永磁材料磨削集中供液工藝技術研究

陳 華，費軍輝，張 軻

（寧波韻升股份有限公司，浙江 寧波 315800）

在磁性材料加工技術領域，磨削是廣泛使用的機械加工手段。磨削后的產品需要進行超聲波清洗，清洗設備一般每周需要更換一次清洗液以保證產品表面的清潔度[1]。磨削加工和清洗過程中，液壓油、皂化液及各種漂浮固體顆粒不可避免地進入磨削液系統和清洗系統。微生物滋生是造成液體變質的主要原因，若不對切削液中有機物的總量加以控制，不僅會造成切削性能下降，還會影響操作員工的身體健康。

永磁材料經磨削加工后的磨屑（磁材行業俗稱磁泥）主要為砂輪和磁材粉末的混合物。磁材含有大量鏑、鋱、鈥等稀土成分，一個磨床車間一般每月可產出約20 t干磁泥，每月回收磁泥的經濟價值為120萬～140萬元，因此具有較高的經濟回收利用價值。磁泥在供液池中自然沉淀，如不及時清淤，沉淀在底層的磁泥會逐漸脫水硬化成石塊狀，給人工清淤造成極大困難。人工下池收集磁泥（清淤）不僅具有一定的工作風險（封閉空間作業），而且人員勞動強度極大，工作環境惡劣。因此，將磁泥從磨削液中分離出來的同時降低工人的勞動強度，改善工作環境，盡可能地減少磨削液的損耗是一項重要的技術課題。

1 技術方案的選擇

1.1 除油殺菌技術方案的選擇

液面浮油收集的物理技術手段主要有浮動式浮油收集器、刮油器等。浮動式浮油收集器采用“浮球+堰式收集口”的形式，采用氣動隔膜泵為動力將液面的浮油收集到專用的油水分離設備中。刮油器則通過不銹鋼帶或收油管在水面上將浮油和雜質帶出，然后用刮片將鋼帶或收油管上的浮油刮除。經對比試驗，浮動式浮油收集器由于堰式收集口的孔徑較小，因此容易被液面上漂浮的固體顆粒堵塞，導致除油工作失效，而刮油器對水體漂浮顆粒不敏感，既能收集液面浮油又能清除液面漂浮的微小顆粒固體雜質。因此，優先采用刮油器處理供液池水體表面的浮油和雜質。

磨削液的水體消毒主要有紫外線消毒和臭氧消毒等技術手段[2]。紫外線消毒是一種利用低壓汞燈發出紫外線殺死病毒和細菌的一種方法。它屬于一種物理方法，不用向水中添加任何物質，也不會殘留任何物質。只要磨削液水體透光率較好，就可以使用紫外線消毒的方式。臭氧消毒是一種強氧化劑，以氧原子的氧化作用破壞微生物膜的結構，從而實現殺菌作用。磨床車間的集中供液系統一般需同時向20～30臺磨床提供磨削液，每小時的流量需求為80～100 m3，在流量較大的集中供液系統中，過流式紫外線消毒設備一次性投資成本較低且占地面積相對較小，性價比較高。因此，優先采用過流式紫外線消毒工藝。

1.2 固液分離技術方案的選擇

目前，固液分離的技術手段主要分為磁性分離、離心沉降過濾、壓濾[3]。刮板式磁性分離器在磁材機械加工中廣泛使用。一般串接在磨床和水箱之間，磨削液經磁性分離后流入水箱多級沉淀，再經水泵抽回機床。經測試，刮板式磁性分離器的有效分離率為50%～60%，剩余的40%～50%磁泥會流入水箱沉淀。測試數據見表1。

表1 磁性分離器有效分離率

臥螺式離心機設備的原理是利用高速旋轉產生的離心力將比重較大的顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓做相對運動的螺旋葉片將沉積在轉鼓內壁的固相刮下，并推出排渣口[4]。該設備產出的固相含水率和液相的濁度兩項參數指標是相互制約的，具體表現如下：①當取水口設定靠近軸心時，液相相對較清，但是固相含水率較高；②當取水口設定靠近轉鼓內壁時，液相相對較渾濁，但是固相含水率較低。

經試驗，在不采用絮凝劑的情況下，離心沉降工藝正常工況下所獲得的水質，從肉眼觀察較為渾濁（過濾后的磨削液含有較多磁泥）。壓濾的工作原理是通過壓力泵將泥漿壓入相鄰兩濾板形成的密閉濾室中，使濾布兩面形成壓力差，從而實現固液分離。磨削液的濁度主要取決于濾布的目數，分離過濾后的濾餅（固相產物）含水率一般在25%～40%。

綜上，如果將磁性分離器安裝在集中供液系統的地溝和沉淀池之間，則依然會有部分比例的磁泥流入沉淀池，造成池底磁泥淤積[4]。由于車間設備多，每臺機床配置磁性分離器不僅投資成本高，維修頻率和費用也會增加，因此磁性分離器不宜用于集中供液系統。臥螺式離心機如果不采用絮凝劑，分離后的磨削液較為渾濁，無法滿足磨削加工的要求，而采用絮凝劑會提高使用成本（藥粉添加）且可能會改變磨削液的配比濃度，進而影響加工工藝。壓濾工藝分離后的磨削液較為清澈明亮，可直接用于磨削加工的冷卻和潤滑，并且濾餅（固體產物）的含水率較低，因此磨削液的固液分離優先采用壓濾工藝。

2 集中供液系統

永磁材料磨削和清洗的集中供液系統工藝路線如圖1所示。供液系統劃分為兩個工作模塊，分別為內循環工作模塊和固液分離工作模塊。具體功能見表2。

圖1 工藝路線圖

表2 工作模塊功能表

2.1 內循環工作模塊

清洗烘干線使用的清洗液使用一定周期后，廢液排入回流地溝進入集中供液系統。由于壓濾后的磁泥含有30%的水分率，因此清洗廢液可以補償該部分的切削液流失，使沉淀池內的切削液的總水量基本保持在一個平衡不變的狀態。內循環工作模塊主要由回流地溝1、一級沉淀池2、二級沉淀池3、熱泵冷卻系統4、主水泵機組5、油水分離系統6、消毒殺菌系統7組成。下面結合圖2介紹集中供液系統工作原理。

圖2 集中供液系統原理圖

清洗廢液排入回流地溝1與磨削液在地溝內混合后一起回流至一級沉淀池2。沉淀池入口裝有吊籃式濾網粗濾水體中較大顆粒的雜物。一、二級沉淀池之間臨近水面處有圓孔貫通。二級沉淀池內安裝有熱泵冷卻系統4。熱泵冷卻系統4由熱泵機組41和冷媒盤管42組成。為防止主水泵機組5吸真空，在進口總管路的末端安裝有止回閥52。同時，在進口管路的中段安裝有止回閥53。當管路末端的止回閥52因意外失效，管路內進入空氣時，可打開止回閥53，自來水進入管路排出空氣后，離心水泵即可正常啟動。油水分離系統6安裝在二級沉淀池3上方，包含刮油機61和過濾水箱62。如圖3所示，刮油機鋼帶將液面的浮油、漂浮固體顆粒一起刮入接油盒64中。接油盒底部以軟管接入到過濾水箱62。過濾水箱箱體以密封隔板為界分左右兩層，底部相通。右側上部安裝有一層濾網65，用于分離固體顆粒。浮油比重較輕，漂浮在水箱右側的上表面，而左側的水箱內則全部為切削液。定期打開閥67，即可將切削液回流至沉淀池內。浮油則通過打開放油閥68，排至油壺。消毒殺菌系統7接于主水泵機組5出口端，如消毒器需要維修，可關閉過流式紫外線消毒器進、出口的截止閥72、73，同時開啟三通管路上的旁通截止閥74，切削液直接進入給水管路8，則維修工作不會影響車間正常生產（如圖4所示）。

圖3 油水分離系統結構圖

圖4 主水泵機組、紫外線消毒系統結構圖

化學需氧量COD指標通過測試水中有機物的含量評估水體受污染的程度。操作人員每月分別在沉淀池的排水口和消毒器出口兩個監測點取樣進行化學需氧量COD測試。通過將切削液稀釋20倍后，將20 mL稀釋液與COD試劑混合后消解處理2 h，測定COD參數。5個月的監測點數據如圖5所示。

圖5 化學需氧量COD指標

由圖5可見，排入沉淀池的切削液COD指數始終穩定在2 100～2 700 mg/L，經過紫外線消毒后的切削液COD指數有明顯下降的趨勢，但穩定在1 500 mg/L左右。水體中有機物的含量得到有效控制。

2.2 固液分離工作模塊

固液分離工作模塊由給水管路系統8、壓濾系統9、隔膜泵進口管路沖洗清淤系統10組成。為提高固液分離效率，壓濾作業僅需針對沉淀池底部的泥漿進行固液分離。為避免自吸泵85將水池底部的泥漿抽入備用水池，一、二級沉淀池均采用圖6所示的浮球式吸水口的結構。

圖6 浮動式吸水口

吸水口固定在三角板上，三角板依靠3個金屬浮球漂浮在水平面上。吸水口末端位于水平面以下約0．5 m處，吸水口的另一端與自吸泵的管路相連。在壓濾作業前，將主水泵機組5停機（內循環模塊停止工作），調整給水系統三通閥組位置，然后啟動自吸泵85將沉淀池的水體抽至備用水池86中。待沉淀池底部磁泥基本快露出水面時，自吸泵停機，開始壓濾作業。壓濾系統由氣動隔膜泵91和板框式壓濾機92組成。隔膜泵將沉淀池底部的泥漿抽入板框式壓濾機98的濾室中，切削液穿過濾布流入清水池11，磁泥則被留在壓濾機濾室中。壓濾工藝針對濾渣壓縮性大或接近不可壓縮的懸浮液都能適用，但是不能對發硬結塊的磁泥進行壓濾。因此，壓濾作業須在磁泥尚處于泥漿（懸浮液）形態時定期（每月2次）進行。氣動隔膜泵的自吸能力較強，壓濾過程中進口管路的支路充滿了泥漿。壓濾作業結束后如不及時清理進口管路，管路極易被干涸的泥漿堵塞。自吸泵13出口并聯閥14和閥15。打開閥14，關閉閥15和隔膜泵進口閥93、94，可分別沖洗一級、二級沉淀池和備用水池中的隔膜泵進口管路。打開閥15，關閉閥14，可將清水泵送至沉淀池。為防止因壓濾清水池抽干導致水泵燒毀，在水泵控制回路中采用重錘+浮球控制其自動停機。隔膜泵進口管路沖洗清淤系統有兩個作用：①將固液分離后所得的清水從壓濾清水池11傳輸到沉淀池中；②沖洗氣動隔膜泵進口管路中的支路，預防管路堵塞。

通過采用真空烘箱高溫250°、4 h的烘烤后，稱取干、濕磁泥質量變化，對人工清淤和壓濾作業磁泥的含水率進行對比[5]，數據見表2。

表2 2種工藝的磁泥含水率（單位：%）

壓濾后的磁泥相對于人工清淤的磁泥含水率下降約10%，切削液損耗下降明顯。

3 結論

磨削液循環系統主要采用了以下4項關鍵技術。

（1）采用集中式供液系統回用清洗廢液的方法，解決清洗廢液環保處理的問題。

（2）采用油水分離和紫外線消毒的方法，消除了切削液因水體變質生成膠質黏稠物的條件，從根本上解決了膠質黏稠物堵塞壓濾機濾布造成壓濾作業失效的工藝難題。

（3）通過在刮油器接油盒底部串接具備二次油水分離功能（重力沉降原理）的過濾水箱，解決了刮油器在油水分離過程中切削液損耗較大的工藝難題。

（4）通過定期壓濾使操作人員不需要進入池底的密閉空間對沉淀池的磁泥進行清淤，只需要將濾餅從設備中取出、轉運即可，從而降低清淤勞動強度、提高工作效率和生產安全性。

集中供液系統實現了加工過程的污水零排放，同時采用了一種行之有效的固液分離工藝，員工不再需要進行高強度的下池清淤，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率和生產安全性。切削液COD指標得到了有效控制，再未發現車間操作員工的裸露皮膚有因為沾染切削液發生過敏的問題。