去除游离水、结晶水和部分有机酯，使水玻璃膜脆化，有利下一步的再生。此工序是热法再生的关键，沈阳铸造所、上海交大、华中理工等多家研究和试验均表明，旧砂必须加热到300℃以上。
4. 焙烧后的旧砂立即进入再生机。本线选用的是双级磨盘再生机，每级一对磨盘，它利用强力的搓擦，去除已经焙烧脆化的水玻璃膜。这一工序必须紧接着焙烧后立即进行是因为防止降温后水玻璃膜的吸潮、回韧，影响脱膜效果。
5. 再生后进入风选机，将脱下的膜、粉尘等去除。它对保证再生工艺指标及控制微粉含量具有重要意义。
6. 垂直振动沸腾冷却去灰机，这是热法再生工艺应特别考虑的问题。高温焙烧、再生后的旧砂必须进行冷却。本线选用的冷却设备是我厂多年研制、改进的独家生产的产品，它不但冷却效率高，而且还具有再生、去粉尘和提升的多种功能，因此受到很多用户的青睐。
7. 第二级磁选是本线的又一个靓点。第一道悬挂磁选在砂团破碎前进行，它主要完成了在宏观范围内的杂铁的去除功能，但一些砂团内部包含的细小的铁磁物质或粉粒尚未显露出来，这是其一；其二，再生过程中由于磨擦可能新增一些铁的磁性物质，这样就必须在破碎和再生后，再进行一道磁选，这就是为什么设计两级磁选的原因。
8. 大容量中间砂斗。中间砂斗起各工序以及生产用砂的缓冲和平衡作用，它是一般砂处理线不可忽视的一个组成部分。
9. 砂温调节，众所周知，自硬砂铸造，进入混砂机的砂温都有一定的要求，这个在微小范围内对砂温作进一步细调整（fine-tune）的功能是由砂温调节器来完成的。
10. 以上这些都是酯硬化水玻璃砂热法再生线必不可缺少的工序。这些工序之间，则是靠一些机械化运输设备如振动输送槽、斗式提升机（环链斗提机）、皮带机和气力输送来完成的。
图1是在中美合资苏州某阀门厂应用的热法再生线的设备布置图，该线设备完全按照上述工艺流程进行布置，图中右至左：落砂机→地坑内振动输送槽→地坑内悬挂磁选→斗提机→振动破碎机（黄色）→斗提机→焙烧炉→斗提机→两级离心再生机（黄色）→新型立式螺旋振动沸腾冷却装置（黄色）→磁分离滚筒→斗提机→储砂斗→地坑内气力输送装置，最左边的斗提机为新砂斗提机，除尘器在室外。
图1 酯硬化水玻璃砂热法再生线全景
四．热法再生的关键设备
1．立式焙烧炉
国内大吨位自硬砂热法再生旧砂熔烧炉几乎是空白，少数几家进口焙烧炉，价格在250~270万元人民币左右，一般工厂难以承受。国产小吨位的应用于覆膜砂的焙烧炉已有商品供应。也有个别厂家采用一种小型卧式双螺旋搅拌式加热炉来代替焙烧炉使用，它根本达不到自硬砂焙烧温度的要求，不宜采用。
对于酯硬化水玻璃砂，其热法再生的理论依据是将水玻璃旧砂加热到300~350℃（各种树脂砂则要焙烧到700℃以上），去除粘结剂膜中的自由水、结晶水，破坏残留酯的结构，并使大部分残留酯及其化合物受热分解、挥发，粘结剂膜得以脆化，随即用机械的或气流的撞击、搓擦去除脆化膜。因此焙烧炉的设计原则是保证焙烧炉出砂口的砂温要求，在此前提下，同时要满足生产率、高的热效率、节能和低成本等的要求。
焙烧炉工作原理是利用燃气或燃油燃烧产生的高热量加热介质—空气；再通过高温空气加热砂子；这种高温热空气与冷砂的热交换是按逆流方式进行的，即冷砂自上而下下落，高温热气流自下而上流动。这种逆流换热方式具有高的效率。
焙烧炉（见图2）由炉体、炉膛、燃烧室、进砂口、出砂口、燃烧器、温度测量系统、补风系统、除尘系统、控制系统等几部分组成。
图2 立式自硬砂旧砂焙烧炉（图中中间位置）
当砂流进入焙烧炉后，与上升的高温空气进行逆流式热交换；当热砂下落到燃烧室时，与燃烧的高温火焰直接接触，又进一步升温焙烧，最后从炉底部的出砂口流出。
特殊的炉膛结构保证有足够的热交换面积、行程和时间。二次回烟补风装置的设计思路独特、新颖，它既保证了燃烧空气的需要量又利用了部分余热，节省能耗。
由于补风气流造成对砂子的一定的冲刷作用，焙烧后脆化的粘结剂膜比较容易被去除，因而在焙烧炉内就能有一定的再生效果。整个燃烧和焙烧过程，包括各测温点的温度、燃气量、补风量等全部由PLC自动控制，并配有模拟屏显示，保证了焙烧过程进行的可靠性和稳定性。表1 旧砂焙烧炉技术性能与参数
 根据用户要求，生产率可在5t/h~30t/h范围内变化；树脂砂焙烧温度要求700℃。
该炉在苏州中外合资某阀门厂运行结果表明：
（1）该旧砂焙烧炉完全满足自硬砂（水玻璃砂、树脂砂）焙烧温度的要求；
（2）焙烧炉特殊的炉膛结构，能保证大吨位旧砂快速、高效地进行焙烧；
（3）二次回烟补风装置既能保证高温空气的需要量，又能实现部分余热利用，节省能耗；
（4）测试数据表明，该焙烧炉有较显著的再生效果；
（5）吨砂的燃气耗量、电耗量均较低。
2．立式螺旋振动沸腾冷却装置
焙烧再生后的旧砂必须进行冷却，现有的一种卧式沸腾水冷却装置的致命缺陷是沸腾床容易产生堵塞；冷却水管容易磨损、漏水，且冷却效果差。因此，设计、开发了一种新型立式螺旋振动沸腾冷却器。
其工作原理是利用振动输送，使砂子在螺旋形的沸腾床中盘旋上升；与此同时，由沸腾床底部的螺旋形风箱鼓进冷风，使砂沸腾并冷却。
其结构由底座、振动电机、螺旋形沸腾槽、螺旋形风箱、鼓风机、进风口、进砂口、出砂口、出渣口、筛网、机体外壳、除尘系统等几部分组成。它主要用于水玻璃砂、树脂砂、消失模干砂、V法干砂的冷却。
图4是该新型立式螺旋振动沸腾冷却装置图
和卧式水冷却沸腾床比较，立式振动沸腾冷却装置至少具有下列几大特点：
（1）利用近100m长度的螺旋沸腾槽底部的鼓风对热砂进行沸腾冷却，其冷却行程是普通卧式的12~14倍，有足够的热交换时间，故冷却效果好。
（2）螺旋槽中的砂层较卧式沸腾床的要薄，沸腾比较充分，有利冷却、去灰、除粉尘，并具有一定的螺旋振动再生效果。
（3）进砂温度300℃; 出砂温度40~60℃
（4）利用振动使砂沿螺旋路径爬升，在冷却的同时，具有提升功能。
（5）占地面积比卧式小60%（2200mm×2200mm）。
（6）不会出现像卧式沸腾冷却床那样的堵塞和冷却水容易磨损漏水的问题。
五．热法再生线技术性能及参数
表2给出了该热法再生线的技术性能及参数表2 热法再生线技术性能及参数
 以上数据通过鉴定专家现场测试认可。
表中残留Na2O含量、微粉含量及旧砂回用率等三项指标均创国内先进水平。
六．结论
1．该热法再生线关键设备——熔烧炉完全满足水玻璃砂热法再生温度>300℃~350℃的要求（对树脂砂可达到700℃）。
2．该线按照高温焙烧立即再生的理念布置设备新颖独特，具有创造性。
3．新型立式螺旋振动沸腾冷却装置完全满足旧砂焙烧、再生后冷却降温的要求，同时还具有再生、去粉尘和提升的功能。
4．高的再生砂质量带来高的水玻璃旧砂回用率（≥90~95%），为取消面背砂工艺奠定了基础（该热法再生线应用现场已用100%再生砂造外型）。
5．“双高”（高的再生砂质量、高的旧砂回用率）给企业带来了显著的经济效益。
参考文献
1．中国机械工程学会铸造绘编.铸造手册造型材料分册.北京：机械工业出版社，2002.
2．樊自田等.干法再生酸硬化水玻璃砂的可行性及条件.铸造，1996（11）：8~11(end)
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(2/20/2005) |
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