焙烧炉在酯硬化水玻璃石英砂造型工艺中的应用

焙烧炉在酯硬化水玻璃石英砂造型工艺中的应用

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。

1. 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：

回砂口 振动落砂床 1#斗提机 磁选分离机 2#斗提机

波纹水冷系统 4#斗提机 焙烧炉 3#斗提机 搓砂机

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。

1. 燃气高速调温烧嘴 2、燃烧室 3、加热段 4、环形吸烟分砂段

图示一

5. 焙烧炉参数设定

1、底座尺寸：6m*3m*2m

2、炉腔厚度230mm

此时的烘炉温度和时间表见下表

烘炉升温曲线：

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