廢砂再生處理在鑄造連續(xù)生產(chǎn)中的應(yīng)用

在21世紀(jì)，中國的制造工業(yè)越來越意識(shí)到資源和環(huán)境的巨大壓力。這是因?yàn)樵谥圃旌蜕a(chǎn)過程中，資源和能源的總投資很大，約占總制造成本的65%75%。我國是一個(gè)人均占有資源很少的國家,又是一個(gè)資源、能源利用率低、浪費(fèi)嚴(yán)重的資源能耗大國,因此,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中資源、能源的浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染,是我國鑄造業(yè)面臨的緊迫而艱巨的任務(wù)。鑄造生產(chǎn)主要的固體廢棄物是廢砂,占其總量的70%以上。特別是由于各種含毒有機(jī)粘結(jié)劑的芯砂的混入,使生成的混合廢砂的再生十分復(fù)雜和困難。因此,我國砂型鑄造生產(chǎn)過程中的混合廢砂,除了很少部分不經(jīng)再生而直接用于背砂外,大部分作為廢棄物排放。這不僅浪費(fèi)了資源,增加了鑄件生產(chǎn)成本,而且嚴(yán)重地污染了環(huán)境,特別是芯砂中不可降解的有機(jī)粘結(jié)劑對(duì)環(huán)境的污染更為嚴(yán)重。1廢砂成為環(huán)保工程的重要指標(biāo)流水線生產(chǎn)的鑄造濕型砂大多添加7%的粘土、4%的煤粉(或相應(yīng)的添加材料)及3.5%的水分混合而成;而鑄造芯砂大多添加2%~3%的有機(jī)粘結(jié)劑。在鑄件生產(chǎn)中,這些混合在一起的殘留的粘土、煤粉及有機(jī)粘結(jié)劑和新生成的灰分得不到有效的排除無法回用,形成廢砂。此外,在砂芯生產(chǎn)的過程中還要產(chǎn)生出不低于20%左右的廢芯塊和廢芯砂,成為嚴(yán)重威脅環(huán)境的廢砂(僅此我公司一年大約有1.5萬t)。對(duì)于砂型鑄造來說,每生產(chǎn)1t鑄件約需0.7~1t新砂,同時(shí)又要廢棄大約等量的廢砂。特別是鑄造廢砂中還含有酚、醛、苯等有毒的合成樹脂,不經(jīng)過有效處理,會(huì)污染土壤和水源,嚴(yán)重的破壞環(huán)境。一汽鑄造有限公司是我國最大的汽車鑄件生產(chǎn)基地,是一個(gè)大量應(yīng)用濕型砂和冷芯盒工藝、熱芯盒工藝、覆膜砂工藝的專業(yè)鑄造企業(yè)。隨著汽車產(chǎn)量的增加,到“十一五”末期,全公司的鑄件年產(chǎn)量將由現(xiàn)在的22萬t發(fā)展到30萬t,所產(chǎn)生的鑄造廢砂大約也由目前的13萬t增加到20萬t,直接價(jià)值2400余萬元。這樣大量的、未經(jīng)有效處理以混合廢砂為主的固體廢棄物,對(duì)土壤及地下水資源的危害是嚴(yán)重的,潛在的社會(huì)環(huán)保壓力將難以承受。這在一定程度上也反映出目前國內(nèi)鑄造業(yè)整體實(shí)際狀況,如再不采取有效措施,廢砂排放將成為十分嚴(yán)重的問題。所以進(jìn)行鑄造混合廢砂資源化應(yīng)用,最大限度地實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的原位處理,減輕或消除鑄造廢砂的污染,是十分必要的。2砂體再生工藝濕型砂再生后,用于代替混制濕型砂所使用的新砂的再生技術(shù)相對(duì)簡單,在國內(nèi)是比較成熟的,存在的問題是不能完全解決廢砂的排放問題。由于我公司濕型砂生產(chǎn)的鑄件多為有芯鑄件,在連續(xù)循環(huán)生產(chǎn)過程中,芯砂不斷地混入型砂中,會(huì)使型砂的總量不斷增加,不得不隨時(shí)放掉一部分型砂以維持系統(tǒng)砂量的平衡。型砂循環(huán)總量增加的部分只有經(jīng)過再生處理代替新砂用于制芯,才能基本保持系統(tǒng)的封閉循環(huán),見圖1(型砂封閉循環(huán)流程)。因此僅采用濕型砂再生方法來解決舊砂的排放問題,對(duì)于產(chǎn)量較大的鑄造企業(yè)意義不大。石英砂經(jīng)過焙燒處理用于鑄造型芯的制作,可以獲得良好的、特殊的綜合工藝性能,以往的研究與實(shí)踐都有過很多論述。而濕型砂和樹脂芯砂混合在一起的鑄造混合廢砂,或廢芯組成的單一樹脂廢砂,經(jīng)過焙燒等方法聯(lián)合再生后,用于制芯再生技術(shù)方面的研究與實(shí)踐在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)基本成熟,在國內(nèi)還基本沒有,而這對(duì)批量生產(chǎn)缸體、缸蓋等有芯鑄件的濕型砂生產(chǎn)線是十分有意義的。2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀一汽集團(tuán)公司于2003年開始實(shí)施了《綜合治理鑄造廢砂的研究》的科研項(xiàng)目的前期技術(shù)儲(chǔ)備,通過這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施,力求尋找到一個(gè)適合鑄造公司舊砂綜合治理的方案,并建立起自己的鑄造廢砂再生示范工程,為鑄造公司舊砂再生的全面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造條件。通過較長時(shí)間,較大范圍的舊砂再生的專項(xiàng)考察和廣泛的技術(shù)交流,使我們對(duì)國內(nèi)外舊砂再生的情況有了基本的了解和掌握。目前,單一濕型砂再生后用于代替混制濕型砂所使用的新砂的再生技術(shù)在國內(nèi)是比較成熟的,技術(shù)上也相對(duì)簡單;單一樹脂砂通過熱法再生后的再生砂用于制芯的技術(shù)在國內(nèi)也基本成熟,只不過設(shè)備的可靠性和能耗方面存在很多問題,但生產(chǎn)的實(shí)際情況往往是兩種廢砂無法分離,也就無法完全解決廢砂的排放問題,在大規(guī)模的流水線生產(chǎn)的鑄造廠更為突出。項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)在于通過機(jī)械與適溫焙燒等處理工藝,消除較高的需酸值和粘結(jié)劑間的相溶性,使混合廢砂經(jīng)有效處理后,具有了焙燒砂的優(yōu)良特性,并能滿足濕型混合廢砂和單一樹脂廢砂(芯)的再生回用,達(dá)到代替新砂用于冷芯盒制芯和生產(chǎn)覆膜砂的目的。2.2日本jfe繼手日本生物處理項(xiàng)目在多次試驗(yàn)和多種方案對(duì)比的基礎(chǔ)上,我們重點(diǎn)選擇了工藝條件相似、技術(shù)參數(shù)過硬、節(jié)能效果明顯、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用效果可靠的日本JFE繼手株式會(huì)社進(jìn)行了技術(shù)合作,突破了關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目確定的目標(biāo),并較順利的將這一科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為廢砂再生產(chǎn)業(yè)化示范工程。考慮到示范工程不僅具有示范意義,同時(shí)具有直接的產(chǎn)業(yè)化能力,能夠真正用于生產(chǎn)當(dāng)中,我們針對(duì)混合廢砂和廢芯砂塊二種不同的廢砂,確定了可切換的一個(gè)系統(tǒng)二套流程的工藝方案,見圖2。2.2.1各再生系統(tǒng)的組成主要針對(duì)混合廢砂,其主要設(shè)備有:破碎磁選裝置、焙燒熱法再生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、二級(jí)機(jī)械再生系統(tǒng)、風(fēng)選除塵、篩分裝置、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等八部分。由混合廢砂顯微圖片(圖3)可見,廢砂粒表面被達(dá)數(shù)10μm的被覆層所覆蓋,砂再生處理主要就是要去除廢砂表面的覆蓋層,即去除型砂表面的殘余粘土和樹脂砂表面的殘余樹脂膜。焙燒熱法再生系統(tǒng)主要是去除有機(jī)粘結(jié)劑及煤粉當(dāng)中的C,二級(jí)機(jī)械再生系統(tǒng)主要是通過摩擦的方法去除粘土等無機(jī)雜質(zhì)。再生砂的顯微圖片如圖4所示。2.2.2單級(jí)單件再生主要針對(duì)廢芯砂塊,其流程較二級(jí)全流程再生過程去掉了二級(jí)機(jī)械再生系統(tǒng)和風(fēng)選除塵二個(gè)環(huán)節(jié)。2.3再生砂與焙燒砂試樣性能對(duì)比示范工程經(jīng)過近二年的實(shí)際運(yùn)行,產(chǎn)能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都在穩(wěn)定提高,如表1所示。高品質(zhì)的再生砂不僅成功用于我公司缸體鑄件復(fù)雜砂芯生產(chǎn),同時(shí)成為高附加值的鑄造輔助材料,長年供貨于國內(nèi)多家知名的鑄造砂專業(yè)生產(chǎn)廠家,目前已供不應(yīng)求。再生砂體現(xiàn)出了明顯優(yōu)越的工藝特點(diǎn):(1)含泥量可降低60%左右;(2)粒度分布接近新砂,均勻率有較大提高;(3)砂粒形狀得到改善,棱角變圓;(4)砂子灼熱減量降低,急熱膨脹性小,熱穩(wěn)定性好;(5)化學(xué)性能穩(wěn)定,SiO2含量接近新砂。再生砂的這些優(yōu)點(diǎn),有利于提高鑄件精度,降低廢品率。對(duì)再生砂與焙燒砂試樣性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如表2。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用合適的再生技術(shù)方法,可以獲得綜合工藝性能優(yōu)于新砂的可替代焙燒砂的高品質(zhì)鑄造用砂。3廢砂再生成本增加資源的再生循環(huán)利用也可成為企業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。未來幾年后,對(duì)于大型鑄造企業(yè)的廢砂不能再生回用而大量廢棄,不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,而且隨著國家資源、能源價(jià)格政策的調(diào)整,須投入大量人力、財(cái)力和物力用于新砂的購入、廢砂排放和能耗費(fèi)用的繳納,使生產(chǎn)成本增高。而降低再生成本則是目前廢砂再生回用的關(guān)鍵所在。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在再生成本中,能耗費(fèi)用約占65%,僅焙燒熱法再生環(huán)節(jié)約占總能耗費(fèi)用70%。因此如何節(jié)約焙燒熱法再生環(huán)節(jié)的能耗至關(guān)重要。3.1焙燒溫度對(duì)c燃燒的影響傳統(tǒng)的焙燒爐結(jié)構(gòu)勢(shì)必帶來過剩送風(fēng)及操作溫度過熱等問題,常造成很大的熱能損失。首先,過剩送風(fēng)的最主要原因是焙燒爐中的溫度分布不均,自投入口投入的廢砂隨著溫度的提升,會(huì)漸往排砂口方向流動(dòng),焙燒完成后即會(huì)在排砂口排出,由于如此狀況下的焙燒爐內(nèi)溫度分布不均,也造成C燃燒受到限制,由于必須確保在此范圍內(nèi)氧氣量充足,故整體而言,造成過剩送風(fēng),也使排氣口的熱損失相對(duì)增加。其次,對(duì)于傳統(tǒng)流動(dòng)焙燒爐有作業(yè)溫度過熱的傾向,平均溫度約為800℃,比最適焙燒溫度明顯高出許多,過熱的原因除了上述送風(fēng)過剩外,和廢砂中所含有機(jī)物的燃燒特性也有很大關(guān)系,廢砂中所含有機(jī)物的燃燒過程,是在比較缺氧狀態(tài)中升溫,在比較冷的流動(dòng)空氣中燃燒,因此焙燒溫度設(shè)定要高于廢砂最佳焙燒溫度。然而焙燒溫度太高,不單是過熱會(huì)造成熱損失增加,再加上C的石墨化造成燃燒速度降低,燃料費(fèi)也因此大幅度增加。3.2焙燒溫度對(duì)殘留有機(jī)物的影響日本學(xué)者松川安次很早就進(jìn)行了焙燒鑄造廢砂的基礎(chǔ)研究,并詳細(xì)闡述了廢砂內(nèi)有機(jī)物的燃燒特性,并制造了世界最新型節(jié)能焙燒設(shè)備。研究與實(shí)踐表明,廢砂在焙燒時(shí),并不是隨著焙燒溫度的升高,焙燒砂中殘留有機(jī)物質(zhì)量相應(yīng)的減少,見圖5。600℃以下時(shí),焙燒溫度愈高,殘留量愈少,但700℃以上時(shí),殘留量反而有增加的趨勢(shì)。焙燒溫度在700℃以上時(shí),由于有機(jī)物的石墨化緣故,殘留量明顯增加,產(chǎn)生難以燃燒的碳化物,而當(dāng)焙燒溫度超過900℃時(shí),殘留C量又有減少的趨勢(shì)。由此可知,最適合混合廢砂的焙燒溫度為:600~700℃;最適合混合廢砂的焙燒條件為:有機(jī)物的燃燒須有足夠的氧氣供給。廢砂在充足的氧氣中,均勻地加熱至最合適的焙燒溫度,燃燒去除廢砂本身有機(jī)物,而不是靠加熱器的高溫火焰,使之在缺氧狀態(tài)中升溫。3.3采用混合燃料和燃料等原料來加熱焙燒基于上述研究成果,設(shè)計(jì)最符合廢砂焙燒條件的新型節(jié)能焙燒爐成為可能。在爐體下部安裝了對(duì)流熱交換器,預(yù)熱了助燃空氣的溫度,利用熱風(fēng)加熱了分散投入爐內(nèi)的廢砂,在充足的給氧條件下,燃燒掉廢砂當(dāng)中的有機(jī)物,有機(jī)物含量有波動(dòng)時(shí),靠調(diào)整燃料補(bǔ)給量來均勻地加熱至最合適的焙燒溫度670℃,解決傳統(tǒng)焙燒爐送風(fēng)過剩及過熱的問題。由于廢砂是自爐頂均勻分散投入廢砂物料層中,可使廢砂物料流動(dòng)層的溫度均勻分布,促進(jìn)新加入廢砂和熱風(fēng)及高溫焙燒砂的直接熱交換在激烈地混合同時(shí),使有機(jī)物在高溫加熱的流動(dòng)空氣中更有效地燃燒,所產(chǎn)生的燃燒熱也成為焙燒處理的熱源。我廠的混合廢砂中煤粉、各種有機(jī)添加材料的殘留成分(灼燒減量)大約在3.4%~3.8%左右,足以供給焙燒處理過程的絕大部分熱耗,重油消耗量幾乎為零,其少量不足由加熱器補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)了最佳的焙燒條件,節(jié)省了一次能源。據(jù)統(tǒng)計(jì),焙燒處理混合廢砂的重油單耗為6L/t,焙燒處理廢芯砂塊的重油單耗為12L/t,明顯低于其他各種形式焙燒設(shè)備,僅為1/3左右。4再生處理的經(jīng)濟(jì)性通過一汽鑄造廢砂再生示