旋流再生舊砂循環(huán)使用新裝備的研發(fā)

郭景純，郭思福，李 珊，張 方，陳祖堯，朱世俊

（1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650000；2.昆明市技術(shù)交流站，云南 昆明 650000）

1 國(guó)內(nèi)外舊砂再生研究開發(fā)簡(jiǎn)況與發(fā)展趨勢(shì)

舊砂再生從美國(guó)1912年最早開始發(fā)表文章至今已有近100年歷史，目前先后發(fā)展出濕法、干法、熱法、及各種聯(lián)合再生等較全面的各種再生方法用于生產(chǎn)，解決著包括黏土濕型砂，水玻璃砂和各種樹脂砂等有機(jī)黏結(jié)劑砂的再生回用，顯示出節(jié)約原材料、節(jié)能，尤其是改善環(huán)境，避免公害的效果，并對(duì)提高鑄件質(zhì)量，減少?gòu)U品，在技術(shù)質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)上均起了不小的作用[1]。

如美國(guó)、日本、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家舊砂再生的采用廠已達(dá)40%～60%，但大批大量生產(chǎn)的大廠采用較少，尤其是汽車、拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)制造廠生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、汽缸蓋的廠家仍因采用新砂做有機(jī)黏結(jié)劑型芯打箱后，循環(huán)混合舊砂超量，導(dǎo)致仍需大量排放舊砂。因而21世紀(jì)已進(jìn)入到解決循環(huán)使用并推向零廢物排放、綠色鑄造的新階段[2]。

近10年來，為解決打箱后，含泥量為10%～14%的混合舊砂經(jīng)再生達(dá)到如新砂那樣的含泥量為0.3%～0.4%的水平，能代替新砂制有機(jī)黏結(jié)劑型芯，使舊砂能循環(huán)使用的難題，世界工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家競(jìng)相研究開發(fā)，如法國(guó)采用濕法水洗，美國(guó)采用熱法焙燒及干法氣流、日本采用干法機(jī)械離心及荷蘭采用加熱烘干磨輪再生等。在個(gè)別少數(shù)廠用于生產(chǎn)，取得一定效果。此外，新的工藝方法，如蒸汽壓再生、冷凍再生、等離子體熱法再生等的研發(fā)，也取得成功的嘗試[3]。

但至今看來，尚未獲得一種，能耗較少，工藝流程設(shè)備較簡(jiǎn)，再生效果較佳，生態(tài)環(huán)境較好，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可普遍廣泛采用的較佳方法。

我國(guó)舊砂再生開展較晚，解放后機(jī)械工業(yè)從修配轉(zhuǎn)向制造之后，上世紀(jì)50—60年代才開始采用一些簡(jiǎn)單的濕法再生，豎吹式氣流再生，簡(jiǎn)單的熱法再生等在少數(shù)地區(qū)及工廠應(yīng)用[4]。上世紀(jì)70—80年代，在濕法再生結(jié)合水力清砂開發(fā)出再生系統(tǒng)在一些廠有所推廣[5]，1978年我校在云南省科委，及1982年與1984年先后兩次獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助，開發(fā)出3 t/h氣流橫吹式再生機(jī)及1t/h、2t/h、3 t/h系列產(chǎn)品，在全國(guó)20余家中小廠及十堰二汽的第二鑄造廠等有所推廣，之后1986年開發(fā)出逆流式機(jī)械再生，在上海滬東造船廠鑄鋼車間等幾家廠采用水玻璃砂再生，取得較好效果[6]。

在此期間由國(guó)外先后引進(jìn)一些樹脂砂再生線成套設(shè)備，我國(guó)幾個(gè)鑄造機(jī)械廠也開發(fā)出幾種再生樹脂砂的氣流和離心式再生機(jī)成套設(shè)備，在生產(chǎn)上有所推廣，以及有的中小廠也自制出簡(jiǎn)易震動(dòng)再生及離心式再生機(jī)等用于生產(chǎn)，由于我國(guó)中小廠眾多，估計(jì)采用舊砂再生的廠家比例不大，僅5%～10%左右。

2 黏土濕型砂再生循環(huán)使用的研發(fā)

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)也進(jìn)入解決舊砂循環(huán)使用的新階段。在十堰東風(fēng)汽車公司的二汽、長(zhǎng)春一汽及重慶長(zhǎng)江造型材料公司先后開發(fā)出熱法焙燒再生及廢砂制磚等綜合利用，無錫錫南鑄造機(jī)械廠研制出大型樹脂砂再生裝備，同時(shí)也開發(fā)出酯硬化水玻璃砂熱法再生線，以及山東平度的鑄造機(jī)械廠在覆膜砂上開發(fā)出熱法再生線等均具有一定特色，生產(chǎn)上取得一定效果[7]。

我們也在2007年第3次申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，專門對(duì)濕型黏土砂再生循環(huán)使用進(jìn)行了3年的研究，開發(fā)出磨輪再生及綜合再生的工藝，取得了再生砂可代新砂制出有機(jī)黏結(jié)劑樹脂砂芯，達(dá)到要求水平的效果。見文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[6]。

在300℃熱濕拉強(qiáng)度達(dá)0.842 MPa，在室溫下濕拉強(qiáng)度達(dá)1.784 MPa，發(fā)氣量達(dá)17 m L/g.

圖1是舊砂與再生砂在顯微鏡下對(duì)比照片，可見再生砂粒表面潔凈圓整。

圖1 舊砂（a）及再生砂（b）顯微鏡下照片圖

在工藝流程上找到了一條綜合再生解決黏土砂循環(huán)使用的道路，即：低溫烘干混合砂——強(qiáng)磁分離出弱磁性有效黏土砂（約50%量可應(yīng)用于造型）——?jiǎng)?chuàng)新雙筒型震動(dòng)初再生（去泥率達(dá)50%左右，并可去除與松動(dòng)舊砂凹處黏土膜）——磨輪精再生（可強(qiáng)力摩擦與搓研各個(gè)砂粒整個(gè)表面，含泥量達(dá)到3%～6%，近于新砂水平）——最后以傾斜震動(dòng)篩去除細(xì)粒及粉塵，得凈化再生砂[6]。工藝流程如圖2。

圖2 磨輪再生工藝流程簡(jiǎn)圖

3 旋流再生新工藝裝備的研發(fā)[8]

由于磨輪再生系將砂群分散成粒，流經(jīng)分砂輪與磨輪間狹小的偏心的間隙，產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨擦與搓研而獲得再生，且僅一次通過，生產(chǎn)能力不高，另外綜合再生工藝中用強(qiáng)磁分離弱磁性有效黏土砂要求較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，需要投資昂貴的電磁分離裝置；尤其是不能滿足大批、大量、生產(chǎn)量較大的要求，生產(chǎn)上難于采用。

2010年—2012年在完成國(guó)家課題基金后，繼續(xù)探索新的再生方法，先后取得3項(xiàng)專利：葉片式舊砂再生磨輪機(jī)（Z L 200920294476.5）、一種偏心輪式舊砂再生磨輪機(jī)（Z L 200920294475.0）及一種帶磨輪的舊砂再生裝置（Z L 201020684940.4），均取得好的效果。我們也研究出永磁分離來代替解決的辦法。另外一種旋流再生效果最佳，而且可滿足大量生產(chǎn)的要求，并已申請(qǐng)專利。

3.1 旋流再生新工藝的研究開發(fā)

旋流再生試驗(yàn)裝置如圖3，系通過氣固兩相流，將砂群分散成一顆顆旋轉(zhuǎn)的砂粒，在砂粒與砂粒和砂粒與葉片之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨擦與搓研。之后，旋轉(zhuǎn)的砂粒又再與旋轉(zhuǎn)的撞擊頂蓋上和聚集的一層砂粒層相互產(chǎn)生撞擊、摩擦和搓研的綜合作用下，實(shí)現(xiàn)了較好的讓每顆砂粒上包裹著的黏結(jié)劑薄膜和雜物作用，從而得到較好的清除。而且這樣砂粒破碎率低，再生效果好。

圖3 旋流再生試驗(yàn)裝置圖

如圖3所示，舊砂由頂部入砂口3在重力作用下落到吹管4中，高速氣流從橫向入風(fēng)口1進(jìn)入到帶有螺旋葉片2的吹管4內(nèi)，砂粒在旋流的作用下噴射到由電機(jī)6帶動(dòng)產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動(dòng)的頂蓋5上，在頂蓋中使砂粒與頂蓋之間再產(chǎn)生撞擊及砂粒與砂粒之間互相摩擦后，進(jìn)入砂斗8，最終達(dá)到去除砂粒上包裹著的惰性膜及雜物獲得再生砂的目的。

3.2 旋流再生工藝裝備的開發(fā)

旋流再生設(shè)備是在早已開發(fā)的橫吹式氣流再生機(jī)基礎(chǔ)上[1，9]，改進(jìn)與更新設(shè)計(jì)成新一代的一機(jī)多級(jí)多排而實(shí)現(xiàn)的，如圖4.

圖4 多級(jí)多排再生裝備簡(jiǎn)圖

多級(jí)，可根據(jù)再生各種砂的難度不同，采用1～4級(jí)，并對(duì)每級(jí)自上而下可采取不同工藝參數(shù)及選用不同形狀的撞擊頂蓋，產(chǎn)生不同的撞擊、摩擦與搓研的強(qiáng)度，達(dá)到既可適應(yīng)各種砂的不同再生難度的要求，更可提高再生的效果，滿足不同需求與理想的效果。

多排則可按不同生產(chǎn)量設(shè)計(jì)成1～4排，單排可分別為3 t/h、5 t/h、10t/h以至20t/h，年可再生幾千噸到幾萬(wàn)噸，再生可單獨(dú)設(shè)計(jì)成生產(chǎn)線，可開1至3班，如5t/h，按年工作250d計(jì)，年產(chǎn)量可達(dá)1萬(wàn)t～2.6萬(wàn)t，如此設(shè)計(jì)的不同系列的產(chǎn)品，可適用于不同產(chǎn)量，尤其是滿足大批大量生產(chǎn)汽車、拖拉機(jī)等廠的要求。

4 小 結(jié)

這樣一機(jī)多級(jí)多排的再生設(shè)備減少了原來不同工藝裝備組合之間的儲(chǔ)備、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備，達(dá)到占地小，功率省，投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單易制，安裝管理方便，經(jīng)濟(jì)性佳，再生效果好，適應(yīng)性廣，可適應(yīng)大中小廠不同砂種和產(chǎn)量的要求，而且由于橫吹式旋流再生有無傳動(dòng)件，工作可靠，故障少，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一機(jī)多級(jí)多排可以說是適應(yīng)性廣泛，有如機(jī)械制造上由多種動(dòng)力頭組成的組合機(jī)床那樣，可成為砂處理功能較全，且經(jīng)濟(jì)，效能好，而成為較之過去的各種再生方法可廣泛和普遍采用的最佳選擇。

就這一技術(shù)已申請(qǐng)專利，并將開發(fā)形成有國(guó)家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，不僅國(guó)內(nèi)采用，還可向國(guó)外推廣。

從旋流綜合再生的工藝流程看，其中強(qiáng)磁分離與震動(dòng)破碎初再生可代替原來砂處理系統(tǒng)中的震動(dòng)破碎與磁分離器，使砂處理系統(tǒng)全面改觀，成為包括功能全面、性能較佳且簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、環(huán)境較好的新的砂處理系統(tǒng)。

此外，對(duì)再生產(chǎn)生的粉塵細(xì)粒及清理鑄件下來的廢砂，也采用綜合利用的辦法，加入沖天爐中，既由于其含有樹脂粉末和未燃煤粉等可助燃節(jié)能，又可將爐渣粒化或做成渣棉隔熱材料成為附產(chǎn)品有效利用[1，10】，促進(jìn)零廢物排放和綠色鑄造的實(shí)現(xiàn)。

5 展 望

總的看來，21世紀(jì)是綠色世紀(jì)，希望鑄造生產(chǎn)廠與鑄造機(jī)械制造廠加強(qiáng)合作，在以人為本的科學(xué)發(fā)展觀的指引下，教學(xué)、科研、生產(chǎn)相結(jié)合，共同發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，一定能較快實(shí)現(xiàn)中國(guó)特色鑄造，向綠色鑄造和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境推進(jìn)，使中國(guó)鑄造走到世界前列。

［1］郭景純，郭思福.鑄造舊砂再生利用及污染治理［M］.廣州：中山大學(xué)出版社.2000.

［2］陳琦，彭兆弟.鑄造循環(huán)利用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］郭景純，張方，李珊，等.Mixed Waste green Reclaiming in CoreWork Making Zero Discard and green Foundry Forward ［G］//69屆國(guó)際鑄造會(huì)議論文集.杭州：2010.

［4］郭景純.昆明地區(qū)舊砂再生總結(jié)［J］.鑄造機(jī)械創(chuàng)刊號(hào)，1966（1）：20.

［5］重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院.風(fēng)力送砂及濕法再生調(diào)查報(bào)告之一，之二［R］.1973年.

［6］郭景純，張方.鑄造舊砂再生設(shè)備及循環(huán)使用的開發(fā)與研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（5）：45-46.

［7］郭思福，張方，李珊，等.綠色鑄造與舊砂再生綜述（國(guó)內(nèi)2008年度）［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（3）：54-56.

［8］李珊，郭思福，張方，等.黏土濕型混合舊砂再生循環(huán)使用的開發(fā)與研究［G］//鑄造環(huán)保健康綠色全國(guó)鑄造學(xué)會(huì)環(huán)境保護(hù)及安全技術(shù)委員會(huì)八屆三次學(xué)術(shù)年會(huì)暨中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)綠色鑄造工作委員會(huì)（籌）綠色鑄造論文集.武漢：2011.

［9］黃天佑，金仲信.黏土濕型砂及其質(zhì)量控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：110.

［10］新中國(guó)50年鑄造舊砂再生的發(fā)展?fàn)顩r和今后進(jìn)一步發(fā)展的建議與展望［J］.鑄造設(shè)備研究，2001（6）：1-6.