發布日期：2022-04-27 點擊率：157
摘要：本文主要介紹了無錫市錫南鑄造機械廠在國內率先制造并已投放市場的酯硬化水玻璃砂熱法再生線。該線已通過由江蘇省組織的科技鑒定。來自清華、東大、上海交大、華中理工大、沈陽鑄造所、上海滬東造船廠、戚機廠等單位的著名專家、學者對該線進行了現場考察和測試，并作出了高度的評價，對我國鑄造舊砂再生技術的這一突破性的進展給予了充分肯定。
主題詞：水玻璃砂舊砂 熱法再生線 酯硬化
一．水玻璃砂正面臨著一次新的發展機遇
自1947年水玻璃砂CO2吹氣硬化方法問世以來，一度由于水玻璃加入量過多（6~8%），導致水玻璃砂潰散性差、舊砂再生困難等問題，使其應用受到很大限制。
近年來，隨著現代社會對環境的質量要求越來越高，水玻璃砂在環保方面的優勢重新引起鑄造工作者的重視。20世紀70年代，隨著水玻璃有機酯自硬法、真空置換硬化（VRH）法、微波烘干法等新工藝相繼開發成功并應用于生產，型砂中水玻璃的加入量減少到CO2吹氣硬化法的1/2~1/3，特別是近年來在水玻璃硬化機理方面深入研究所取得的進展，加上各種改性水玻璃和潰散劑的開發和應用，在解決水玻璃砂潰散性、舊砂再生和回用方面取得了突破性進展，這主要表現在：
1．水玻璃砂工藝的改進，使型砂中水玻璃加入量大幅度下降，改善了型砂的潰散性，降低了舊砂再生的難度。例如：有機酯硬化工藝已經可以使水玻璃加入量降到1.8%~2.8%以下。
2．舊砂再生新工藝、新設備的研究開發成功，為水玻璃舊砂再生提供了前所未有的有利條件。
3．對水玻璃基礎理論研究的深入，為水玻璃舊砂的再生和再生砂的應用提供了理論指導，使各種物理再生和化學再生方法有機地結合起來，舊砂再生的過程得到簡化。干法再生砂已用于大型鑄鋼件的背砂和中小型鑄鋼和鑄鐵件的單一砂。舊砂回用率的提高，不但使生產成本降低，而且有利鑄件質量提高。使水玻璃砂膨脹小，高溫退讓性好和環境污染少的特點得以充分發揮。
目前國內水玻璃砂再生方法一般是干法采用較多，其次是濕法。熱法則由于設備的問題，幾乎處于空白。“錫南”鑄機在熱法再生設備方面經過十多年的研究，終于研制出一套可行的高效熱法再生系統，為水玻璃砂的再生開辟了一條可靠、經濟而實用的嶄新途徑。
至此，水玻璃砂應用的兩大難題：潰散性和再生回用的突破性進展，加上其自身的環保優勢，使水玻璃砂真正面臨著一次新的發展機遇。
二．熱法再生的理論基礎
熱法再生的理論依據是：對酯硬化的水玻璃舊砂，將其焙燒到300~350℃[1]、[2]，除去水玻璃膜中的自由水、結晶水和殘留的有機酯（殘留酯的分解溫度在300℃以上），使水玻璃膜脆化；為防止脆化膜的回韌，必須在焙燒后立即用機械的撞擊和搓擦或氣力的沖刷去除殘留在舊砂表面已經脆化的水玻璃膜。
一般的不焙燒的干法再生，雖然采用了機械的撞擊和搓擦，但由于砂粒表面的水玻璃膜在通常濕度條件下具有一定的韌性，完全去除它比較困難；而且舊砂循環使用次數多的情況下，殘留Na2O和有機酯的積累也惡化了舊砂的質量。這也是焙燒和不焙燒的區別。
三．熱法再生的工藝流程與設備布置
熱法再生工藝過程中，有四個值得注意的問題：一是加熱溫度必須在300~350℃以上，我們稱之為焙燒或高溫焙燒；二是焙燒過的舊砂應立即進行再生，效果較好，否則冷卻后的水玻璃膜可能有回韌現象，增加脫膜難度；三是焙燒、再生后要配置高效的冷卻設備。四是二級磁選應該選擇在常溫的位置。因此，結合通常的干法再生，一條10t/h的熱法再生線。
1. 落砂后的舊砂首先經過懸掛式磁選機，去除鐵磁物質。
2. 在振動破碎機內，將砂塊破碎成單顆粒；同時進行篩分，去除粉塵，并進行初級再生。
3. 進入立式焙燒爐，舊砂被加熱到300℃以上，去除游離水、結晶水和部分有機酯，使水玻璃膜脆化，有利下一步的再生。此工序是熱法再生的關鍵，沈陽鑄造所、上海交大、華中理工等多家研究和試驗均表明，舊砂必須加熱到300℃以上。
4. 焙燒后的舊砂立即進入再生機。本線選用的是雙級磨盤再生機，每級一對磨盤，它利用強力的搓擦，去除已經焙燒脆化的水玻璃膜。這一工序必須緊接著焙燒后立即進行是因為防止降溫后水玻璃膜的吸潮、回韌，影響脫膜效果。
5. 再生后進入風選機，將脫下的膜、粉塵等去除。它對保證再生工藝指標及控制微粉含量具有重要意義。
6. 垂直振動沸騰冷卻去灰機，這是熱法再生工藝應特別考慮的問題。高溫焙燒、再生后的舊砂必須進行冷卻。本線選用的冷卻設備是我廠多年研制、改進的獨家生產的產品，它不但冷卻效率高，而且還具有再生、去粉塵和提升的多種功能，因此受到很多用戶的青睞。
7. 第二級磁選是本線的又一個靚點。第一道懸掛磁選在砂團破碎前進行，它主要完成了在宏觀范圍內的雜鐵的去除功能，但一些砂團內部包含的細小的鐵磁物質或粉粒尚未顯露出來，這是其一；其二，再生過程中由于磨擦可能新增一些鐵的磁性物質，這樣就必須在破碎和再生后，再進行一道磁選，這就是為什么設計兩級磁選的原因。
8. 大容量中間砂斗。中間砂斗起各工序以及生產用砂的緩沖和平衡作用，它是一般砂處理線不可忽視的一個組成部分。
9. 砂溫調節，眾所周知，自硬砂鑄造，進入混砂機的砂溫都有一定的要求，這個在微小范圍內對砂溫作進一步細調整（fine-tune）的功能是由砂溫調節器來完成的。
10. 以上這些都是酯硬化水玻璃砂熱法再生線必不可缺少的工序。這些工序之間，則是靠一些機械化運輸設備如振動輸送槽、斗式提升機（環鏈斗提機）、皮帶機和氣力輸送來完成的。
圖1是在中美合資蘇州某閥門廠應用的熱法再生線的設備布置圖，該線設備完全按照上述工藝流程進行布置，圖中右至左：落砂機→地坑內振動輸送槽→地坑內懸掛磁選→斗提機→振動破碎機（黃色）→斗提機→焙燒爐→斗提機→兩級離心再生機（黃色）→新型立式螺旋振動沸騰冷卻裝置（黃色）→磁分離滾筒→斗提機→儲砂斗→地坑內氣力輸送裝置，最左邊的斗提機為新砂斗提機，除塵器在室外。
圖1 酯硬化水玻璃砂熱法再生線全景
四．熱法再生的關鍵設備
1．立式焙燒爐
國內大噸位自硬砂熱法再生舊砂熔燒爐幾乎是空白，少數幾家進口焙燒爐，價格在250~270萬元人民幣左右，一般工廠難以承受。國產小噸位的應用于覆膜砂的焙燒爐已有商品供應。也有個別廠家采用一種小型臥式雙螺旋攪拌式加熱爐來代替焙燒爐使用，它根本達不到自硬砂焙燒溫度的要求，不宜采用。
對于酯硬化水玻璃砂，其熱法再生的理論依據是將水玻璃舊砂加熱到300~350℃（各種樹脂砂則要焙燒到700℃以上），去除粘結劑膜中的自由水、結晶水，破壞殘留酯的結構，并使大部分殘留酯及其化合物受熱分解、揮發，粘結劑膜得以脆化，隨即用機械的或氣流的撞擊、搓擦去除脆化膜。因此焙燒爐的設計原則是保證焙燒爐出砂口的砂溫要求，在此前提下，同時要滿足生產率、高的熱效率、節能和低成本等的要求。
焙燒爐工作原理是利用燃氣或燃油燃燒產生的高熱量加熱介質—空氣；再通過高溫空氣加熱砂子；這種高溫熱空氣與冷砂的熱交換是按逆流方式進行的，即冷砂自上而下下落，高溫熱氣流自下而上流動。這種逆流換熱方式具有高的效率。
焙燒爐（見圖2）由爐體、爐膛、燃燒室、進砂口、出砂口、燃燒器、溫度測量系統、補風系統、除塵系統、控制系統等幾部分組成。
圖2 立式自硬砂舊砂焙燒爐（圖中中間位置）
當砂流進入焙燒爐后，與上升的高溫空氣進行逆流式熱交換；當熱砂下落到燃燒室時，與燃燒的高溫火焰直接接觸，又進一步升溫焙燒，最后從爐底部的出砂口流出。
特殊的爐膛結構保證有足夠的熱交換面積、行程和時間。二次回煙補風裝置的設計思路獨特、新穎，它既保證了燃燒空氣的需要量又利用了部分余熱，節省能耗。
由于補風氣流造成對砂子的一定的沖刷作用，焙燒后脆化的粘結劑膜比較容易被去除，因而在焙燒爐內就能有一定的再生效果。整個燃燒和焙燒過程，包括各測溫點的溫度、燃氣量、補風量等全部由PLC自動控制，并配有模擬屏顯示，保證了焙燒過程進行的可靠性和穩定性。
表1 舊砂焙燒爐技術性能與參數
根據用戶要求，生產率可在5t/h~30t/h范圍內變化；樹脂砂焙燒溫度要求700℃。
該爐在蘇州中外合資某閥門廠運行結果表明：
（1）該舊砂焙燒爐完全滿足自硬砂（水玻璃砂、樹脂砂）焙燒溫度的要求；
（2）焙燒爐特殊的爐膛結構，能保證大噸位舊砂快速、高效地進行焙燒；
（3）二次回煙補風裝置既能保證高溫空氣的需要量，又能實現部分余熱利用，節省能耗；
（4）測試數據表明，該焙燒爐有較顯著的再生效果；
（5）噸砂的燃氣耗量、電耗量均較低。
2．立式螺旋振動沸騰冷卻裝置
焙燒再生后的舊砂必須進行冷卻，現有的一種臥式沸騰水冷卻裝置的致命缺陷是沸騰床容易產生堵塞；冷卻水管容易磨損、漏水，且冷卻效果差。因此，設計、開發了一種新型立式螺旋振動沸騰冷卻器。
其工作原理是利用振動輸送，使砂子在螺旋形的沸騰床中盤旋上升；與此同時，由沸騰床底部的螺旋形風箱鼓進冷風，使砂沸騰并冷卻。
其結構由底座、振動電機、螺旋形沸騰槽、螺旋形風箱、鼓風機、進風口、進砂口、出砂口、出渣口、篩網、機體外殼、除塵系統等幾部分組成。它主要用于水玻璃砂、樹脂砂、消失模干砂、V法干砂的冷卻。
圖4是該新型立式螺旋振動沸騰冷卻裝置圖
和臥式水冷卻沸騰床比較，立式振動沸騰冷卻裝置至少具有下列幾大特點：
（1）利用近100m長度的螺旋沸騰槽底部的鼓風對熱砂進行沸騰冷卻，其冷卻行程是普通臥式的12~14倍，有足夠的熱交換時間，故冷卻效果好。
（2）螺旋槽中的砂層較臥式沸騰床的要薄，沸騰比較充分，有利冷卻、去灰、除粉塵，并具有一定的螺旋振動再生效果。
（3）進砂溫度300℃; 出砂溫度40~60℃
（4）利用振動使砂沿螺旋路徑爬升，在冷卻的同時，具有提升功能。
（5）占地面積比臥式小60%（2200mm×2200mm）。
（6）不會出現像臥式沸騰冷卻床那樣的堵塞和冷卻水容易磨損漏水的問題。
五．熱法再生線技術性能及參數
表2給出了該熱法再生線的技術性能及參數
表2 熱法再生線技術性能及參數
以上數據通過鑒定專家現場測試認可。
表中殘留Na2O含量、微粉含量及舊砂回用率等三項指標均創國內先進水平。
六．結論
1．該熱法再生線關鍵設備——熔燒爐完全滿足水玻璃砂熱法再生溫度>300℃~350℃的要求（對樹脂砂可達到700℃）。
2．該線按照高溫焙燒立即再生的理念布置設備新穎獨特，具有創造性。
3．新型立式螺旋振動沸騰冷卻裝置完全滿足舊砂焙燒、再生后冷卻降溫的要求，同時還具有再生、去粉塵和提升的功能。
4．高的再生砂質量帶來高的水玻璃舊砂回用率（≥90~95%），為取消面背砂工藝奠定了基礎（該熱法再生線應用現場已用100%再生砂造外型）。
5．“雙高”（高的再生砂質量、高的舊砂回用率）給企業帶來了顯著的經濟效益。
參考文獻
1．中國機械工程學會鑄造繪編.鑄造手冊造型材料分冊.北京：機械工業出版社，2002.
2．樊自田等.干法再生酸硬化水玻璃砂的可行性及條件.鑄造，1996（11）：8~11
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