離線再生工藝在鑄造廢舊砂工藝處理中的應(yīng)用

吳 劍，陳 峰 ,劉 穎

（1.江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)室，江蘇江陰 214400；2.蘇美達(dá)股份有限公司，江蘇南京 210018；3.中國(guó)民用航空華東空管局山東分局，山東濟(jì)南 250107）

1 主題意義

在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，規(guī)模型的生產(chǎn)線通常需要大量的新砂、舊砂和輔助材料作為造型、制芯的工藝用料，而舊砂的用量則占有最大比例。在成型澆注后經(jīng)落砂產(chǎn)生大量的廢舊砂，在回用過(guò)程中需投入大量的人力、物力和財(cái)力，又形成大規(guī)模的再生砂處理環(huán)節(jié)。

廢棄處理會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且近年來(lái)已經(jīng)形成比較嚴(yán)重的、有環(huán)保問(wèn)題的、影響企業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。所以，舊砂再生、合理回用已成為企業(yè)發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)和環(huán)保的一個(gè)重點(diǎn)，刻不容緩。

舊砂再生回用，從企業(yè)綜合效益來(lái)講是鑄造生產(chǎn)全過(guò)程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。按現(xiàn)有條件可采用在線再生，亦可采用離線再生，具體取決于企業(yè)的工況條件。舊砂再生的目的是使原砂資源再利用，減少?gòu)U棄物排放，減少環(huán)境污染，并改善作業(yè)環(huán)境，是一項(xiàng)符合可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)措施。

由于鑄造工藝、鑄造材料的不同而存在的再生特性的差異，對(duì)研究廢舊砂的再生處理、技術(shù)裝備、工藝流程、終端排廢和相關(guān)再生技術(shù)的處理效果與品質(zhì)顯得至關(guān)重要[1]。

2 流程結(jié)構(gòu)

離線再生工藝是一個(gè)有代表性的獨(dú)立工藝技術(shù)，不影響鑄造生產(chǎn)。其工藝流程通過(guò)采用干法+熱法+干法的綜合處理方法，使大量廢、舊砂轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的再生回用砂，作為商品去替代原、新砂使用及不同類(lèi)型的鑄造生產(chǎn)用砂場(chǎng)合。

離線再生工藝適宜獨(dú)立的、配套型的中小型企業(yè)生產(chǎn)，是一種積極有效的、合理的資源再利用，是降低成本的有效措施。同時(shí)，也為鑄造企業(yè)的廢舊砂處理，解決了后顧之憂。

2.1 離線再生處理的主要對(duì)象

其一，必須對(duì)廢舊砂中形狀不一、大小不一、品質(zhì)不一的砂團(tuán)塊和燒結(jié)物（僵豆）進(jìn)行有效的破碎、篩分。

其二，必須對(duì)廢舊砂中混合的鐵雜物、不同粘結(jié)劑的混合物（芯子）進(jìn)行有效的篩分、磁選和必要的焙燒處理。

其三，合理選擇核心工藝裝備。利用其工藝特征，發(fā)揮離線再生工藝裝備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)施環(huán)保措施（主要涉及到粉塵、煙氣和有害氣體的擴(kuò)散與排放）[2]。

2.2 廢舊砂離線再生處理

采用一套干法+熱法+干法處理的獨(dú)立綜合再生技術(shù)方案，適用于常規(guī)舊砂再生的工藝特點(diǎn)，并考慮廢舊砂來(lái)源的復(fù)雜性。通過(guò)干法+熱法+干法的綜合處理使再生砂達(dá)到高品質(zhì)的質(zhì)量要求，從而使大量廢舊砂通過(guò)再生工藝獲得新生[3]。同時(shí)，沒(méi)有大量的廢棄物排放，對(duì)環(huán)保要求影響不大。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 再生類(lèi)型選擇

通常砂再生的選擇類(lèi)型有：干法、濕法、熱法和聯(lián)合處理法。一般認(rèn)為在工藝條件允許的情況下（考慮工廠具備的現(xiàn)有條件），首先選擇干法再生比較經(jīng)濟(jì)合理。有機(jī)脂鑄造類(lèi)型的廢舊砂，可選擇干法+焙燒聯(lián)合再生比較適宜。比較復(fù)雜的、品質(zhì)不明的鑄造廢舊砂，宜選擇干法+熱法+濕法聯(lián)合處理，可實(shí)現(xiàn)良好的砂再生效果。

粘土砂的廢舊砂再生回用，可選擇干法再生，并加大強(qiáng)力搓磨和去灰除塵的處理力度，是比較經(jīng)濟(jì)合理的。主要是針對(duì)粘土砂中的燒結(jié)物（僵豆）、粉塵，使其在通過(guò)強(qiáng)力搓磨破碎后可獲得再生。

其他鐵雜物的處理可通過(guò)篩分和多道磁選來(lái)分離凈化。砂溫冷卻一般通過(guò)空氣對(duì)流的熱交換方式降溫（如鼓風(fēng)與振動(dòng)沸騰冷卻）比較合理。

還有除塵系統(tǒng)的灰粉處理可采用濕法螺旋攪拌機(jī)的擠壓成型方法處理，避免終端的二次污染[2]。

空間外差光譜技術(shù)(Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS)是20世紀(jì)90年代由DOHI和SUSUKI提出的一種新型空間調(diào)制型高光譜分析技術(shù)，綜合了光柵和邁克爾遜干涉儀的特點(diǎn)，在窄頻譜范圍能獲取極高的光譜分辨率和信噪比[1-3].與傳統(tǒng)干涉儀相比，空間外差光譜儀憑借超高分辨率、高通量、瞬態(tài)探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，同時(shí)光譜儀體型小、功耗低，符合小型化衛(wèi)星載荷的需求.目前，該技術(shù)在大氣微物質(zhì)成分探測(cè)、大氣污染探測(cè)、氣象觀測(cè)、衛(wèi)星遙感探測(cè)等方面都具有十分重要的應(yīng)用[4-6].

3.2 工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先必須強(qiáng)調(diào)，由于廢舊砂的復(fù)雜性，離線再生處理的工藝過(guò)程是一個(gè)有針對(duì)性的特性處理過(guò)程。

（1）工藝流程，必須對(duì)廢舊砂進(jìn)行有效分解破碎（控制顆粒度）、二級(jí)磁選（清理鐵雜物）、焙燒（脫膜）、冷卻篩分（選擇顆粒度）、搓磨破碎、去膜去灰、砂凈化。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜廢舊砂團(tuán)塊的破碎、分解、松散和冷卻。

有機(jī)脂類(lèi)舊砂，對(duì)失效的、脆性的、潰散狀的惰性膜達(dá)到脫膜、去膜、去灰和圓整的目的[4]。

（2）干法+熱法+干法的綜合再生處理方式，主要利用砂處理設(shè)備與核心砂再生設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種高溫電阻爐加熱方法。其中包括：破碎篩分設(shè)備、輸送設(shè)備、焙燒爐、振動(dòng)沸騰冷卻、強(qiáng)力搓磨再生、二級(jí)磁選風(fēng)選等，最后入庫(kù)定量包裝。

整個(gè)工藝過(guò)程配套組合布袋除塵器系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的離線再生工藝單元，若通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化離線生產(chǎn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 5～8t/h 廢舊砂離線再生工藝單元一種電阻爐加熱法+干法再生的獨(dú)立工藝流程

（3）核心砂再生設(shè)備，包括：滾筒破碎篩分機(jī)（松散分解）、反擊式破碎機(jī)（小塊破碎）、焙燒爐（有機(jī)脂分解）、振動(dòng)沸騰冷卻機(jī)、強(qiáng)力搓磨再生機(jī)、懸掛式強(qiáng)力磁選機(jī)等。

（4）在舊砂通過(guò)冷卻后，再生砂進(jìn)一步的顆粒凈化非常重要。由于再生砂的品質(zhì)指標(biāo)之一是砂顆粒凈化要求。在技術(shù)條件、制造成本有限的前提下，必須考慮合理的工藝設(shè)計(jì)方案。

（5）熱法再生一般常用焙燒爐高溫燃燒的手段來(lái)實(shí)施。焙燒爐燃燒的原料有天然氣、煤氣、輕油等介質(zhì)，也有燃燒煤、焦的形式，但污染比較嚴(yán)重，目前已屬于淘汰的工藝類(lèi)型。

而天然氣燃燒是目前鑄造行業(yè)廣泛應(yīng)用的工藝手段。但存在的問(wèn)題是天然氣應(yīng)用成本高，一般中小型鑄造企業(yè)在舊砂再生處理的產(chǎn)量上受到限制（再生量不夠、小規(guī)模的狀態(tài)），利益成本高（產(chǎn)生1t 合格再生舊砂的價(jià)值遠(yuǎn)低于所消耗天然氣的市場(chǎng)價(jià)值）。一次性砂再生處理設(shè)備的投資成本也高。所以，很多業(yè)主在技術(shù)改造時(shí)往往是望而卻步[5]。

4 再生砂的品質(zhì)特性

4.1 廢舊砂復(fù)雜性的分析

（1）常規(guī)造型用砂：由0.05～1.0mm 的石英顆粒（通常稱硅砂）所組成，一般小于0.05mm 的石英顆粒稱作為石英粉。

（2）常用耐火材料有耐火粘土（陶土）、鉻砂、鎂砂、鉻鎂砂及其他材料，用于配制大型和重型鑄件以及合金鋼鑄件的型砂，材料燒損為10%左右。

（3）造型材料中，一般再生回用砂用量約占新砂量的30%～50%（每噸鑄件廢舊砂消耗1t）。而廢舊砂中可能存在的復(fù)雜物質(zhì)有鐵雜物、燒結(jié)膨潤(rùn)土（僵豆）、過(guò)燒有機(jī)脂（脆性膜）、鉻鐵渣、表面活性劑殘留、煤粉、鱗片石墨混合物和操作過(guò)程的有機(jī)雜物等[6]。

4.2 控制再生砂的質(zhì)量指標(biāo)

按鑄造用砂的技術(shù)要求，廢舊砂經(jīng)生產(chǎn)線綜合再生處理后的質(zhì)量控制，通常選擇幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)：灼燒減量（有機(jī)脂砂舊砂再生）、顆粒度分布、酸殘留量（pH 值）、粒度勻整（表面形態(tài)）、粉塵含量及砂溫控制等[6]。

（1）經(jīng)綜合再生處理后的舊砂團(tuán)塊、顆粒物應(yīng)徹底解體、砂粒品質(zhì)均勻圓整，而且凈化舊砂的灰粉和惰性物，使舊砂品質(zhì)接近原砂性能，在綜合質(zhì)量指標(biāo)上符合相關(guān)技術(shù)要求。但是，舊砂再生不是無(wú)限的，隨著再生次數(shù)增加，型砂抗拉強(qiáng)度會(huì)降低，所以應(yīng)合理選擇應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）再生焙燒爐溫度控制：廢舊砂焙燒溫度控制在300～400℃為宜，可有效控制有機(jī)脂舊砂的脫膜率，溫度不宜過(guò)高，會(huì)影響成本[7]。

（3）有機(jī)脂舊砂的灼燒減量控制在2.0%以下，并保持相對(duì)穩(wěn)定，不然直接影響型砂性能（舊砂焙燒溫度400℃時(shí)，灼燒減量值可降至3.0%以下）[8]。

（4）注意實(shí)施中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分樹(shù)脂砂、水玻璃砂、粘土砂等舊砂混合物來(lái)源的性質(zhì)（因其含水量、酸堿度、粉塵及鐵雜物含量等性質(zhì)不定），并適時(shí)檢驗(yàn)檢測(cè)，適時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝措施。

5 離線再生技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鑄造企業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到鑄造業(yè)發(fā)展水平的要求，只能滿足一般鑄造工藝水平的狀態(tài)。大規(guī)模的鑄造生產(chǎn)線、自動(dòng)化生產(chǎn)線在國(guó)內(nèi)還是少數(shù)。在鑄造業(yè)群體性的都普遍存在著不同程度的高能耗、環(huán)境污染、煙氣排放、廢舊砂隨意排放等問(wèn)題。

在主題意義中，客觀描述了鑄造車(chē)間技術(shù)改造和轉(zhuǎn)型，必須先解決現(xiàn)狀的瓶頸問(wèn)題，整治工況環(huán)境、清理廢舊砂、集中再生處理，以解決企業(yè)處理廢舊砂的后顧之憂[5]。

5.1 離線再生處理工藝

離線再生處理工藝是一個(gè)集中處理廢舊砂的環(huán)保型措施。其利用各企業(yè)的廢舊砂進(jìn)行集中再生處理，既解決了企業(yè)對(duì)廢舊砂的排放問(wèn)題，又為企業(yè)提供了再生砂在生產(chǎn)中的回用（返銷(xiāo)），降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

5.2 離線再生工藝方案

總體布局上首先考慮外部環(huán)境與綜合再生處理生產(chǎn)線的平面布置（場(chǎng)地要求不大），以及粉塵排放與除塵器系統(tǒng)、廢舊砂物流輸送、車(chē)間生產(chǎn)流程和終端廢棄物處理。

（1）標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)廠房要求，整體鋼結(jié)構(gòu)廠房、符合通風(fēng)、采光要求，完成配電設(shè)施等。廠房基本滿足通路、通水、通電條件，并調(diào)整水循環(huán)系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)（煤氣或天然氣）進(jìn)出管路連接的布局（燃?xì)夤に嚂r(shí)）。

（2）再生處理生產(chǎn)線的技術(shù)裝備和除塵設(shè)備進(jìn)行合理選型采購(gòu)，并注意各成套核心設(shè)備、除塵器和非標(biāo)設(shè)備的技術(shù)性能、安裝調(diào)試及相關(guān)物流運(yùn)送的事項(xiàng)，便于日后的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)。

（3）有關(guān)電氣控制方面應(yīng)考慮專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)制造，提供并配置可靠的電氣元器件、數(shù)字模擬和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、檢測(cè)技術(shù)等[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)鑄造產(chǎn)業(yè)和鑄造產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，各種鑄造工藝技術(shù)亦得到不斷提升和普及。然而，由于環(huán)境污染和原砂資源問(wèn)題的突顯，直接影響鑄造產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展的前景。

所以，必須重視砂再生的重要性、必要性和資源再利用的創(chuàng)新發(fā)展理念。注重在鑄造工藝裝備研發(fā)、單元設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，圍繞砂再生、砂處理的核心設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)研究與應(yīng)用。