組型鑄造舊砂再生技術

孫學忠

（青島五洋鑄機有限公司青島百川通達機械有限公司,山東青島266000）

組型鑄造舊砂再生技術

孫學忠

（青島五洋鑄機有限公司青島百川通達機械有限公司,山東青島266000）

介紹了樹脂砂組型鑄造舊砂再生的三個代表性案例，根據(jù)舊砂燒損炭化合理選擇再生工藝是企業(yè)節(jié)能增效的重要措施。舊砂機械再生的必要條件是樹脂膜受熱炭化，再生過程的關鍵設備是搓磨再生機；熱法再生砂的灼燒減量和發(fā)氣量均低于新砂。

舊砂再生；機械再生；熱法再生

樹脂砂組型鑄造具有提高生產(chǎn)效率，保證鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，減少廢物排放等優(yōu)點，這種鑄造工藝近年來發(fā)展很快。殼型迭箱、殼型組型、殼型背丸、冷芯砂組型已在眾多工廠成功應用，生產(chǎn)出了大量的優(yōu)質(zhì)鑄件。這種鑄造工藝雖可減少廢砂排放，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，仍有大量的廢砂需再生處理。我們根據(jù)不同組型工藝排出的舊砂特點，成功研究開發(fā)了熱法、機械法和熱法并聯(lián)機械法三種舊砂再生成套設備，使用廠把廢砂排放的包袱變成了經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了舊砂再生的循環(huán)回用。

1 發(fā)動機缸體及減速箱體等鑄鐵類零件舊砂再生案例

某公司采用冷芯砂組型工藝，主要生產(chǎn)發(fā)動機缸體及減速箱體等鑄鐵類零件，見圖1，待組砂芯見圖2，鑄件鐵砂比1∶1.5，澆注后未潰散的砂塊較多，該廠選用了熱法再生成套設備，見圖3.

1.1 熱法再生成套設備工作原理

2 t/h樹脂砂熱法再生生產(chǎn)線如圖3所示，落砂后的舊砂加入振動破碎機，砂塊經(jīng)振動搓擦成散粒后，通過小于3mm的柵板孔進入斗式提升機，然后經(jīng)磁分選出鐵雜，再通過篩分，較大的砂團返回振動破碎機再次搓磨，預處理好的舊砂進入砂倉。砂倉下部的螺旋給料機通過變頻定量出料，經(jīng)斗式提升機加入沸騰焙燒爐中，焙燒后的熱砂流入雙冷床，被沸騰冷卻的熱砂又與冷卻水管充分接觸換熱，熱砂被迅速冷卻。冷卻后的再生砂經(jīng)斗提機加入再生砂倉，砂倉下部的壓送裝置將再生砂輸送至混砂工部。

圖1 缸體鑄件

圖2 待組砂芯

1.2 熱法再生成套設備結(jié)構(gòu)特點

熱法再生成套設備的主機是沸騰式焙燒爐，爐子的節(jié)能、環(huán)保、可靠、長壽是技術關鍵，本爐結(jié)構(gòu)見圖4，主要由爐體、燃燒系統(tǒng)、鼓風系統(tǒng)和換熱器等部分組成。

爐體外殼為鋼板和型鋼焊制，爐內(nèi)砌體采用多種耐火材料砌筑，沸騰板將砌體分為下室和沸騰室，下室內(nèi)預熱的氣體通過沸騰板上的噴嘴沸騰并對舊砂加熱。爐體卸砂口另端設加砂口，使舊砂順利進入沸騰室，沸騰床使砂子自動移向燃燒器下的高溫區(qū)直至卸砂口排出。爐體上裝有測溫裝置，分別檢測出砂溫度和爐子煙氣進入換熱器的溫度，便于操作者調(diào)節(jié)加砂量、燃氣量、鼓風量，以控制再生砂質(zhì)量和節(jié)約燃料。

本焙燒爐的燃燒系統(tǒng)由天然氣管路、助燃空氣和燒嘴組成。高速調(diào)溫燒嘴火焰穩(wěn)定，運行可靠，爐內(nèi)氣體燃燒充分，排出的氣體見不到黑煙，聞不到異味。本系統(tǒng)配有點火、檢測智能控制箱，具有自動點火、火焰檢測、熄火保護的全自動功能，方便了爐子的操作管理，提高了安全性。

本爐的助燃空氣和沸騰床供風使用同一風機，其供風量由鼓風管系中的蝶閥分別控制，生產(chǎn)中調(diào)節(jié)燃氣量和供風量，可滿足不同再生砂工藝和產(chǎn)量的需要。

換熱器是提高爐子熱效率的關鍵措施，本爐選用了高效管狀換熱器，爐內(nèi)煙氣從底部進入，上部排出；鼓風系統(tǒng)的冷空氣從上部進入換熱管，經(jīng)多個行程與煙氣逆向換熱后由下部鼓出進入沸騰床下室。冷空氣被加熱，排煙溫度降低，煙氣溫度被充分利用，節(jié)約了燃料。本換熱器作為煙囪的一部分，使爐子結(jié)構(gòu)緊湊。換熱器集輻射換熱器和管狀換熱器為一體，具有輻射熱交換和對流熱交換雙重功能，綜合換熱系數(shù)高，換熱管內(nèi)設有插件，增加空氣擾動，破壞層流，提高了換熱效果。

熱法再生生產(chǎn)線的電控集中控制，電控柜模擬屏顯示，P L C程控，全線自動運行，只需有人加入舊砂即可。

生產(chǎn)線的除塵設備為低阻旋風除塵器與機械回轉(zhuǎn)反吹布袋除塵器串聯(lián)，生產(chǎn)中排塵煙囪看不見黑煙，聞不到異味。

生產(chǎn)線舊砂預處理能力3 t/h，熱法再生能力為1.5 t/h～2 t/h，焙燒爐出砂溫度620℃～650℃，熱砂冷卻后溫度≤30℃，再生砂灼燒減量≤0.1%，噸砂耗燃料≤22萬千卡。熱法再生砂比新砂發(fā)氣量降低，激熱膨脹率變小，造型強度略有提高，回用性能優(yōu)于新砂。本公司不但實現(xiàn)了舊砂回用的良性循環(huán)，而且再生砂成本低于新砂進廠價格，熱法再生有明顯的經(jīng)濟效益。

圖3 2t/h樹脂砂熱法再生生產(chǎn)線

圖4 沸騰焙燒爐

2 汽車支架類鑄鋼件舊砂再生案例

某公司年產(chǎn)汽車支架類鑄鋼件近萬噸，原熔模工藝為降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，全部改為殼型鑄造。殼型粘合后卡子扒合或壓鐵澆注，平均鐵砂比1∶1，澆注后砂型全部潰散，殘余砂塊很少，過半舊砂已露出原砂表面。根據(jù)該公司特點設計制造了舊砂機械再生和覆膜砂熱法生產(chǎn)成套設備，見圖5，投產(chǎn)后設備運行良好，既解決了廢砂排放，又大大降低了覆膜砂成本，自產(chǎn)覆膜砂半年節(jié)省的采購成本相當于成套設備投資。

圖5 舊砂再生及覆膜砂生產(chǎn)成套設備

2.1 舊砂機械再生和覆膜砂熱法生產(chǎn)成套設備工作原理

舊砂機械再生和覆膜砂熱法生產(chǎn)成套設備如圖5所示，舊砂加入柵格料斗，砂塊沿料斗頂部斜面篩網(wǎng)流出斗外，散粒砂入斗后經(jīng)振動槽均勻出料加入磁選皮帶機，永磁皮帶輪選出鐵磁雜物，舊砂經(jīng)斗提篩分后落于砂倉。砂倉下部的高效搓磨再生機與定量斗配合，實現(xiàn)間歇式生產(chǎn)，根據(jù)舊砂受熱炭化情況，可方便的調(diào)節(jié)舊砂再生時間，以控制再生砂質(zhì)量。再生砂經(jīng)斗提卸入雙腔砂倉，雙腔砂倉的另一半為新砂，新砂與再生砂用同一斗提分別提升，斗提機卸料口裝有氣動分料器。雙腔砂倉底部分別設有可調(diào)式氣動閘板，控制兩砂按工藝要求的比例出料。電子稱量斗上方的雙腔砂倉為石英砂斗和鐵砂斗，兩種砂經(jīng)電子稱計量后加入滾筒加熱爐，加熱至工藝要求后卸入混砂機，人工再將樹脂、烏洛托品、硬脂酸鈣等按工藝要求加入，并及時啟動混砂機的風冷水冷系統(tǒng)，完成混制的覆膜砂卸入旋振篩，再經(jīng)斗提進入雙冷床，冷卻至合格溫度提升至覆膜砂成品倉儲存。

2.2 舊砂機械再生和覆膜砂熱法生產(chǎn)線特點

生產(chǎn)線的電器分兩個單元控制，舊砂再生處理和覆膜砂生產(chǎn)兩單元的控制柜就近設置，方便操作。兩柜信號互通聯(lián)鎖，料位計、氣動閘板、氣動分料器等全部參與控制。

圖6 鑄件澆注

圖7 砂型潰散

本生產(chǎn)線共用一套除塵系統(tǒng)，引風機將塵氣經(jīng)高效旋風分離后吹入水池中，含塵氣體與水汽粘附沉降于池內(nèi)，潔凈空氣由煙囪排空。

覆膜砂機械再生的必要條件是舊砂受熱炭化，再生過程的關鍵設備是搓磨再生機。

砂型澆入高溫鋼液在凝固冷卻過程中，殼型同時被加熱。鑄件凝固冷卻后，殼型全部潰散，見圖6、圖7.靠近鑄件的砂粒樹脂膜被高溫燃燒，露出了原砂表面，殼型外層的砂粒也由原來的黃色變成了黑色。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，覆膜砂加熱至250℃時，砂粒表面的無色光亮膜經(jīng)由黃色變成了紫色光亮膜，此時的砂粒有較強的粘結(jié)強度，機械剝離困難。隨加熱溫度的提高，砂粒表面的紫色光亮膜向褐色、黑色轉(zhuǎn)化，砂粒的粘結(jié)強度逐漸下降，自然潰散砂粒的黑色炭化膜失去了粘結(jié)強度，為舊砂機械再生提供了必要條件。

搓磨再生機的工作機構(gòu)是由多組搓磨轉(zhuǎn)子和一組刮板組成，機盆內(nèi)的砂子在轉(zhuǎn)動刮板的推動下，沿刮板斜面向前和向上流動，砂子進入搓磨區(qū)域時，高速逆向轉(zhuǎn)動的搓磨葉片對砂子施以沖擊力，又與刮板配合對砂子施以擠壓搓磨力，砂粒之間相互擠壓搓磨，表面的樹脂膜被迅速剝離脫落，并及時被抽風系統(tǒng)排出機外。機器自動加砂、卸料，間歇式工作，根據(jù)樹脂膜受熱炭化的程度設定再生時間，控制再生效果。

2.3 舊砂機械再生和覆膜砂熱法生產(chǎn)線使用情況

本生產(chǎn)線自2014年6月投產(chǎn)至今運行良好，舊砂再生能力2 t/h，覆膜砂生產(chǎn)能力2.5 t/h，機械再生砂平均細度基本不變，砂子粒形更趨圓整，流動性明顯優(yōu)于新砂，再生砂灼燒減量≤0.4%，完全用再生砂生產(chǎn)的覆膜砂達到同樣的使用要求。機械再生設備簡單可靠，運行費用極低，再生每噸砂耗電≤15 kW·h，大大降低了再生成本，該公司不但解決了廢砂污染排放的難題，而且較短時間產(chǎn)生的經(jīng)濟效益就收回了全套設備的投資。

3 耐熱鋼鑄件舊砂再生案例

某公司年產(chǎn)耐熱鋼鑄件近萬噸，采用了冷芯外型+殼芯的組型工藝，平均鐵砂比1∶1.3，鑄件冷卻后潰散砂占大半，舊砂再生采用了機械再生和熱法再生并聯(lián)工藝，設備布置見圖8.

3.1 機械再生和熱法再生并聯(lián)工藝過程

6 t/h機械再生和熱法再生并聯(lián)生產(chǎn)線如圖8所示，落砂后的舊砂經(jīng)磁選皮帶機選出冷鐵等磁性鐵件后進入第一級振動篩砂機，篩下潰散砂被提升和二次篩分后落入舊砂倉，二次篩分篩上的小砂塊經(jīng)溜砂管落于振動破碎機中振動破碎。落入舊砂倉中的篩下砂樹脂膜已經(jīng)被燒損或炭化，易于機械再生。砂倉下部料斗將舊砂定量加入高效搓磨再生機，搓磨機間歇工作，再生時間根據(jù)再生質(zhì)量設定，搓磨合格的再生砂經(jīng)斗提落入機械再生的再生砂倉中。

第一級振動篩篩上的砂塊落入振動破碎機中，振動破碎成散粒后又經(jīng)斗提和再次篩分，篩上小塊砂團返流入振動破碎機繼續(xù)破碎，篩下的舊砂落入儲砂倉進行熱法再生。儲砂倉下的螺旋給料機定量出料，經(jīng)斗式提升機加入焙燒爐中，舊砂加熱至620℃后流入雙冷床中，熱砂在冷風沸騰和冷卻水管的接觸導熱雙重作用下被迅速冷卻，冷卻后的再生砂經(jīng)斗提落入熱法再生砂砂倉。

3.2 機械再生和熱法再生并聯(lián)生產(chǎn)線特點

機械再生砂砂倉和熱法再生砂砂倉下部單獨設有氣力輸送裝置，根據(jù)混砂機上方雙腔砂斗的用砂需要，及時地將兩種再生砂自動輸送。

生產(chǎn)線電器集中控制，模擬屏運行顯示，觸摸屏調(diào)整工藝參數(shù)，全線具有手動/自動操作功能。為方便設備操作和檢修，設備各單元就近設有手動操作臺，并與主控柜聯(lián)動。

圖8 6t/h舊砂再生生產(chǎn)線

除塵系統(tǒng)采用了離線氣箱脈沖布袋除塵器，除塵效果良好，粉塵排放≤40m g/m3,生產(chǎn)中設備無粉塵外溢現(xiàn)象，排塵煙囪見不到煙塵。

本生產(chǎn)線機械再生能力3 t/h，熱法再生砂灼減量≤0.1%，發(fā)氣量低于新砂?；旌系睦湫竞蜌ば九f砂再生后回用于冷芯制型和覆膜砂生產(chǎn)皆無不良反應。

熱法再生和機械再生并聯(lián)的再生工藝是根據(jù)舊砂樹脂膜燒損炭化情況分流再生，不但實現(xiàn)了舊砂全部再生的循環(huán)回用，而且保證了再生砂質(zhì)量，節(jié)約了再生成本，經(jīng)濟效益明顯。

4 生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)

1）組型鑄造生產(chǎn)效率高，工藝出品率高，鑄件質(zhì)量優(yōu)，廢砂排放少；

2）熱法再生砂比新砂發(fā)氣量低、激熱膨脹率小，相同樹脂加入量再生砂強度高，其性能優(yōu)于新砂；

3）鐵砂比1∶1左右的舊砂應優(yōu)選機械再生，設備投資少，運行成本低；

4）冷芯砂和殼芯砂混合的舊砂再生后用于冷芯制型和覆膜砂生產(chǎn)均無不良反應；

5）節(jié)能、高效、環(huán)保的熱法再生爐煙囪排氣看不到煙塵，聞不到異味。

TG221

A

1674-6694（2015）06-0011-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.004

2015-08-25

孫學忠（1948-），男，高級工程師，主要從事鑄造砂再生的研究。