熱法再生砂的生產(chǎn)控制與應(yīng)用

吉鵬輝

（山西中條山機(jī)電設(shè)備有限公司，山西垣曲 043700）

我公司2015年8月建成的年產(chǎn)5 000 t內(nèi)燃機(jī)缸體（缸蓋）冷芯砂生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)小缸徑多缸型氣缸體、氣缸蓋等產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝由冷芯砂、覆膜砂型芯組芯造型。鑄件澆注成型后落下的砂因表面有一層樹脂膜裹覆，且顆粒塊度不均粉塵、鐵豆較多不能使用，舊砂如果廢棄既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境，大半年的生產(chǎn)試制產(chǎn)生了數(shù)百噸的廢砂，如何能夠充分利用這些舊砂，既保護(hù)環(huán)境又能讓資源得到再生利用，降低生產(chǎn)成本為企業(yè)帶來良好的效益，對此，開展了舊砂再生技術(shù)的研究。

1 概述

1.1 舊砂再生介紹

中國已經(jīng)成為世界鑄造大國，但鑄造過程中需要消耗的大量資源和能源也引起業(yè)內(nèi)人士的嚴(yán)重關(guān)注和不安。據(jù)統(tǒng)計，我國每生產(chǎn)1 t鑄件，造型和清理排放的廢砂約1.3 t～1.5 t，廢砂的排放不僅會浪費(fèi)人力物力，大量的廢砂排放還會占用耕地，污染環(huán)境，因此舊砂再生循環(huán)處理越來越受到重視?，F(xiàn)國內(nèi)舊砂再生的方法主要有濕法再生、熱法再生及濕法熱法聯(lián)合再生[1]。

濕法再生是將舊砂泡入稀酸或堿水中，輔以強(qiáng)力攪拌，經(jīng)過濾、淋洗、烘干、冷卻或連續(xù)水洗、離心脫水、蒸汽烘干的方法獲得再生砂的方法；熱法再生是將經(jīng)磁選的舊砂送入預(yù)燒爐預(yù)熱后，送入帶沸騰床的臥式爐進(jìn)行焙燒，燃燒表面樹脂膜，再進(jìn)入保溫裝置經(jīng)搓擦再生；濕法熱法聯(lián)合再生是聯(lián)合濕法和熱法對舊砂進(jìn)行處理。濕法再生可有效去除濕型舊砂中的黏土、煤粉及死灰，熱法再生可以徹底燒掉混合舊砂中殘留樹脂膜。濕法熱法聯(lián)合再生結(jié)合了濕法、熱法的優(yōu)點，但成本相應(yīng)得到提高。結(jié)合公司舊砂情況選擇采用熱法再生工藝對舊砂進(jìn)行再生處理[2-3]。

1.2 熱法再生

在進(jìn)行熱法再生砂的過程中，通過對鑄造廢砂進(jìn)行高溫焙燒，可以使粘結(jié)在砂子表面的樹脂膜發(fā)生質(zhì)變而脫落，舊砂得到再生利用。同時，在高溫作用下，砂粒表面覆蓋的無機(jī)物分解，使具有更高表面能的內(nèi)表面裸露出來，與黏結(jié)劑之間的親和力更強(qiáng)[4]。另一方面，砂子在熱再生過程中加熱到573℃時，α-石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英會導(dǎo)致體積的劇烈膨脹，而溫度再次降低后體積發(fā)生劇烈收縮，表面拉應(yīng)力的急劇增加使表面產(chǎn)生更多的微裂紋而增加了砂粒的比表面積，使得砂粒和黏結(jié)劑具有更高的親和力[5-7]。

目前，冷芯舊砂再生分為完全再生和不完全再生兩種情況。不完全再生是通過砂處理系統(tǒng)，經(jīng)過篩分、機(jī)械摩擦等方式去除舊砂中的部分泥分，從而改善舊砂工藝性能的一種再生工藝，這時再生砂的泥分含量仍然較高，芯砂混入對型砂性能的影響沒有得到消除，再生砂僅能重新用于黏土砂系統(tǒng)以改善舊砂的工藝性能，從而減少鑄造生產(chǎn)過程中的新砂加入量和舊砂的排放量。完全再生就是通過再生，不但要改善再生砂的粒度分布，而且要使再生砂中的微粉含量達(dá)到等于或低于同種新砂的水平，同時部分或全部消除芯砂混入對型砂性能的影響，最終將再生砂用于制芯。

2 工藝路線

采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法，在深入了解舊砂再生技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對車間產(chǎn)生的冷芯砂的性質(zhì)及其再生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用破碎、焙燒、冷卻、篩分等工藝對舊砂進(jìn)行再生，砂處理工藝流程如圖1所示。

熱法再生砂工藝主要分為三個工部：舊砂預(yù)處理工部，熔燒工部和冷卻工部。

2.1 舊砂預(yù)處理工部

圖1 再生砂處理流程圖

回收的舊砂含有灰分、芯頭、鐵豆等很多鑄造垃圾，在砂子焙燒之前需要對砂子進(jìn)行預(yù)處理，首先用高強(qiáng)度磁選將砂子中的鐵豆、鐵粉等磁性物質(zhì)選凈，然后將芯頭、砂塊破碎，機(jī)械再生、篩分，再由提升機(jī)提到砂庫中儲存。

2.2 焙燒工部

將預(yù)處理完的舊砂定量連續(xù)加入到焙燒爐中進(jìn)行焙燒，將砂子表面的樹脂膜（芯頭的砂子）、黏土膜、煤粉等氧化物燒掉，通過除塵將一部分粉塵和碳化物除掉，焙燒后的砂子進(jìn)入到保溫箱。

2.3 冷卻工部

焙燒后的砂子由焙燒爐進(jìn)入到冷卻器中，通過風(fēng)冷和水冷卻，在冷卻過程中不斷抽風(fēng)除塵，將燃燒后的炭化物和微粉通過除塵吸走，冷卻后的砂子由斗提機(jī)提升到篩砂機(jī)篩分，然后由斗提機(jī)提到砂庫中儲存。

圖2為再生砂生產(chǎn)線布置示意圖。

圖2 再生砂生產(chǎn)線布置示意圖

3 再生砂性能對比

從砂庫中取原砂和再生砂，分別進(jìn)行粒度統(tǒng)計，依次使用目數(shù)為 30、40、50、70、100、140、200、270的篩網(wǎng)對砂子進(jìn)行篩分，結(jié)果如圖3所示。其中，再生砂粒度范圍更廣，再生砂粒度多為50目～100目為主，占總量的79.6%，原砂也以50目～100目砂粒為主，占總量的89.2%，但原砂中50目砂子更多，可占總質(zhì)量的40%左右。

圖3 鑄造砂粒度統(tǒng)計結(jié)果

鑄造用砂中的水分含量需要嚴(yán)格控制，如果水分過高，生產(chǎn)的型砂就會強(qiáng)度不夠。砂子在再生過程中碰撞摩擦?xí)a(chǎn)生大量粉塵，過多的微粉會影響砂子的粒度，影響型砂的透氣性[8]。通過控制再生冷卻過程中水分的加入量可以有效控制水分含量，目前水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可控制在0.5%以下。除塵設(shè)備的加入不僅可以消除再生過程中的粉塵污染，同時可以降低再生砂中的微粉含量，各級除塵設(shè)備的加入可以將微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.8%以下，并且可以將再生砂主粒度提高到80%～90%以上。

再生砂在970℃的溫度焙燒后，原砂性能對比如表1所示。

表1 再生砂與原砂性能對比

熱法再生使用的焙燒溫度為760℃，再生處理后的再生砂膨脹率為0.5%左右，熱膨脹率比新砂下降45%，適應(yīng)于生產(chǎn)高強(qiáng)度低發(fā)氣的覆膜砂，能減少鑄件的“內(nèi)應(yīng)力”，防止鑄件變形，提高鑄件的綜合技術(shù)性指標(biāo)，同時提高模具的使用壽命和尺寸精確度。經(jīng)過再生爐燒出的原砂表面堿性氧化物及有機(jī)物減少，經(jīng)檢測獲得的再生砂SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%，灼燒減量＜0.3%，說明生產(chǎn)的樹脂砂性能得到改善，且發(fā)氣量大幅降低，經(jīng)檢測原砂自身發(fā)氣為3.5 ml/g～4.8 ml/g，經(jīng)過再生后的再生砂發(fā)氣量為0.5 ml/g左右，比新砂下降80%以上。另外熱法再生過程增強(qiáng)了二氧化硅氧鍵活性，從而提高砂與樹脂之間的粘接強(qiáng)度，再生砂噸耗樹脂及輔料降低約0.2%，鑄型強(qiáng)度提高25%，鑄件成品率上升約1.5%.再生砂的角形因數(shù)集中度與原砂相比上升約60%，砂子粒形更趨圓整，具有良好的透氣性。

在新砂中加入不同含量的再生砂，混合后制成覆膜砂，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，測試其熱抗拉強(qiáng)度、冷抗拉強(qiáng)度及發(fā)氣量。在新砂中添加再生砂對覆膜砂的冷硬強(qiáng)度均有提高，發(fā)氣量有所降低，如圖4所示，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和砂粒在生產(chǎn)中的損耗，選擇使用再生砂中添加25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的新砂作為鑄造用砂較為合理。經(jīng)過近半年生產(chǎn)應(yīng)用，再生率達(dá)到80%，再生砂粒度等技術(shù)指標(biāo)均滿足鑄造工藝要求，目前，采用再生砂生產(chǎn)缸體、缸蓋冷芯砂芯，制芯質(zhì)量良好，鑄件成品率穩(wěn)定，缸體廢品率降低。

圖4 覆膜砂性能

4 經(jīng)濟(jì)效益

熱法再生砂生產(chǎn)線生產(chǎn)率為1 t/h～1.5 t/h（總功率60 kW），全線需2名工人，燃煤80 kg/t砂（中小塊氣煤，發(fā)熱量≥6 500大卡），設(shè)備折舊維護(hù)等費(fèi)用約為20元/t砂，其中成本為：

1）生產(chǎn)每t再生砂煤耗：80kg×1.2元/kg=96元；

2）生產(chǎn)每t再生砂電耗：60kW·h×0.54元/kW·h=32.4元；

3）生產(chǎn)每噸再生砂工人工資：8 000（2人工資）÷25天÷8 h÷1 t=40元；

4）設(shè)備折舊維護(hù)等費(fèi)用約為20元/t砂。

總計每噸再生砂成本約190元，與新砂相比，每噸砂可降低成本約160元。

5 總結(jié)

1）通過熱法再生生產(chǎn)的再生砂性能更優(yōu)于原砂，可以滿足鑄造過程中的使用；

2）再生砂生產(chǎn)線的引入可以將廢舊棄砂重新用于鑄造生產(chǎn)中，大大減少了生產(chǎn)中的粉塵和尾砂污染。

3）再生砂不僅解決了污染問題，砂子成本比新砂成本更低，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，擁有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 郝學(xué)杰，孫清洲，孫益民，等.含熱芯盒樹脂砂的粘土砂完全再生砂改性技術(shù)研究［J］.鑄造，2016，65（12）：1217-1220.

［2］ 梁加芳，鄭翠華，李甜，等.濕法再生砂在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2017（5）：18-21.

［3］ 王樹奎，宋永亮，耿國芳，等.再生砂在鑄造制芯中的應(yīng)用［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2017（1）：39-41.

［4］ 張才元.原砂焙燒與改變硅砂性能的研究［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，1999（1）：13-15.

［5］ 孫清洲、孫學(xué)忠、莊云海.熱法再生覆膜砂的特點與應(yīng)用［J］；鑄造，2002，（06）：450-452.

［6］ 周悠.再生砂灼燒減量的優(yōu)化控制［J］.鑄造技術(shù)，2014，35（1）：188-189.

［7］ 孫清洲，張普慶，趙忠魁，等.熱再生砂強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理的研究［J］.鑄造技術(shù)，2005，26（7）：575-577.

［8］ 鄧嫘媛，嚴(yán)磊，傅駿，等.兩種混合型舊砂再生砂用于冷芯盒制芯的實踐［J］.鑄造技術(shù)，2016，37（1）：164-166.

［9］ 萬仁芳熊鷹吳長松韓躍.濕型砂舊砂熱法再生技術(shù)及再生砂性能［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2016（5）：30-33.

［10］ 陳云龍潘亮星董海琨。黏土潮模砂再生及冷芯盒制芯應(yīng)用實踐［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2017（6）：61-64.

［11］ 謝江平.完全廢黏土砂的再生系統(tǒng)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2017（6）：65-66.

［12］ 唐榮聯(lián),趙錦.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［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（1）：1-3.

［13］ 董志鵬盧彬彬劉陽綦宗超堿酚醛混合樹脂砂再生工藝探索［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2016（3）：16-18.