黏土舊砂完全再生成套設(shè)備

孫清洲，張普慶，許榮福

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

我國(guó)是鑄件生產(chǎn)大國(guó)，2013年鑄件年產(chǎn)量達(dá)到了4450萬(wàn)t.據(jù)估計(jì)有半數(shù)以上的鑄件采用黏土砂工藝生產(chǎn)。按照我國(guó)鑄造行業(yè)的通俗說(shuō)法，采用黏土砂鑄造工藝每生產(chǎn)1t鑄件，將排出1t廢砂，為此我國(guó)每年將排出大量的黏土廢砂。在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，每生產(chǎn)1t鑄件排放0.22t廢砂，與此相比，在相同鑄件產(chǎn)量的情況下，我國(guó)的廢砂排放量約是日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的5倍。這不僅造成資源的巨大浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的污染，為此，推廣黏土舊砂再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)黏土舊砂的再生回用，減少鑄造生產(chǎn)過(guò)程中廢砂的排放，對(duì)于降低鑄件生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境和自然資源具有十分重要的意義。

黏土舊砂完全再生是一種通過(guò)再生使砂子恢復(fù)到類(lèi)似新砂鑄造工藝性能的再生方法。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)現(xiàn)，高溫脆化＋脆化舊砂冷卻＋機(jī)械再生＋微粉分離的黏土舊砂完全再生工藝是適合我國(guó)國(guó)情的黏土舊砂完全再生工藝，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)與其相配套的黏土舊砂完全再生成套設(shè)備成為黏土舊砂完全再生技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)健，為此，我校鑄造清潔生產(chǎn)技術(shù)研究課題組在山東省科技發(fā)展計(jì)劃的支持下，開(kāi)發(fā)了黏土舊砂完全再生成套設(shè)備。

1 脆化舊砂冷卻裝置

1.1 脆化舊砂冷卻裝置冷卻方法的確定

將高溫脆化后的舊砂從700℃短時(shí)間內(nèi)冷卻至室溫，冷卻速度快，冷卻速度是否會(huì)對(duì)砂子的粒度和粒形造成不良影響，將涉及脆化舊砂冷卻裝置所采用冷卻方法和技術(shù)方案的確定，為此，以粒度為50/100目，平均直徑為0.2884mm，角形系數(shù)為1.14的圍場(chǎng)砂為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)用流化床和冷卻滾筒上對(duì)循不次數(shù)及冷卻方法對(duì)石英砂粒度及粒形的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

流化床由冷卻水管、流化床體、風(fēng)箱、鼓風(fēng)機(jī)等組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)將冷卻水管去掉時(shí)，可作為普通流化床應(yīng)用，當(dāng)保留冷卻水管時(shí)，流化床為水冷流化床。工作時(shí)，將熱砂加入流化床中，鼓風(fēng)機(jī)將空氣送入流化床底部的風(fēng)箱，然后經(jīng)床板上的噴嘴進(jìn)入砂層，使砂子流態(tài)化，在此過(guò)程中氣流和砂子進(jìn)行對(duì)流換熱，砂子得到了冷卻。在設(shè)置為水冷流化床時(shí)，工作時(shí)向冷卻水管內(nèi)通冷卻水，這時(shí)砂子不僅靠和空氣的對(duì)流換熱來(lái)冷卻，同時(shí)也利用砂子和冷卻水管之間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行冷卻。冷卻滾筒由滾筒、托輪、水幕噴頭等組成，其工作原理如圖2所示。滾筒支撐在托輪上，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)托輪靠摩擦力帶動(dòng)滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)熱砂由滾筒端部加入，滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，砂子和滾筒之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)，砂子得到了冷卻，同時(shí)水幕噴頭向滾筒外表面噴水以帶走砂子傳給滾筒的熱量，使?jié)L筒保持較低的溫度，提高砂子的冷卻速度。

研究發(fā)現(xiàn)，水冷流化床對(duì)砂子的冷卻速度最快，冷卻滾筒對(duì)砂子的冷卻速度次之，普通流化床對(duì)砂子的冷卻速度最慢。多次焙燒和冷卻速度對(duì)砂子的粒度和粒形沒(méi)有明顯的影響。綜合上述實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，在黏土舊砂完全再生系統(tǒng)中，脆化舊砂冷卻裝置采用了水冷流化床的設(shè)計(jì)方案。

圖1 流化床

圖2 冷卻滾筒

1.2 脆化舊砂冷卻裝置的工作原理

脆化舊砂冷卻裝置由流化床和密布在流化床內(nèi)的冷卻水管組成，工作原理如圖3所示。熱砂從加料口加入流化床，在空氣的作用下呈流態(tài)化狀態(tài)由加料口向出料口流動(dòng)。在此過(guò)程中，砂子和空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，同時(shí)砂子和冷卻水管之間進(jìn)行傳導(dǎo)換熱，砂子獲得了冷卻。

圖3 脆化舊砂冷卻裝置

2 黏土舊砂完全再生設(shè)備

2.1 黏土舊砂完全再生方法

舊砂再生的基本方法有機(jī)械法、氣流法、濕法和熱法，其中熱法再生不能去除黏土砂表面的黏土膜，因此熱法再生不適用于黏土舊砂的再生。濕法再生雖然可以通過(guò)沖洗去除黏土砂表面的黏土膜使砂子得到再生，但是在舊砂再生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污水和污泥，從而造成對(duì)環(huán)境的二次污染。在此情況下，機(jī)械再生和氣流再生成為黏土舊砂再生的首選。為了確定適宜的黏土舊砂完全再生的方法，我們利用逆流轉(zhuǎn)子再生機(jī)、磨輪式再生機(jī)、振動(dòng)再生機(jī)和豎吹式氣流再生機(jī)對(duì)黏土舊砂完全再生的適用性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖4所示為逆流轉(zhuǎn)子再生機(jī)的工作原理圖。工作時(shí)滾筒和轉(zhuǎn)子同心相向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)舊砂從加料口加入之后，被導(dǎo)料螺旋葉片迅速送入滾筒中，舊砂在離心慣性力的作用下被舉升到一定高度后下落，高速逆向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子拋擊舊砂，砂子和葉片之間、砂子和滾筒之間、砂子和砂子之間產(chǎn)生碰撞和搓擦。在此過(guò)程中，砂子由筒內(nèi)導(dǎo)向葉片向前輸送，并通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片對(duì)舊砂進(jìn)行連續(xù)拋擊和搓擦來(lái)實(shí)現(xiàn)舊砂的再生。每一個(gè)再生循環(huán)，舊砂可以獲得多次碰撞和搓擦，以提高舊砂的再生效果。

圖4 逆流轉(zhuǎn)子再生機(jī)工作原理

圖5所示為磨輪再生機(jī)的工作原理圖。舊砂由進(jìn)料口加入再生機(jī)并啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)及電機(jī)后，在鼓風(fēng)機(jī)吹入的氣流作用下處于流態(tài)化狀態(tài)，埋入砂層中的磨輪高速旋轉(zhuǎn)，在磨輪和砂粒之間磨擦力的作用下，砂子產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，砂粒與高速旋轉(zhuǎn)的磨輪之間、砂粒與砂粒之間、砂粒與床體之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞和搓擦，砂粒表面的粘結(jié)劑膜被剝落，砂子獲得了再生。

圖5 磨輪式再生機(jī)工作原理

豎吹式氣流再生機(jī)工作原理如圖6所示。工作時(shí)，壓縮空氣從噴嘴高速噴出并射入吹砂管，堆積在吹砂管四周的砂子在氣流的透導(dǎo)作用下混入氣流并沿吹管高速運(yùn)動(dòng)。由于附壁效應(yīng)，在吹砂管的端面上氣固兩相流的速度呈中心高沿徑向逐漸降低的分布規(guī)律，造成了砂子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，砂子之間、砂子和設(shè)備之間因碰撞搓擦而再生。

振動(dòng)式舊砂再生機(jī)的工作原理如圖7所示。舊砂加入料筒之中，料桶在激振力驅(qū)動(dòng)下做扭擺振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)過(guò)程中砂子和砂子，砂子和設(shè)備之間的碰撞和搓擦實(shí)現(xiàn)舊砂的再生。

圖6 氣流豎吹式舊砂再生機(jī)

圖7 振動(dòng)式舊砂再生機(jī)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用高溫脆化＋逆流轉(zhuǎn)子再生機(jī)再生、高溫脆化＋磨輪式再生機(jī)再生及高溫脆化＋氣流式再生機(jī)再生均可獲得和新砂相比粒度不發(fā)生明顯變化，含泥量低于新砂，耗酸值較高的完全再生砂。而采用高溫脆化＋振動(dòng)再生機(jī)再生所獲得的再生砂，和新砂相比粒度未發(fā)生明顯變化，耗酸值和泥分含量均高于同種新砂。由此可見(jiàn)，逆流轉(zhuǎn)子再生機(jī)、磨輪再生機(jī)及氣流再生機(jī)可用于黏土舊砂的完全再生，而振動(dòng)再生機(jī)不能用于黏土舊砂的完全再生，因此在本套黏土舊砂完全再生成套設(shè)備中，選擇了多排磨輪式再生機(jī)做為黏土舊砂完全再生的再生設(shè)備。

2.2 多排磨輪再生機(jī)

多排磨輪再生機(jī)工作原理如圖8所示。該設(shè)備采用流化床為承載構(gòu)件，多排磨輪為再生裝置，工作時(shí)砂子處于流態(tài)化狀態(tài)，利用磨輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)砂子的摩擦和拋擊作用，使砂粒之間、砂粒和設(shè)備之間、砂粒和磨輪之間產(chǎn)生磨擦和碰撞，從而去除砂粒表面的黏結(jié)劑膜而獲得再生。

圖8 多排磨輪再生

3 微粉分離裝置

3.1 黏土再生砂微粉分離方法的確定

黏土舊砂微粉分離的過(guò)程就是將顆粒狀物料按粒徑大小進(jìn)行分級(jí)的過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)顆粒狀物料分級(jí)可采用篩分法和風(fēng)選法。采用篩分法對(duì)較細(xì)的微粉和顆粒狀物料進(jìn)行分級(jí)不但生產(chǎn)效率低，而且分離效果不佳，為此排除了用篩分法進(jìn)行微粉分離的方案，而對(duì)風(fēng)選法進(jìn)行微粉分離的方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

風(fēng)選法進(jìn)行微粉分離的設(shè)備為流化床和流幕式風(fēng)選機(jī)。流化床分離裝置的原理如圖9所示。工作時(shí)將再生后的舊砂加入流化床體4中，將吸風(fēng)管1接到風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口上，空氣在大氣壓力的作用下由流化床進(jìn)風(fēng)口6進(jìn)入并穿過(guò)流化床內(nèi)的再生砂層經(jīng)吸風(fēng)管排出。當(dāng)穿過(guò)再生砂層的氣流速度達(dá)到所需的流化速度時(shí)，再生砂處于流態(tài)化狀態(tài)。由于經(jīng)再生后混于再生砂中微粉的粒徑較小，當(dāng)再生砂處于流態(tài)化狀態(tài)時(shí)，再生砂中的微粉已處于懸浮輸送狀態(tài)而被氣流從再生砂中帶走，將再生砂中的微粉和砂子分離。

圖9 負(fù)壓流化床原理圖

流幕式風(fēng)選機(jī)工作原理如圖10所示。工作時(shí)將砂子加入砂斗3內(nèi)，砂子從出砂口3以流幕狀下落。通過(guò)調(diào)節(jié)出砂口的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)流幕的厚度。風(fēng)機(jī)通過(guò)吸風(fēng)管吸風(fēng)，氣流從進(jìn)風(fēng)口4進(jìn)入，穿過(guò)砂幕，將混于再生砂中的微粉和砂子分離并使其處于懸浮狀態(tài)，隨氣流一起被風(fēng)機(jī)吸走，砂子和微粉實(shí)現(xiàn)了分離。

圖10 流幕式風(fēng)選機(jī)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用流化床進(jìn)行黏土再生砂的微粉分離，獲得了泥分含量低于新砂的再生砂，可以滿足黏土舊砂完全再生微粉分離的要求，而采用流幕式風(fēng)選機(jī)風(fēng)選時(shí)，由于砂子呈自由落體狀下落，下落時(shí)間較短，經(jīng)多次風(fēng)選仍不能使再生砂中的微粉含量低于新砂，因此流幕式風(fēng)選不能滿足黏土舊砂完全再生微粉分離的要求。

3.2 黏土舊砂完全再生微粉分離裝置

黏土舊砂完全再生砂微粉分離裝置工作原理如圖11所示。再生后的砂子由加料口1進(jìn)入微粉分離裝置，在氣流的作用下呈流態(tài)化狀態(tài)，由于混于再生砂中微粉的粒徑較小，在砂子處于流態(tài)狀態(tài)時(shí)其已達(dá)到輸送床狀態(tài)，在氣流的作用下和砂子分離并被氣流帶走，實(shí)現(xiàn)黏土完全再生砂的微粉分離。

圖11 微粉分離裝置

4 黏土舊砂高溫脆化裝置

4.1 黏土舊砂高溫脆化方案的確定

散粒化后的黏土舊砂具有流動(dòng)性，易堆積，導(dǎo)熱性差，要得到溫度均勻的脆化舊砂，必須使砂子在加熱脆化過(guò)程中處于攪動(dòng)狀態(tài)，以促進(jìn)砂粒之間，以及砂粒和熱氣流之間的均勻換熱。使顆粒狀物料處于攪動(dòng)狀態(tài)的工程措施有攪拌、自然流動(dòng)、利用滾筒強(qiáng)迫砂子流動(dòng)和利用流化床強(qiáng)迫砂子流動(dòng)等。

攪拌是利用機(jī)械攪動(dòng)作用促使砂子流動(dòng)的一種方法，攪拌可以得到砂子之間的劇烈流動(dòng)，但是，將攪拌裝置置于700℃以上的高溫環(huán)境下，無(wú)論是攪拌軸還是攪拌葉片的壽命都將難以保證，從而增加設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用。

使砂子在重力作用下自然下落，也可得到劇烈運(yùn)動(dòng)的效果，但要在砂子自由下落過(guò)程中，使砂子和熱氣流有較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，這就要求有足夠的下落高度，否則將無(wú)法保證砂子的加熱溫度。

將砂子加入滾筒內(nèi)，利用滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)砂子的舉升作用可以使砂子處于流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)在滾筒內(nèi)增加舉升板時(shí)，其流動(dòng)效果將更加明顯。將熱氣流引入滾筒內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)砂子的高溫脆化。從對(duì)水泥熟料的煅燒經(jīng)驗(yàn)可知，要將物料加熱到較高的溫度，必須確保一定的滾筒長(zhǎng)度，這樣就會(huì)使得加熱滾筒的結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大。

流態(tài)化可使砂子處于劇烈的流動(dòng)狀態(tài)，并且可以方便地將流化床和加熱裝置結(jié)合起來(lái)，形成流態(tài)化加熱裝置。當(dāng)將排煙口設(shè)在高溫區(qū)時(shí)，可使混于煙氣中的低熔點(diǎn)揮發(fā)分進(jìn)行二次燃燒，從而避免了低熔點(diǎn)揮發(fā)分重新凝聚帶來(lái)的環(huán)境污染和安全隱患，因此黏土舊砂高溫脆化裝置采用了流化床式設(shè)計(jì)方案。

4.2 黏土舊砂高溫脆化裝置

黏土舊砂高溫脆化裝置工作原理如圖12所示。加料口1位于爐子的左端，工作時(shí)舊砂從左端加入脆化爐并在工作氣流的作用下處于流態(tài)化狀態(tài)，燃燒器將高溫火焰噴入沸騰的砂子和爐體上拱頂形成的燃燒室內(nèi)，砂子一邊被加熱，一邊向右流動(dòng)，直至被加熱到700℃并從出料口5排出。加熱過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)換熱器和工作氣體進(jìn)行熱交換，煙氣的溫度降低，工作氣體的溫度升高。工作氣體一路送到燃燒器提供燃料燃燒所需的空氣，另一路送入流化床提供流化床工作所需的空氣，以提高脆化裝置的熱效率。該裝置將加料口和燃燒器相對(duì)布置，將出料口設(shè)在了高溫區(qū)，在脆化爐內(nèi)形成了從加料口到出料口砂子溫度逐漸升高的溫度場(chǎng)，確保了砂子的加熱溫度。

圖12 黏土舊砂高溫脆化裝置技術(shù)方案

5 結(jié)論

1）黏土舊砂完全再生系統(tǒng)由黏土舊砂高溫脆化裝置、脆化舊砂冷卻裝置、多排磨輪再生機(jī)及微粉分離裝置組成，各裝置均采用流化床為承載構(gòu)件；

2）逆流轉(zhuǎn)子再生、磨輪再生、氣流再生等強(qiáng)力再生方法可用于黏土舊砂的完全再生，而振動(dòng)再生不能用于黏土舊砂的完全再生；

3）流化床可用于黏土完全再生砂的微粉分離，而流幕式風(fēng)選不宜用于黏土完全再生砂的微粉分離；

4）自然冷卻、強(qiáng)迫對(duì)流冷卻以及強(qiáng)迫對(duì)流加冷卻水管熱傳導(dǎo)冷卻對(duì)砂子的粒度和粒形沒(méi)有明顯影響。