流態化技術在潮模舊砂再生系統中的應用

李明（中國汽車工業工程有限公司，天津 300113）

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流態化技術在潮模舊砂再生系統中的應用

李明
（中國汽車工業工程有限公司，天津 300113）

摘要：介紹了潮模舊砂熱法再生的工藝流程，并結合設備實例，對再生系統中核心設備運用流態化技術進行了闡述說明。認為提高流化質量，有利于凈化潮模舊砂砂粒表面物，再生砂品質優秀，完全可以取代新砂使用，能夠達到造型用砂和制芯用砂的雙重標準。

關鍵詞：潮模舊砂；砂再生；熱法再生；流態化；焙燒爐；再生機

稿件編號：1602-1262

0 前言

我國是個鑄造大國，2015年潮模砂鑄造產量大約4 000萬噸，每生產一噸鑄件產生大約一噸的潮模舊砂。大量的潮模舊砂傾倒或填埋，不僅增加企業的生產成本，同時也造成了嚴重的環境污染，于國家現行倡導的節約環保政策不符，因此實現舊砂再生，達到潮模舊砂零排放已迫在眉睫。

1 潮模舊砂再生現狀

潮模舊砂為造型廢砂和制芯廢砂的混合物，由硅砂、膨潤土、煤粉、樹脂、催化劑、固化劑等組成。再生后的舊砂如何能夠同時滿足造型和制芯，一直是困擾鑄造行業已久的難題。目前潮模舊砂再生分為熱法再生和濕法再生兩大類。熱法再生因其再生砂急熱膨脹小、熱穩定性好、可燃物少和型（芯）砂發氣性低等優勢，已成為潮模舊砂再生的主流趨勢。從熱法再生砂的品質來看，已滿足造型用砂的要求，但利用冷芯盒工藝制造形狀復雜的砂芯，還存在強度偏弱的問題，阻礙了潮模舊砂熱法再生的發展和推廣，究其原因在于硅砂表面清理的不夠徹底。

2 流態化技術引入潮模舊砂再生系統的意義

圖1 流態化不同階段的狀態

在容器中裝入硅砂，由容器的底部經過分布板通入空氣。起初通入的空氣沿著硅砂之間的縫隙溢出，硅砂靜止不動，此時為固定狀態，見圖1.a。隨著氣體流量的不斷增加，分布板氣體流速不斷增大，當氣速達到某一數值時，硅砂開始松動，此時氣體的操作速度即為起始流化速度，床層表現為臨界流化態。氣體流量繼續增加，操作速度大于起始流化速度時，床層開始膨脹，隨著氣體速度的增加，床層內部有氣泡形成，氣泡內含有小量的硅砂成為氣泡相，氣泡以外的區域成為乳化相，此時為鼓泡狀態，見圖1.b。隨著氣體操作速度的繼續提高，氣泡破裂的趨勢逐漸超過氣泡聚合的趨勢，導致床內氣泡尺寸變小，當氣泡尺寸小到和乳相邊界變得較為模糊時，氣泡中含有更多的顆粒，而乳相中則含有較多的氣體，這時，床內的氣泡無明顯的上升軌跡，而是在不斷聚合和破裂中以無規律的形式上升，增加了床層的膨脹，強化了氣固之間的接觸，此時為湍動狀態，見圖1.c。當操作速度進一步增大，床層繼續膨脹，顆粒之間的距離拉大，容器內無法形成氣泡，砂粒彌散在氣體中，氣固接觸充分，此時為稀相狀態，見圖1.d。當操作速度進一步增大，砂粒被帶出床層，此時為揚析狀態，見圖1.e。

砂粒流態化系統屬于砂粒與氣體構成的混合物，即氣固兩相體，它具有液體的某些特性，例如：

a.它像液體一樣，有一個清晰的上界面，且保持水平狀態。

b.它像液體一樣，能從一個高位容器流向另一個低位容器。

c.它像液體一樣，氣固兩相體壓強僅與深度和密度成正比。

d.它像液體一樣，具有一定的黏度。

e.它像液體一樣，床層溫度一致。

利用砂粒流態化氣固兩相體的以上諸多特征，運用到潮模舊砂熱法再生過程中，可以改善和強化砂粒再生過程中的物理化學變化，從而更有效地清理舊砂表面物。其優越性，表現在:

a.砂粒顆粒較小，大大提高氣固兩相間的接觸程度。

b.流化態砂粒處于強烈的運動狀態，兩相間接觸界面不斷更新，強化兩相間的熱、質傳遞。

c.反應表面積的增大和傳遞過程的強化，使其所進行的物理化學過程更為完全，更為充分，大大提高再生設備的工作效率。

d.流態化的流動特性便于再生過程中砂粒的運輸和轉移，進行連續化操作，實現過程自動化和生產規模大型化。

3 流態化技術在熱法再生系統中的應用

潮模舊砂熱法再生系統原理是利用焙燒去除砂粒表面的碳素可燃物，然后摩擦粉化砂粒表面的粘土膜達到再生目的，工藝流程見圖2。再生系統中，低溫焙燒爐和機械再生機是其核心設備，均運用了流態化技術強化反應效能。

3.1 低溫焙燒爐

低溫焙燒爐用于去除潮模舊砂表面的煤粉、樹脂等碳素可燃物；由爐體、雨淋加砂裝置、燃燒裝置、鼓風裝置、氣體均布裝置、陣列噴嘴裝置、均勻卸砂裝置、熱交換裝置等其它輔助設施組成，見圖3。

圖2 潮模舊砂熱法再生工藝流程

破碎后的潮模舊砂顆粒經由雨淋加砂裝置均勻進入爐膛流化層，流化層溫度均勻，碳素可燃物在富氧狀態下充分燃燒（一次焙燒）；隨后炙熱的舊砂顆粒進入熱交換區，殘余碳素可燃物繼續自燃（二次焙燒）；最后砂粒從爐底均勻卸料，出口溫度約300 ℃，進入下道工序。焙燒完成后，砂粒表觀顏色為由黑色變為淡黃色。

利用流態化技術，可以使得潮模舊砂顆粒在流化層鼓泡運動，從而實現舊砂在富氧狀態下的恒溫燃燒， 創造優良的燃燒環境，提高焙燒砂質量。

圖3 低溫焙燒爐照片及示意圖

3.2 機械再生機

機械再生機用于焙燒砂脫殼，同時將粉化后的粘土灰分分離，由研磨裝置、流化倉、鼓風裝置、離心裝置、氣體均布裝置、陣列噴嘴裝置等其他輔助設施組成，見圖4。

冷卻后的焙燒砂表面粘土膜已脆化，有近60%的粘土膜已在焙燒爐中粉化。機械再生將剩余的粘土膜粉化，同時清除砂粒表面灰分和凹槽物。再生完成后，砂粒表觀顏色為由淡黃色變為白色。

利用流態化技術，可以實現砂粒在流化倉內湍急運動，在高速旋轉的離心裝置作用下，砂粒能夠進行成千上萬次的離心碰撞，使砂粒表面清理完全、徹底，提高再生砂質量。

圖4 機械再生機示意圖

4 應用效果

實踐證明，采用流態化技術，并提高流化質量，有利于凈化潮模舊砂砂粒表面物，再生砂和新砂采用冷芯盒工藝制芯的相關技術參數見表1。從表中可以看出，再生砂品質優秀，完全可以取代新砂使用，能夠達到造型用砂和制芯用砂的雙重標準。

表1 冷芯盒工藝制芯技術參數

參考文獻

[1] 郭幕孫，李洪鐘，等.流態化手冊[M].北京：化學工業出版社，2008：150.

[2] 令軍科，李峰，等.潮模粘土舊砂再生技術的工藝實踐與意義[J].中國鑄造裝備與技術，2013（2）：35-38.

Application of fl uidization technologies in sand reclamation system

LI Ming
(Automotive Engineering Corporation, Tianjin 300113,China)

Abstract:This paper introduces the craft process of sand reclamation system and combined with the example of equipments , expounds the fluidization technologies used in key equipments of sand reclamation system.Believe that improving the quality of fl uidization is benefi cial to purify the surface of used green sand.The quality of the regenerated sand is excellent,which can replace new sand completely,and also can achieve double standards of molding sand and core making sand.

Keywords:used sand of wet mold ; sand reclamation ; hot-reclamation ; fl uidization ; roasting furnace ; sand reclamation machine

中圖分類號：TG231.5；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0072-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.022

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：李明（1982—），男，工程師，主要從事鑄造設備設計與研究.