一種新型鑄造舊砂熱法再生系統(tǒng)及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用

唐榮聯(lián)，趙 錦

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

目前，我國是世界上最大的鑄件生產(chǎn)國家。2010年中國鑄件總產(chǎn)量超過3 500萬t[1]，其中80%以上采用的是砂型鑄造，包括樹脂砂、黏土砂、潮模砂、水玻璃砂等。據(jù)統(tǒng)計：每生產(chǎn)1 t鑄件要排放1 t廢砂，并且要加入1 t新砂，我國鑄造車間（廠）的舊砂排放量占固體廢物總排放量首位，達(dá)70%多[2]。因此，對鑄造舊砂再生回用，不僅可以節(jié)約寶貴的新砂資源，減少舊砂引起的環(huán)境污染，還可節(jié)省成本，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益。舊砂再生是現(xiàn)代化鑄造車間不可缺少的組成部分[3]。

熱法再生就是利用加熱焙燒的方式去除舊砂中的有機黏結(jié)劑等雜質(zhì)，再回收舊砂進行多次利用。熱法再生砂質(zhì)量穩(wěn)定，砂粒形貌圓整，砂粒表面的樹脂膜去除干凈，且消除了砂粒相變應(yīng)力[4]。舊砂的熱法再生是目前砂再生技術(shù)的主要發(fā)展方向。

目前國內(nèi)的舊砂的熱法再生多是通過火焰與舊砂的直接接觸，燃燒去除舊砂表面有機膜。但火焰局部溫度過高，研究表明：當(dāng)溫度超過870℃，石英砂相變膨脹增加17.26%[5]，容易發(fā)生粉化；當(dāng)火焰溫度超過一定值時，SiO2會與Na+等發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生結(jié)團現(xiàn)象，影響再生砂的質(zhì)量。有鑒于此，本文介紹了一種新型的舊砂熱法再生系統(tǒng)，采用非火焰直接接觸方式對舊砂進行熱法再生，且已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

1 熱法砂再生系統(tǒng)

1.1 熱法砂再生系統(tǒng)

新熱法再生系統(tǒng)是我公司在引進美國EC&S公司的熱法再生技術(shù)與核心設(shè)備開發(fā)而成，舊砂處理能力為12 t/h，實際最大處理能力可達(dá)15 t/h.主要包括：焙燒爐、砂冷卻器、換熱器、旋風(fēng)除塵器、砂溫調(diào)節(jié)器等設(shè)備。除此之外，還有配套的除塵系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)。圖1為舊砂熱法再生系統(tǒng)圖。

具體流程為：進料砂倉中的舊砂通過螺旋給料機定量進入焙燒爐。舊砂在爐內(nèi)經(jīng)過600℃/h以上高溫焙燒后，從出砂口進入砂冷卻器。高溫再生砂在砂冷卻器內(nèi)通過沸騰式風(fēng)冷、水冷相結(jié)合的方式冷卻至50℃以下，經(jīng)由砂溫調(diào)節(jié)器后輸送至砂庫暫存。

從焙燒爐出來的高溫?zé)煔饨?jīng)過兩級換熱器，溫度降為350℃.空氣經(jīng)換熱器被預(yù)熱到300℃以上進入焙燒爐助燃。煙氣由旋風(fēng)除塵器進行粗除塵后，與砂冷卻器出來的熱風(fēng)混合，再經(jīng)高效除塵過濾后排放。

旋風(fēng)除塵器回收砂的顆粒度可以調(diào)節(jié)，從回砂管流入砂冷卻器中，既可對再生砂的粒徑進行調(diào)節(jié)，又提高了再生率。

圖1 熱法砂再生系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用二層網(wǎng)絡(luò)組成，即設(shè)備層、控制層。整條線就近可以手動操作，遠(yuǎn)程也可以實現(xiàn)手動操作、自動操作。中控室對設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控。在操作臺上設(shè)定啟停按鈕，實現(xiàn)一鍵啟動功能。

主畫面包含熱法砂再生系統(tǒng)所有子系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、壓力溫度等調(diào)節(jié)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。

將模糊控制運用到再生爐溫度、壓力控制。根據(jù)系統(tǒng)的擾動量、溫度偏差、壓力偏差、偏差變化等特征狀態(tài)，使系統(tǒng)切換到不同的控制算法，能有效實施焙燒爐及砂冷卻器溫度、壓力穩(wěn)定控制。

1.2 焙燒爐

焙燒爐采用鼓泡流態(tài)化原理，砂子在爐內(nèi)以流化方式加熱并運動至出砂口。舊砂在爐內(nèi)運動時間約為60 min.焙燒爐能夠處理100%黏土砂、100%芯砂以及任意比例的混合物不同種類的鑄造舊砂。

圖2 焙燒爐結(jié)構(gòu)圖

圖2為焙燒爐原理圖，爐體由上、下兩個室體構(gòu)成，中間由耐火材料平臺分隔開，下部為專門的燃燒室，上部為舊砂焙燒室。

燃燒室設(shè)有燃燒器口和沸騰風(fēng)（又稱二次風(fēng)）入口。通過調(diào)節(jié)助燃風(fēng)和沸騰風(fēng)調(diào)節(jié)熱功率、實現(xiàn)對熱風(fēng)溫度、流化風(fēng)量的控制。根據(jù)舊砂種類不同，處理溫度控制在600℃～800℃，煙氣溫度過低不能保證將舊砂中有機物完全燃燒。沸騰風(fēng)與燃燒器在燃燒室周向合理布置，保證進入燃燒室的熱風(fēng)混合均勻。

爐體上段與下段之間為耐高溫承重平臺，由多層不同耐火材料組成。平臺中均勻分布一定數(shù)量的通氣孔，燃燒室熱風(fēng)從這些氣孔中進入砂焙燒室。平臺能承受爐內(nèi)舊砂的重量和運動荷載。平臺中通氣孔上端為特制的T形熱風(fēng)噴嘴，可防止砂通過噴嘴漏入燃燒室。

2 應(yīng)用效果

12 t/h的新型熱法砂再生系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)某鑄造廠，該廠全部采用三乙胺冷芯工藝，樹脂加入量1.2%～1.5%.系統(tǒng)經(jīng)過初步運行，再生砂質(zhì)量穩(wěn)定。

2.1 LOI值

該廠舊砂為100%樹脂砂，焙燒溫度設(shè)定為650℃.圖3為熱法砂再生系統(tǒng)運行階段再生砂樣品LOI值。生產(chǎn)運行時，每隔一小時取一次樣，按時間順序依次對再生砂樣品進行編號。由圖3可見，再生砂LOI均低于0.2%，且隨著時間的增加，LOI值逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.1%以下。

圖3 再生砂LOI值

2.2 再生率

冷卻后的再生砂通過氣力發(fā)送罐輸送至砂庫。通過記錄生產(chǎn)一定時間內(nèi)發(fā)送砂的罐數(shù)量確定再生砂的產(chǎn)量，再結(jié)合除塵器收集到的粉塵重量，確定再生率。

統(tǒng)計期內(nèi)，共發(fā)送再生砂量為140.6 t，從除塵器中收集的粉塵重量為3.58 t.則熱法再生系統(tǒng)的再生率為97.5%.

2.3 粒度分布與細(xì)度

再生砂粒度分布如表1，再生砂的四篩集中度為96.9%，平均細(xì)度為46.59目.設(shè)計要求40/100目再生砂的四篩集中度為90%以上，平均細(xì)度為45目～48目，可見再生砂均達(dá)到設(shè)計所要求的粒度分布與細(xì)度。

表1 再生砂粒度分布與細(xì)度

2.4 天然氣消耗

記錄8 h內(nèi)天然氣總耗量2 205.1 m3/h，舊砂處理量為13 t/h，天然氣消耗量為275.6 m3/h，平均每處理1 t舊砂的天然氣消耗為21.2 m3.目前，國內(nèi)在運行的小噸位焙燒爐的天然氣消耗可達(dá)18 m3/t.圖4為新型砂再生系統(tǒng)天然氣消耗與天然氣消耗水平對比?？梢?，新型熱法砂再生系統(tǒng)的天然氣消耗量相比于國內(nèi)火焰接觸式焙燒爐仍然偏高，還有一定的提高空間。

圖4 天然氣耗量

3 技術(shù)優(yōu)勢與不足

3.1 技術(shù)優(yōu)勢

相對于大多火焰接觸式鑄造砂熱法再生設(shè)備，新型熱法再生系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢：

1）燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)犸L(fēng)與舊砂強耦合換熱，避免了火焰與舊砂的直接接觸，提高了再生質(zhì)量；

2）強耦合流化換熱，熱風(fēng)與舊砂快速均勻熱交換；

3）砂與熱風(fēng)，砂與砂之間相互搓擦，促進舊砂表面的有機黏結(jié)劑等快速燃燒；

4）焙燒爐能夠處理鑄造舊砂種類多；

5）高溫?zé)犸L(fēng)將舊砂中的有機物等完全燃燒，無二惡英產(chǎn)生，確保了排煙對環(huán)境無污染；

6）舊砂處理質(zhì)量好，灼減量小于0.2%，砂再生率高；

7）對煙氣帶走的砂粒進行有效回收，控制再生砂的粒徑分布，提高了再生率；

8）自動化程度高，采用模糊控制原理對到整個砂再生系統(tǒng)流量、溫度和壓力自動調(diào)節(jié)，控制穩(wěn)定；

9）系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備安排緊湊，設(shè)備基礎(chǔ)小，土建投資省。

3.2 存在的不足

新熱法砂再生系統(tǒng)仍然有很多不足，需要進一步改進之處主要體現(xiàn)為：

1）天然氣消耗相對于國內(nèi)先進水平仍然偏高，主要原因有：為保證煙氣中有機物黏結(jié)劑等完全燃燒，無二惡英，設(shè)置的焙燒溫度高；對高溫砂中余熱沒有進行回收，這是造成能耗高的又一因素；

2）由于助燃風(fēng)機與冷卻風(fēng)機都是采用高壓風(fēng)機，風(fēng)機的噪音偏高，必須對風(fēng)機進行專門的隔音處理。

4 改進方案分析

針對該熱法再生系統(tǒng)能耗量偏高，大量余熱未得到回收利用這一難題，提出針對10 t/h以上熱法砂再生系統(tǒng)中低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)。利用砂冷卻器預(yù)熱段和出換熱器的煙氣余熱進行溴化鋰吸收式制冷代替現(xiàn)有螺桿制冷機，用于調(diào)節(jié)砂溫技術(shù)。

以12 t/h熱法砂再生系統(tǒng)為例，經(jīng)計算砂冷卻器預(yù)熱段和出換熱器的煙氣余熱資源量約為5.1 GJ/h，用于砂溫調(diào)節(jié)器溴化鋰吸收式制冷機組需要的熱量為2.5 GJ/h，完全能夠滿足制冷的需求。

對比12 t/h熱法砂再生系統(tǒng)中，余熱制冷與螺桿壓縮式制冷系統(tǒng)的主要性能參數(shù)和輔助設(shè)備參數(shù)見表2、表3.

表2 制冷機主要參數(shù)

表3 輔助設(shè)備功率（kW）

由表2、3可見，冷機組總功率仍然比螺桿壓縮制冷機少31 kW.原系統(tǒng)中除塵風(fēng)機功率為315 kW，由于該余熱回收方案未對煙氣摻新風(fēng)，除塵風(fēng)量降低40%，風(fēng)機實際用電功率又比原系統(tǒng)減少約100 kW.按每年設(shè)備運行300 d，每天24h，電費0.85元/kW·h，每年可節(jié)省運行費用約80萬元。

綜合考慮系統(tǒng)增加的換熱器、管路及保溫，余熱回收的雙效溴化鋰吸收式制冷機比螺桿壓縮制冷機成本多投入約50萬元。

雖然在12 t/h的砂再生系統(tǒng)中，初期投資溴化鋰吸收式制冷機高于螺桿壓縮制冷機近50萬元，但一年可節(jié)省運行費近80萬元。因此，熱法砂再生系統(tǒng)中低溫?zé)煔庥酂嶂评溆糜谡{(diào)節(jié)再生砂溫度方案是可行的。

當(dāng)然對于不同產(chǎn)能的舊砂熱法再生系統(tǒng)，用余熱制冷方式是否經(jīng)濟要根據(jù)實際情況而定。但余熱制冷用于調(diào)節(jié)砂溫，為舊砂再生系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供了一個新的思路。

5 結(jié)論

新型的熱法砂再生系統(tǒng)采用非火焰直接接觸方式對舊砂進行再生處理，該系統(tǒng)舊砂處理種類多，處理速度快并且再生砂質(zhì)量穩(wěn)定；系統(tǒng)排煙中有機廢氣完全處理干凈，對環(huán)境無污染；系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)小，土建投資省。針對該熱法再生系統(tǒng)能耗相對于國內(nèi)先進水平偏高的情況，提出利用煙氣低溫余熱制冷調(diào)節(jié)砂溫的改進方案，分析證明該方案是可行的，并且節(jié)能效果明顯。

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［3］樊自田.鑄造設(shè)備及自動化［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

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［5］張才元.焙燒石英砂及其應(yīng)用［J］.鑄造技術(shù)，2004（6）：422-423.