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，云南 昆明 650000；2.昆明市技術交流站，云南 昆明 650000）

1 國內(nèi)外舊砂再生研究開發(fā)簡況與發(fā)展趨勢

舊砂再生從美國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黏結劑砂的再生回用，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，并對提高鑄件質(zhì)量，減少廢品，在技術質(zhì)量及經(jīng)濟上均起了不小的作用[1]。

如美國、日本、德國等工業(yè)發(fā)達國家舊砂再生的采用廠已達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、內(nèi)燃機制造廠生產(chǎn)發(fā)動機汽缸體、汽缸蓋的廠家仍因采用新砂做有機黏結劑型芯打箱后，循環(huán)混合舊砂超量，導致仍需大量排放舊砂。因而21世紀已進入到解決循環(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，能代替新砂制有機黏結劑型芯，使舊砂能循環(huán)使用的難題，世界工業(yè)發(fā)達的國家競相研究開發(fā)，如法國采用濕法水洗，美國采用熱法焙燒及干法氣流、日本采用干法機械離心及荷蘭采用加熱烘干磨輪再生等。在個別少數(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，工藝流程設備較簡，再生效果較佳，生態(tài)環(huán)境較好，達到經(jīng)濟實用，可普遍廣泛采用的較佳方法。

我國舊砂再生開展較晚，解放后機械工業(yè)從修配轉(zhuǎn)向制造之后，上世紀50—60年代才開始采用一些簡單的濕法再生，豎吹式氣流再生，簡單的熱法再生等在少數(shù)地區(qū)及工廠應用[4]。上世紀70—80年代，在濕法再生結合水力清砂開發(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年先后兩次獲得國家自然科學基金資助，開發(fā)出3 t/h氣流橫吹式再生機及1t/h、2t/h、3 t/h系列產(chǎn)品，在全國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]。

在此期間由國外先后引進一些樹脂砂再生線成套設備，我國幾個鑄造機械廠也開發(fā)出幾種再生樹脂砂的氣流和離心式再生機成套設備，在生產(chǎn)上有所推廣，以及有的中小廠也自制出簡易震動再生及離心式再生機等用于生產(chǎn)，由于我國中小廠眾多，估計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)

進入21世紀，我國也進入解決舊砂循環(huán)使用的新階段。在十堰東風汽車公司的二汽、長春一汽及重慶長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，無錫錫南鑄造機械廠研制出大型樹脂砂再生裝備，同時也開發(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次申請到國家自然科學基金的資助下，專門對濕型黏土砂再生循環(huán)使用進行了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黏結劑樹脂砂芯，達到要求水平的效果。見文獻[3]與文獻[6]。

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

圖1是舊砂與再生砂在顯微鏡下對比照片，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——強磁分離出弱磁性有效黏土砂（約50%量可應用于造型）——創(chuàng)新雙筒型震動初再生（去泥率達50%左右，并可去除與松動舊砂凹處黏土膜）——磨輪精再生（可強力摩擦與搓研各個砂粒整個表面，含泥量達到3%～6%，近于新砂水平）——最后以傾斜震動篩去除細粒及粉塵，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磁分離弱磁性有效黏土砂要求較高的磁場強度，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年在完成國家課題基金后，繼續(xù)探索新的再生方法，先后取得3項專利：葉片式舊砂再生磨輪機（Z L 200920294476.5）、一種偏心輪式舊砂再生磨輪機（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，并已申請專利。

3.1 旋流再生新工藝的研究開發(fā)

旋流再生試驗裝置如圖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，實現(xiàn)了較好的讓每顆砂粒上包裹著的黏結劑薄膜和雜物作用，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口1進入到帶有螺旋葉片2的吹管4內(nèi)，砂粒在旋流的作用下噴射到由電機6帶動產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動的頂蓋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，進入砂斗8，最終達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)

旋流再生設備是在早已開發(fā)的橫吹式氣流再生機基礎上[1，9]，改進與更新設計成新一代的一機多級多排而實現(xiàn)的，如圖4.

圖4 多級多排再生裝備簡圖

多級，可根據(jù)再生各種砂的難度不同，采用1～4級，并對每級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、摩擦與搓研的強度，達到既可適應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)量設計成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噸，再生可單獨設計成生產(chǎn)線，可開1至3班，如5t/h，按年工作250d計，年產(chǎn)量可達1萬t～2.6萬t，如此設計的不同系列的產(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、拖拉機等廠的要求。

4 小 結

這樣一機多級多排的再生設備減少了原來不同工藝裝備組合之間的儲備、運輸?shù)仍O備，達到占地小，功率省，投資少，設備簡單易制，安裝管理方便，經(jīng)濟性佳，再生效果好，適應性廣，可適應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件，工作可靠，故障少，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。一機多級多排可以說是適應性廣泛，有如機械制造上由多種動力頭組成的組合機床那樣，可成為砂處理功能較全，且經(jīng)濟，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。

就這一技術已申請專利，并將開發(fā)形成有國家自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，不僅國內(nèi)采用，還可向國外推廣。

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

此外，對再生產(chǎn)生的粉塵細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?；蜃龀稍薷魺岵牧铣蔀楦疆a(chǎn)品有效利用[1，10】，促進零廢物排放和綠色鑄造的實現(xiàn)。

5 展 望

總的看來，21世紀是綠色世紀，希望鑄造生產(chǎn)廠與鑄造機械制造廠加強合作，在以人為本的科學發(fā)展觀的指引下，教學、科研、生產(chǎn)相結合，共同發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，一定能較快實現(xiàn)中國特色鑄造，向綠色鑄造和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境推進，使中國鑄造走到世界前列。

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

［2］陳琦，彭兆弟.鑄造循環(huán)利用技術［M］.北京：機械工業(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屆國際鑄造會議論文集.杭州：2010.

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

［5］重慶鋼鐵設計院.風力送砂及濕法再生調(diào)查報告之一，之二［R］.1973年.

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

［7］郭思福，張方，李珊，等.綠色鑄造與舊砂再生綜述（國內(nèi)2008年度）［J］.鑄造設備與工藝，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)保健康綠色全國鑄造學會環(huán)境保護及安全技術委員會八屆三次學術年會暨中國鑄造協(xié)會綠色鑄造工作委員會（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：機械工業(yè)出版社，2007：110.

［10］新中國50年鑄造舊砂再生的發(fā)展狀況和今后進一步發(fā)展的建議與展望［J］.鑄造設備研究，2001（6）：1-6.