濰柴動(dòng)力舊砂再生項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐

薛萬(wàn)龍，任興武，李克強(qiáng)，李 菲，余 博，張 鵬

（1.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261001；2.機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)院鑄造所，河南 洛陽(yáng) 471039；3.合肥仁聚機(jī)械有限公司，安徽 合肥 230001）

自2004年至2010年濰柴動(dòng)力在新開(kāi)辟的鑄造工業(yè)園分兩期建設(shè)了兩個(gè)設(shè)計(jì)能力分別為年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)、生產(chǎn)WD615藍(lán)擎系列、T項(xiàng)目、L項(xiàng)目等鑄件，共有4條全自動(dòng)氣流預(yù)緊實(shí)造型線的鑄造項(xiàng)目；2011年根據(jù)生產(chǎn)需要，又在同一園區(qū)籌劃建設(shè)年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)WD615/618系列和13L機(jī)型、包含2條全自動(dòng)氣流預(yù)緊實(shí)造型線的鑄造三期項(xiàng)目。在園區(qū)全部三期項(xiàng)目前期論證階段，考慮到全部生產(chǎn)線正常達(dá)產(chǎn)后廢芯砂的排放將達(dá)到20萬(wàn)t～25萬(wàn)t，同時(shí)兼顧為以后批量處理這些廢芯砂的問(wèn)題做深入探索并積累有益的經(jīng)驗(yàn)，在鑄造三期項(xiàng)目中的新砂烘干工部預(yù)留24m×28m的見(jiàn)方端部設(shè)計(jì)建設(shè)舊砂再生系統(tǒng)，以期為以后的再生項(xiàng)目進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大積累經(jīng)驗(yàn)。

1 前期論證思路的梳理與生產(chǎn)能力的確定

最初的設(shè)想是本著項(xiàng)目穩(wěn)定可靠并逐步深入的構(gòu)思進(jìn)行，考慮到工業(yè)園區(qū)鑄件生產(chǎn)的特點(diǎn)，做了大量而細(xì)致的調(diào)研。本項(xiàng)目主要解決六個(gè)制芯工部的廢砂芯和生產(chǎn)班后射頭余砂、造型線落砂后排出的未經(jīng)完全燒損的芯塊、經(jīng)鑄件時(shí)效爐退火黏附在鑄件上的廢砂。同時(shí)，兼顧焙燒爐熱法再生處理部分經(jīng)砂處理工部排出的多余的黏土砂。根據(jù)對(duì)全國(guó)再生砂的應(yīng)用效果估計(jì)，預(yù)想將再生后的舊砂用于機(jī)體大缸芯的生產(chǎn)。

1.1 鑄造工業(yè)園再生砂量排查與估算

經(jīng)過(guò)逐工位對(duì)運(yùn)行狀況的落實(shí)，大致估算出要經(jīng)再生處理砂的基本概況，見(jiàn)表1.

1.2 對(duì)部分舊砂的初步比對(duì)實(shí)驗(yàn)

2011年7 月，對(duì)機(jī)體鑄件連續(xù)式時(shí)效爐排出的經(jīng)燒烤的散落砂、二級(jí)落砂床散落砂等，經(jīng)模擬生產(chǎn)狀況和配比分別用電吹風(fēng)吹凈浮灰，做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2.

按照冷芯砂生產(chǎn)工藝：樹(shù)脂加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%[酚醛樹(shù)脂（308）:聚異氰酸酯（608）=1:1]混制的芯砂工藝需滿(mǎn)足發(fā)氣量≤14mL/g；瞬時(shí)強(qiáng)度≥1.2MPa；24h終強(qiáng)度≥1.8MPa.

從表2可以看出，時(shí)效爐散落砂經(jīng)初步處理后瞬時(shí)強(qiáng)度、24h終強(qiáng)度達(dá)標(biāo)并略高于工藝要求，但發(fā)氣量略微超標(biāo)須做進(jìn)一步處理；而二級(jí)落砂機(jī)混合砂不經(jīng)焙燒、研磨等處理完全不達(dá)標(biāo)。而芯砂塊、射芯機(jī)射頭余砂等，由于樹(shù)脂包膜的存在必須經(jīng)焙燒處理，故不在本次初步試驗(yàn)考慮范圍。

表1 鑄造工業(yè)園再生砂量排查與估算總計(jì)表

表2 對(duì)部分舊砂的初步比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3 方案的確定

按照最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想、結(jié)合對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的深入調(diào)研和初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)廢芯砂量的排查等綜合權(quán)衡，在預(yù)設(shè)的車(chē)間場(chǎng)地上考慮建設(shè)一套3t/h冷法舊砂再生系統(tǒng)和一套5t/h熱法舊砂再生系統(tǒng)。

2 工藝流程確定

2.1 工藝流程

根據(jù)退火爐散落砂、廢芯砂和黏土砂各自的特點(diǎn)和處理工序要求，結(jié)合使用環(huán)節(jié)后流程的要求，設(shè)計(jì)加工工藝流程如圖1、圖2.

圖1 熱法舊砂再生系統(tǒng)加工工藝流程

1）熱法舊砂再生系統(tǒng)（5t/h），如圖1所示。

2）冷法舊砂再生系統(tǒng)（3t/h），如圖2所示。

圖2 冷法舊砂再生系統(tǒng)加工工藝流程

2.2 工藝布置

根據(jù)提供的車(chē)間位置、場(chǎng)地空間以及結(jié)合流程設(shè)計(jì)，冷、熱法舊砂再生的總體布置見(jiàn)圖3.由圖3可知：上部由左至右為3t/h冷法再生系統(tǒng)；下部逆時(shí)針為5t/h熱法再生系統(tǒng)；最下側(cè)車(chē)間外為相應(yīng)配置的分室脈沖布袋除塵器。

5t/h熱法再生系統(tǒng)剖面圖（圖3中的A-A、C-C剖面圖）見(jiàn)圖4；3t/h冷法再生系統(tǒng)剖面圖（圖3中的B-B剖面圖）見(jiàn)圖5.

圖3 冷、熱法舊砂再生的總體布置圖

3 設(shè)備選型

在整個(gè)舊砂再生流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是塊狀物料的破碎；二是破碎后含包容物廢芯砂顆粒的焙燒。

3.1 塊狀物料的破碎

傳統(tǒng)廢芯塊等物料的破碎，采用滾筒式破碎機(jī)處理，常用破碎機(jī)如圖6所示。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：該工藝設(shè)備的運(yùn)行可靠性差、故障率高。而針對(duì)冷芯盒砂芯脆性、中硬、含水量低的特點(diǎn)，考慮嘗試采用上海某廠生產(chǎn)的高效二合一錘擊式破碎機(jī)。為此專(zhuān)門(mén)與參與項(xiàng)目建設(shè)的設(shè)計(jì)院有關(guān)人員一起對(duì)專(zhuān)門(mén)破碎石灰石生產(chǎn)的淄博某水泥有限公司進(jìn)行了考察且得到了有益的啟示，認(rèn)為應(yīng)用高效二合一錘擊式破碎機(jī)是可行的。

3.2 芯砂、黏土砂的包容物的處理

芯砂中含有樹(shù)脂，以及黏土砂中的煤粉、膨潤(rùn)土等可燃物必須經(jīng)過(guò)焙燒，砂塊才可能潰散，同時(shí)所含可燃物燒盡后再經(jīng)研磨才能徹底從砂子的顆粒表面去除。而該過(guò)程的實(shí)現(xiàn)則必須經(jīng)過(guò)焙燒，這就需要該工序的核心設(shè)備—節(jié)能型流動(dòng)焙燒爐，這也是國(guó)內(nèi)外目前較為先進(jìn)的熱法再生設(shè)備。該類(lèi)型焙燒爐底部裝有逆流熱式交換器，在二次焙燒繼續(xù)的同時(shí)進(jìn)行高效率熱交換，與傳統(tǒng)焙燒爐相比流動(dòng)用空氣能達(dá)到較高的加熱溫度，且鑄造廢砂均勻分散投入到流動(dòng)層，使流動(dòng)層溫度恒定。該類(lèi)型焙燒爐具備如下特點(diǎn):

圖4 5 t/h 熱法再生系統(tǒng)剖面圖

圖5 3 t/h 冷法再生系統(tǒng)剖面圖

圖6 塊狀物料的破碎

1）燃料消耗量低。焙燒爐內(nèi)置的逆流式熱交換器，能在二次焙燒繼續(xù)的同時(shí)高溫加熱流動(dòng)用空氣，從而降低了燃料耗用量，并保證焙燒砂質(zhì)量均勻。

2）燃燒溫度低、焙燒砂質(zhì)量穩(wěn)定。流動(dòng)層溫度分布均勻，高溫流動(dòng)用空氣和獨(dú)特的二次焙燒實(shí)現(xiàn)了低溫焙燒，能高效清除鑄造砂中的碳素可燃物質(zhì)，焙燒砂質(zhì)量均勻。

3）排放廢氣溫度低。焙燒溫度低，排放廢氣溫度低，可以不設(shè)排氣冷卻裝置。

4）爐壁損傷少。選用了無(wú)高溫火焰的燃燒室，焙燒溫度低，爐膛基本不會(huì)損傷。

5）適宜間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)。熱交換器等具備良好蓄熱性能，即使長(zhǎng)時(shí)間停爐后也能快速重新啟動(dòng)。

6）維護(hù)管理簡(jiǎn)單。砂的垂直流動(dòng)保證爐底不會(huì)有金屬異物積聚，爐壁損傷和燒結(jié)物附著極少，維護(hù)管理簡(jiǎn)單。

4 產(chǎn)品結(jié)果驗(yàn)證

4.1 生產(chǎn)中對(duì)硅砂與芯砂性能要求

1）公司鑄造用硅砂技術(shù)要求見(jiàn)表3.

表3 鑄造用硅砂技術(shù)要求

2）再生砂的粒度、灼燒減量、含泥量等檢查指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足表4條件。

3）對(duì)芯砂性能的要求

按照冷芯砂生產(chǎn)工藝：樹(shù)脂加入量1.5%～2.0%[酚醛樹(shù)脂（308）:聚異氰酸酯（608）=1:1]混制的芯砂工藝需滿(mǎn)足發(fā)氣量≤14mL/g；瞬時(shí)強(qiáng)度≥1.2MPa；24h終強(qiáng)度≥1.8MPa.

表4 再生砂各檢查指標(biāo)需滿(mǎn)足的條件

4.2 各類(lèi)砂對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可比性和時(shí)效性，我們對(duì)冷、熱法再生舊砂與烘干原砂分別進(jìn)行了各種狀態(tài)下的對(duì)比試驗(yàn)。

原砂粒度檢測(cè)值見(jiàn)表5.

表5 原砂粒度檢測(cè)值

原砂烘干后性能檢測(cè)值見(jiàn)表6.

表6 原砂烘干后性能檢測(cè)值

5t/h熱法再生芯砂與標(biāo)準(zhǔn)砂化驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7；再生芯砂性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8；標(biāo)準(zhǔn)原砂與再生芯砂兩種砂直接焙燒的發(fā)氣量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9；對(duì)再生黏土砂的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10、表11；各類(lèi)砂酸耗值實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果見(jiàn)表12.

表7 再生芯砂與標(biāo)準(zhǔn)砂粒度測(cè)試結(jié)果

表7可以看出：再生芯砂經(jīng)焙燒后所含可燃雜質(zhì)的含量要少于經(jīng)焙燒后的標(biāo)準(zhǔn)原砂。

表12可以看出，經(jīng)熱法再生后其酸耗值要低于經(jīng)烘干的標(biāo)準(zhǔn)原砂。

表8 再生芯砂與標(biāo)準(zhǔn)砂性能測(cè)試結(jié)果

表9 兩種砂直接焙燒的發(fā)氣量實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

表10 再生黏土砂粒度檢測(cè)結(jié)果

表11 再生黏土砂性能檢測(cè)結(jié)果

表12 各類(lèi)砂酸耗值實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果

3t/h冷法再生舊砂化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13、表14.

結(jié)果顯示：同等條件下，無(wú)論是冷法再生還是熱法再生后產(chǎn)品與原砂經(jīng)烘干比較，其發(fā)氣量均低于原砂，24h終強(qiáng)度均高于原砂，且生產(chǎn)工程性穩(wěn)定，即使用性能優(yōu)于原砂。

冷、熱法再生舊砂制芯實(shí)物比較見(jiàn)圖7.

表13 冷法再生舊砂粒度檢測(cè)結(jié)果

表14 冷法再生舊砂性能檢測(cè)結(jié)果

圖7 冷、熱法再生舊砂制芯實(shí)物圖

4.3 冷熱法再生工藝選擇的說(shuō)明

黏土砂造型后的排廢砂、制芯后的廢砂芯等含有大量的膨潤(rùn)土、煤粉和樹(shù)脂等，必須經(jīng)焙燒處理和一定的工藝手段分離后才能再用；而冷法再生的原料是清理工部附著在鑄件表面并連續(xù)式時(shí)效爐長(zhǎng)時(shí)間焙燒后的砂源，所以選擇冷法就是節(jié)省了再次焙燒的二次耗能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減少成本的初衷。

5 應(yīng)用效果

截止2014年12月初，3t/h冷法舊砂再生和5t/h熱法系統(tǒng)設(shè)備完成調(diào)試后生產(chǎn)情況如表15、表16所示。

表15 5 t/h 熱法再生生產(chǎn)情況

表16 3 t/h 冷法再生生產(chǎn)情況

冷、熱法再生共生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體鑄件主體芯65580套，生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體64988臺(tái)；實(shí)際使用再生砂合計(jì)7265.18t，再生舊砂8506.68t.結(jié)果表明用冷、熱再生芯砂制芯后：

1）再生芯砂與原砂制芯比廢品率大大降低，再生制芯成品率為99.07%；

2）再生砂芯表面光滑、細(xì)膩、操作性能好；

3）再生砂與新砂生產(chǎn)的鑄件無(wú)明顯差異。