一種新型實(shí)型鑄造煙氣處理方案的嘗試

黃溢凡，劉歡歡，葉升平

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

1 實(shí)型鑄造煙氣問題

實(shí)型鑄造采用聚苯乙烯發(fā)泡塑料模樣代替普通木模，造好型后不取出模樣，直接澆入金屬液。在金屬液的作用下，塑料模樣燃燒、氣化、消失，金屬液取代原來塑料模所占據(jù)的空間位置，冷卻凝固后獲得所需鑄件。實(shí)型鑄造優(yōu)點(diǎn)明顯，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，降低鑄件成本，縮短生產(chǎn)周期，提高鑄件精度；但在澆注過程中實(shí)型鑄造產(chǎn)生大量的黑煙（如圖1所示），溫度高，濃度大。嚴(yán)重惡化車間生產(chǎn)環(huán)境，影響工人健康，污染問題亟待解決。

目前國(guó)內(nèi)數(shù)家實(shí)型鑄造企業(yè)使用水環(huán)真空泵抽負(fù)壓來緩解實(shí)型鑄造黑煙污染（圖2）.由于水環(huán)真空泵價(jià)格相對(duì)便宜，其抽氣效果相對(duì)顯著，對(duì)于解決現(xiàn)場(chǎng)澆注濃煙污染，確有好處。但是單獨(dú)使用真空泵不僅會(huì)造成水污染，又會(huì)帶來其它問題。如：使用真空泵時(shí)每個(gè)上砂箱都需要布置真空管道；煙氣中的酸性物質(zhì)吸入真空泵后會(huì)腐蝕泵體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致真空泵壽命很短。這些問題也令鑄造廠家頭疼不已。

圖1 實(shí)型鑄造煙氣污染嚴(yán)重（無真空輔助）

圖2 有真空輔助澆注無黑煙

2 真空泵水污染的研究

由于實(shí)型鑄造中使用的樹脂砂需要加入固化劑，而固化劑一般都含有磺酸等酸性成分，因此水環(huán)真空泵在吸收實(shí)型鑄造廢氣時(shí)會(huì)額外的造成水的酸性污染，在污染周圍環(huán)境的同時(shí)也會(huì)腐蝕真空泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致真空泵失效。

為了了解實(shí)型鑄造用水環(huán)真空泵水污染的情況，筆者前往蕪湖一家實(shí)型鑄造廠取1.5 L水樣進(jìn)行水樣分析，以探究水污染程度以及酸堿性。測(cè)量數(shù)據(jù)主要為苯、甲苯、乙苯、硫酸根離子、pH，如表1所示。

表1 水污染測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)型鑄造污水酸性嚴(yán)重，且對(duì)真空泵腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致該廠家真空泵失效，需要采用有效的措施解決酸性嚴(yán)重的問題，例如定期加入適量堿性物質(zhì)來中和等方法。

3 煙氣問題解決方案

為了有效地解決實(shí)型鑄造廢氣污染的問題，設(shè)計(jì)了一套抽氣方案（原理圖如圖3所示）。本方案的目的主要是針對(duì)消失模鑄造所產(chǎn)生的黑煙問題，設(shè)計(jì)出一種抽氣蓋箱裝置。將蓋箱翻轉(zhuǎn)過來，在距蓋箱底部150 mm處鋪設(shè)金屬過濾網(wǎng)（焊死），在其上鋪設(shè)一層厚50 mm的耐火纖維棉，用來吸附澆注時(shí)產(chǎn)生的黑煙等物質(zhì)，在耐火棉上鋪設(shè)厚達(dá)30 mm的耐火陶瓷過濾塊，最后再鋪設(shè)一層方便拆卸的金屬過濾網(wǎng)固定上述物體，頂部開兩個(gè)抽氣口連接負(fù)壓系統(tǒng)。該抽氣蓋箱裝置能夠一定程度上解決鑄造黑煙的除氣問題，保障現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境。

圖3 抽氣蓋箱原理圖

為了對(duì)該方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，筆者前往湖北十堰鄖縣的X X鑄造廠進(jìn)行實(shí)際澆注實(shí)驗(yàn)（如圖4），該廠實(shí)型鑄造采用地坑造型，在固化的鑄型上放置抽氣蓋箱，主要蓋住明冒口與出氣口。

澆注后箱內(nèi)情況如圖5.

由圖5可以看出耐火棉澆注前后對(duì)比情況，耐火棉表面明顯變黑?？梢娔突鹈蘅梢晕沾罅康膹U棄物，有效吸收了炭黑等大顆粒物質(zhì)；且現(xiàn)場(chǎng)沒有明顯黑煙冒出，可見該方案實(shí)際操作效果良好。

圖4 抽氣蓋箱

圖5 吸附大量煙塵的耐火棉

將吸附有炭黑等物質(zhì)的耐火纖維棉置于熱處理爐中，將其高溫灼燒處理一段時(shí)間，吸附的炭黑等雜質(zhì)幾乎完全消除，圖6是經(jīng)過高溫處理的纖維棉。經(jīng)過處理后的耐火纖維棉依舊可以保證原有的透氣性和吸附率，處理過程簡(jiǎn)單且可重復(fù)使用，大大降低了環(huán)保成本。但此裝置的局限性在于其大小要依據(jù)砂箱大小變化而變化，砂箱過大的話則蓋箱的成本高，具體實(shí)施時(shí)較繁瑣，且耐火陶瓷片在調(diào)運(yùn)過程中易破碎，更換頻繁。

基于此，筆者又設(shè)計(jì)了一個(gè)抽氣過濾筒（圖7），將其置于抽氣管的中部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而起到過濾吸附的作用。

圖6 高溫灼燒處理后的耐火纖維棉

圖7 抽氣過濾筒

圖7 中箭頭所示方向?yàn)槌闅夥较颍爻闅夥较蛞来畏胖?#耐火棉、活性炭、1#耐火棉、3#耐火棉（分為3片是為了避免耐火棉過厚而影響透氣性，并對(duì)3片耐火棉進(jìn)行穿孔處理），兩端與連接砂箱的抽氣管以及連接風(fēng)機(jī)的管道相連（如圖8）。澆注現(xiàn)場(chǎng)無明顯黑煙，且澆注過程流暢沒出現(xiàn)反噴現(xiàn)象（見圖 9）。

整個(gè)抽負(fù)壓過程持續(xù)20 min，關(guān)掉真空泵拆開抽氣過濾筒，取出耐火棉及活性炭進(jìn)行觀察、稱重以及高溫灼燒處理，結(jié)果如圖10和表2所示。

圖8 抽氣過濾筒連接圖

圖9 抽負(fù)壓澆注現(xiàn)場(chǎng)

表2 實(shí)驗(yàn)前后稱重?cái)?shù)據(jù)

圖10 吸附廢氣物的耐火棉與高溫灼燒后的耐火棉

結(jié)果分析：該方案對(duì)實(shí)型鑄造模樣氣化產(chǎn)物有一定的吸附效果。實(shí)驗(yàn)裝置中的耐火棉、活性炭沒做任何處理，聚苯乙烯模樣氣化產(chǎn)物在負(fù)壓作用下流速較快故與耐火棉、活性炭接觸時(shí)間短，其吸附能力有限。

通過對(duì)聚苯乙烯模樣氣化產(chǎn)物進(jìn)行研究，決定將耐火棉做適當(dāng)處理來增強(qiáng)其對(duì)苯類有機(jī)物的吸附能力。將耐火棉置于由柴油、機(jī)油、表面活性劑、堿性物質(zhì)以及水按一定比例組成的混合液中浸濕，并用鐵絲在其上扎盡可能多的孔洞以保證其透氣性，置于抽氣過濾筒中固定。本次試驗(yàn)所用聚苯乙烯模樣重量與上述實(shí)驗(yàn)相近，抽氣時(shí)間亦為20 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 用混合液浸濕過的耐火棉實(shí)驗(yàn)前后稱重結(jié)果（g）

結(jié)果分析：本次實(shí)驗(yàn)?zāi)突鹈拊鲋亓繛橹霸鲋亓康?倍多，多達(dá)112 g，說明此工藝具有可行性，若在此方案的基礎(chǔ)上，在尾氣排放口增設(shè)二次噴淋吸收裝置（用混合液再次吸收廢氣）定會(huì)達(dá)到更好的效果。

4 結(jié)論

1）實(shí)型鑄造中抽負(fù)壓可以顯著降低澆注現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的煙氣量，改善車間環(huán)境。

2）實(shí)型鑄造用的水環(huán)真空泵水酸性嚴(yán)重，可加入弱堿性物質(zhì)中和處理，避免導(dǎo)致真空泵失效。

3）通過抽氣筒內(nèi)的堿性物質(zhì)可以有效中和樹脂砂（固化劑為對(duì)甲苯磺酸）在高溫產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，從而避免腐蝕真空泵、損壞設(shè)備以及污染環(huán)境。

4）澆注時(shí)，實(shí)型鑄造模樣在負(fù)壓條件下產(chǎn)生氣態(tài)、液態(tài)產(chǎn)物可以被由柴油、機(jī)油、表面活性劑、堿性物質(zhì)以及水按一定比例組成的混合液吸收，降低廢氣排放量，保護(hù)環(huán)境。

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