焙烧炉在酯硬化水玻璃石英砂造型工艺中的应用

发表时间:2021/6/15   来源:《科学与技术》2021年第6期   作者:裴跃辉 李雁飞
[导读]
        裴跃辉 李雁飞
        包钢集团机械设备制造有限公司  内蒙古包头市 014000
        摘要:目前,国内外铸钢件铸造所用砂分为树脂砂和酯硬化水玻璃石英砂两种。在环保方面,由于水玻璃是无机物,在混砂、浇注及后期铸件处理过程中无甲醛等有害气体释放,而且酯硬化水玻璃石英砂硬度较高,砂处理过程中粉尘排放量及其颗粒度能较好的满足国家环保要求;另外,酯硬化水玻璃石英砂由于其硬度优势,不易粉碎细化,因而可以回收重复利用,从而可以达到降本增效的目的。新工艺的众多优点,使得其的应用日趋普遍。酯硬化水玻璃石英砂,性质稳定,在减少粉尘排放量得同时也可以提高产品质量;而且由于型砂在回砂过程中不易粉碎,只要能脱去型砂表面的粘结剂,可重复利用率高达85%,可大大降低生产成本。本文主要在回砂系统中设计增加焙烧炉,高温烘烤型砂,脱去其粘结剂,以重复利用。
        关键词:酯硬化水玻璃石英砂;焙烧炉;重复利用
        包钢集团机械制造设备有限公司(以下简称“包钢机制”)的前身是包钢机械总厂,始建于1957年,1999年4月改制为包钢集团机械设备制造有限公司,属包钢集团全资子公司,2008年6月转制成为包钢西北创业实业发展有限公司的全资子公司。公司拥有铸钢、铸铁、锻造、铆焊、重机、表面、检修、维检、芯棒等九个分公司及包唐锯片、包钢顺德两个控股子公司。主要设备有20吨中频炉、30吨电弧炉、3吨电弧炉、30t  LF精炼炉 、30t  VOD炉、12.5MN快锻液压机组、3吨电液锤、1500吨油压机、80x2800大型卷板机、5x30m双龙门铣床、12.5m立式车床及ф200数控镗床等近600台机械加工设备。机制公司具有生产大型机械设备的综合能力,可以生产冶金、矿山、化工、水泥、石化、电力机械等行业成套设备及非标产品。具有年产铆焊件10000吨、钢锭20000吨、铸钢件10000吨、铸铁件20000吨、锻钢件8000吨的配套能力及25000吨机加工及装备能力,是我国重型冶矿专业设备制造行业的大型骨干企业。
2010年,机制公司新上一条树脂砂造型工艺生产线,此工艺利用树脂砂作为型砂,树脂砂性质稳定性差,容易粉碎,导致发砂和回砂过程中粉尘排放量大,致使现场生产环境恶劣,严重影响职工身心健康;除此之外,回砂过程中经过搓砂机、振动筛后,型砂粉碎率极高,几乎全部淘汰,不能重复使用。这样不仅成本高,而且固体废弃物排放量大,粉尘排放超标,违背环保要求。因此,2018年我们先后分两步解决这些问题:一是另选型砂,并改变型砂和造型工艺,以减少粉尘排放量,改善生产环境,达到环保的要求,同时想办法降低生产成本;二是充分利用型砂的优点,适当处理旧型砂,使其可以重复利用,在原有基础上大幅度降低成本。
一、型砂的选用
目前,国内外铸钢件铸造所用砂分为树脂砂和酯硬化水玻璃石英砂两种。2018年前,我公司采用树脂砂造型工艺,由于树脂砂不可重复利用,因而成本较高,固体废弃物排放量大;而且树脂砂性质不稳定,生产过程中粉尘无序排放很难得到控制,致使生产现场环境差,严重影响职工身心健康。
而酯硬化水玻璃石英砂,由于水玻璃是目前应用最成功的无机化学粘结剂,在混砂、浇注及后期铸件处理过程中无甲醛等有毒害气体释放,长期使用对人体无害;用水玻璃砂造型,不仅价格便宜,流动性好,硬化快,可以提高型芯的尺寸精度,而且酯硬化水玻璃石英砂硬度较高,砂处理过程中粉尘排放量及其颗粒度能较好的满足国家环保要求,在环保标准日益严格的今天,水玻璃砂被认为是最可能实现绿色铸造的型砂种类;再者,酯硬化水玻璃石英砂由于其硬度优势,不易粉碎细化,只要经过合适处理,回收重复利用率便可高达高达85%,从而可以达到降本增效的目的。
综上所述,酯硬化水玻璃石英砂符合我们的各种要求,因而我们选用酯硬化水玻璃石英砂造型工艺代替树脂砂造型工艺。
二、使型砂能重复利用的措施
1、旧型砂再生面临的困难
酯硬化水玻璃石英砂造型工艺,是用水玻璃这种无机粘结剂,将型砂粘结到一起,达到造型的目的。要想型砂可以重复利用 ,就得使型砂在回砂过程中,不仅要保持颗粒完整性,还要脱掉粘结剂外壳。而酯硬化水玻璃石英砂由于其本身硬度大的优点,可以在回砂过程中保证其颗粒完整性,所以,我们面临的问题是如何脱掉旧型砂的粘结剂外壳。
2、旧型砂再生的方法
经研究表明,水玻璃、少量粘结剂经高温烘烤可以自行脱落,并不影响型砂本身性质。因此,我们在原回砂系统搓砂机后设计增加一座陪烧炉,型砂在回砂口的振动筛上经过一次粉碎,变成碎块;然后由1#斗提进入磁选机进行二次筛分,将型砂中掺杂的碎铁屑吸出;再经2#斗提进入搓砂机进行三次破碎;然后由3#斗提进入陪烧炉,并在焙烧炉中经过合适温度烘烤后,便可去除固化剂和粘结剂外壳,从焙烧炉流出后的砂子基本都破碎成单个砂粒,然后由4#斗提进入水冷落砂系统,冷却到一定温度后,再进入后面5#斗提机继续降温,最后回到砂库。
3、改造后回砂系统的工作流程:


5#斗提机       砂库
三、旧型砂热法再生原理
1、酯硬化水玻璃砂的混砂工艺:
原砂+酯固化剂 ――混砂―― 加入粘结剂 ――混砂―― 出砂
2、混砂配比:
原砂:100%  
新型水玻璃:3.0-4.0%  
有机酯:10-15%(占水玻璃)
粘结剂加入量低(≤4%)
3、旧型砂再生原理:
新工艺的粘结剂加入量少(≤4%),旧砂易破碎成单个砂粒,这为旧砂再生创造了条件 。型(芯)砂浇注受热后,旧砂表面的残留膜脆性较大,并且成不连续状态,易于通过机械再生法加150--250℃的温度低温烘烤便可实现再生;同时通过工艺材料配套机械再生处理,保证回用砂的综合性能,克服和减轻旧砂残留粘结剂膜对回用砂性能(可使用时间、工艺强度等)的影响。
4、旧砂再生工艺流程为:
旧砂--砂块破碎、去膜(机械干法再生)---风选---低温加热(150--250℃--机械热法再生)---砂温调节(砂温≤35℃)。
四、焙烧炉的工作原理
  焙烧炉炉体设计呈圆形,侧面有燃烧腔,底部成锥形,由燃气高温调温烧嘴、燃烧室、加热段、环形吸烟分砂段组成(如图一所示)。型砂由斗提机从顶部加入环形吸烟分砂段,即先流入导砂斗,后经分砂锥将型砂均匀分散在直径1.8米的圆面积上,型砂便均匀的流入预热段、加热段;加热段炉壁用优质隔热材料及高强度优质隔热砖砌筑而成,内部布满了特种结构的耐高温的高强耐热不锈钢分砂格,从而使型砂充分雾化,并使砂雾与上升的高温烟气充分对流及传导换热;在型砂流动过程中,由于燃烧腔的高温的辐射能作用,使其达到要求的焙烧温度,最后从底部流出,进入下一个斗提机。其中,高温烧嘴可根据再生砂的温度要求,自动控制炉温,确保型砂的再生效果;
再生的砂子经斗提机进入波纹水冷系统进行冷却,冷却后型砂温度可降低到35℃以下。
其中,环形吸烟分段带有除尘系统,燃气高温烧嘴带有独立的助燃风机,在燃烧器点火启动前应先将环形吸烟分砂段的除尘系统启动,进行焙烧炉内吹扫,确保燃烧器安全点火及可靠运行。


五、焙烧炉参数设定
1、底座尺寸:6m*3m*2m
2、炉腔厚度230mm

3、进砂温度:20°C
4、砂加热高温区温度:150-250°C
5、助燃风机功率:7.5KW
6、供热量:2352000Kcal/h
7、助燃风机功率:7.5KW
结论:本次改造采用了目前最前沿的铸造技术,焙烧炉的引入,使得型砂充分发挥效用,在满足环保要求的基础上,保护了职工的身心健康,降本增效也尤为明显,年均降本约193万元。经济效益与社会效益均十分显著
参考文献:
[1] 树脂砂生产线使用手册
[2] 焙烧炉使用操作手册
[3] 机械设计手册第四版. 成大先. 化学工业出版社
[4]自动控制原理.吴麒、 王诗宓. 清华大学出版社. 2006.8
[5]电机控制技术.王志新、 罗文广. 机械工业出版社.2011.1


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