現代鑄造砂處理再生工藝新裝備的研發

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400）

0 引言

舊砂再生、回用處理的過程，就是以砂再生核心裝備和配套的工藝設備來對舊砂進行破碎、分解、去膜、篩分和冷卻的應用過程。通常在鑄造砂處理過程中，會考慮采用不同的工藝措施來實現廢舊砂的再生與回用。不同的工藝方式，就有不同的工藝裝備、不同的產能和再生處理生產線。

在舊砂再生類別上，選擇先進的工藝技術和選擇軟再生或硬再生處理，應進行可行性研究，并考慮被再生舊砂性質與結果的判別。常用有：常規舊砂再生（干法）、高溫熱法再生、濕法再生和混合型砂再生等，同時要加強核心裝備先進技術的應用[1]。

近年來，研發設計的幾種新型工藝裝備，可應用于不同鑄造工藝條件的砂處理、再生要求。特別是在重要工序環節的應用，可促進鑄造產業創新發展和改善工況環境等。

1 滾筒搓磨水洗機

滾筒搓磨水洗機是一種臥式滾筒體配置、軸向葉片攪拌的水洗設備（水浴功能），是集搓磨攪拌、定向輸送和冷卻（需要冷卻時）多道工序為一體的砂再生設備。更適合水玻璃砂廢舊砂的水洗再生處理（濕法）。

水玻璃舊砂宜采用濕法再生，就是將舊砂用水浴沖洗，使水玻璃薄膜中的堿和硅膠在水浴中溶解、分解，達到再生目的。如果適當提高水溫、或帶弱酸性，其再生效果更好。

由于水玻璃舊砂的再生性能與原砂還存在一定差距（受酸堿影響），必須對回用量進行控制，一般不超過50%[2]。

新研發的滾筒搓磨水洗機采用臥式結構，其動力驅動穩定性好。在實際應用中，滾筒搓磨水洗機空載時的噪聲低于80 dB（A）（樣機檢測結果）。滾筒體與攪拌主軸的轉動方向相反，可有效利用主軸上導向葉片（弧形）對砂料的搓磨攪拌，達到清洗的效果。砂料進入筒體后、同時加入循環水水浴沖洗。實現對砂料的切向對流和搓磨攪拌，砂料中含有小顆粒團塊不影響水洗。

采用常溫循環水在筒體內攪拌水洗，對熱舊砂有冷卻的作用。蒸發熱氣流隨除塵系統排放，不影響生產環境。

圖1 滾筒搓磨水洗機

滾筒搓磨水洗機主要技術參數如下：滾筒體直徑：?1400mm；滾筒轉動速度：9.11r/min；滾筒驅動功率：11kW；攪拌筒體直徑：?1200mm；攪拌筒轉動速度：27.71r/min；攪拌驅動功率：15kW；生產能力：10～20t/h。

2 多軸強力搓磨再生機

強力搓磨再生機是一種新型的、機械干法再生處理的核心裝備之一。適用于樹脂砂、水玻璃砂、覆膜砂和殼型砂等廢舊砂的再生搓磨處理。

強力搓磨再生機類型有雙軸、三軸和四軸形式，適用于不同產能，具有能使舊砂形成密相沸騰、使舊砂與搓磨葉片對流搓擦、冷卻、去灰和除塵的柔性（軟）再生功能，具有脫膜能力強、保持砂粒完整、凈化原砂和去灰、降溫的技術特點。

2.1 雙軸再生機工作原理

由于市場有提高再生能力的需求，搓磨再生又是砂再生的核心設備。所以研發設計的雙軸再生機隨機而生。在已經研發設計的三軸強力搓磨機的基礎上，雙軸再生機強化了葉片的搓磨機理，改善了搓磨空間。

其工作原理基本相同。被處理的舊砂通過進砂口進入再生室體，分布在搓磨葉片的工作區域。搓擦葉片分別安裝在二個由電動機直接驅動的傳動主軸上，作相向高速旋轉運動，形成線性剪切，對舊砂進行切向對流和反復搓擦。雙軸再生機在搓磨過程中，鼓風機進風通過蝶閥控制風量進入風箱，再經沸騰孔板噴流進入室體，形成沸騰氣流使砂氣混合，使舊砂在流動、沸騰的狀態下實現砂與砂之間、砂與搓擦葉片之間相互流態化的強力搓擦，達到脫膜再生的目的。雙軸再生機室體內形成的粉塵氣流（包括熱氣流），由除塵風口排放，保持室體內氣流的平衡。經過一定流量的對流搓擦后，再生砂通過出砂口被排出。這時，被排出的舊砂有明顯的降溫和砂顆粒凈化的表象。而含有粉塵和惰性膜殘留物的氣流經除塵系統風選后集塵處理。

圖2 多軸強力搓磨再生機

2.2 主要技術參數

生產能力：5～10t/h；葉片直徑：?450mm；單電機驅動功率：15kW。其技術特性與功能在一些文章中有詳細介紹[3，4]。

3 快速立式烘干爐

快速立式烘干爐（電加熱）：電加熱快速烘干爐是一種新型的、利用電阻加熱的方法進行濕砂烘干的工藝裝備（濕砂的含水率必須有控制的）。

圖3 電陰加熱焙燒爐

快速烘干爐，立式筒體結構。利用大功率電阻絲的發熱，使筒體內升溫。內部采用圓錐導流板，使砂料雨淋式分流、集合，經反復多次（九層分流）。其過程（自由落體過程）使濕砂充分熱交換，達到烘干的目的。

加熱原理類似于熱處理的箱式電爐，具有烘干熱導效率高的效果。

出砂口設置一個余熱回用的導流管，可將部分余熱返流到進砂口預熱利用。由于烘干爐受溫度的限制，不能把溫度升的太高（金屬材料的影響）。所以適合在新、舊砂烘干上應用，不能作為焙燒爐的高溫焙燒使用。

但有實例證明，將粘土砂舊砂經立式烘干爐處理后，再經搓磨再生機處理，可清除舊砂中的僵豆燒結物，也可以對覆膜砂、殼型砂的烘烤再生有一定的作用。

主要技術參數：爐體外直徑：?1600mm；爐體內直徑：?800mm；爐體高度：2600mm；額定總功率：120～150kW。

4 高溫熱舊砂快速冷卻機

澆注后的落砂工序，快節奏的生產過程又產生大量的高溫熱舊砂，要求快速降溫就對砂再生回用形成一個高難度的砂處理工藝環節。特別是自硬砂鑄造工藝的大型鑄件產生的高溫熱舊砂在200℃左右。

圖4 高溫熱舊砂快速冷卻機

圖5 舊砂破碎搓磨聯合再生機

目前，應用于砂處理再生冷卻的工藝裝備大致有：振動沸騰冷卻型、滾筒冷卻型和雙盤冷卻型三類。冷卻介質有風冷卻型、水冷卻型和風水混用冷卻型。

通常在砂處理舊砂冷卻工序中，采用振動式（或流化式）沸騰冷卻裝置來實現舊砂冷卻，雖然采用了噴淋增濕處理，但冷卻效果有限、通過能力有限、不易均化、出現粘和堵的現象，不能實現快速冷卻。特別是自硬砂鑄造生產中的高溫熱舊砂的冷卻處理[1]。通過工藝實踐，在進入沸騰冷卻裝置前，設置一種快速冷卻預處理設備，提前進行增濕汽化、攪拌均化的快速降低高溫的處理，有效地提高了沸騰冷卻裝置（包括振動沸騰冷卻裝置、沸騰冷卻流化床、雙盤冷卻機）的冷卻效果。

滾筒式增濕均化冷卻機是一種快速冷卻預處理裝備，可適用于大中型生產能力的高溫熱舊砂快速降溫預處理工序。

其結構特點：該冷卻機由驅動電機、減速器、鏈傳動系統、滾筒體、托輥、進出砂口和機架組成。設計采用封閉式工作狀態，在高溫熱舊砂進入滾筒體內，就快速增濕、翻滾、松散、汽化、均化、透篩，其熱交換空間大，能達到快速冷卻。

汽化后的熱氣流由除塵引風口排放，經透篩后的舊砂（含有部分余熱和粉塵）再進入沸騰冷卻裝置進一步冷卻處理。其處理能力較大，冷卻效果更好。

汽化后的熱氣流由于粉塵和飽和水氣比較大，在進入除塵系統前應進行一次過渡的冷凝降水處理，以降低熱氣流飽和水氣的含水量和粉塵。可選擇旋風冷凝器來降水、降塵處理。可有效防止布袋除塵器的粉塵凝結[1]。這是處理飽和水氣的一個必須的重要措施。其技術特性與功能在一些文稿中[5，6]有詳細介紹。

5 舊砂破碎搓磨聯合再生機

一種研發設計的破碎搓磨聯合再生機，可適用于自硬砂鑄造生產的熱舊砂降溫、冷卻、破碎、搓磨、顆粒凈化的再生處理工序。

具有快速降溫冷卻（水噴淋汽化）、葉片快速破碎（砂團塊）、葉輪高速搓磨和沸騰氣流熱交換的多功能作用。要求進入的舊砂團塊控制在50mm以下，之前必須進行舊砂中的鐵雜物清理，避免影響葉片、葉輪的使用壽命。處理后的舊砂體現松散、均化、去粉塵、顆粒均勻的特點。可應用于覆膜砂、殼型砂、廢舊芯子的舊砂破碎再生工序。

新型研發的多功能組合再生機，是利用了二種獨立的雙軸葉片破碎與三軸葉輪搓磨機理，配套一個鼓風機、氣流沸騰箱和密閉室體、噴淋水管、粉塵排放口、進出料口和機架等。構成一臺獨立的、功能組合的聯合再生機（簡化了工藝流程與安裝空間）。

其中，密閉室體采用內襯護板形式的設計，增強室體的抗磨耐用功能。雙軸葉片破碎軸通過同步齒輪實現相對（剪切）高速旋轉，達到砂團破碎、冷卻和對流攪拌的目的。水噴淋增濕后的汽化熱氣流通過排風口排放（連接除塵系統集塵處理）。再經過三軸高速葉輪搓磨、去膜、均化和沸騰氣流作用，使舊砂獲得再生功效。從而實現松散脫膜、去灰凈化和顆粒均化的目的，減少了舊砂再生過程的多個工序流程[7-9]。技術特性與功能在文稿[10]中有詳細介紹。

6 國外引進再生工藝設備情況

常見的國外引進的樹脂砂再生設備有：

（1）美國DF 公司的機械旋轉碰搓再生機，美國IMM公司的氣流撞擊式再生設備。屬于一種硬再生工藝設備，其動力消耗大[1]。（2）德國KLEIN公司的機械振動式再生設備，對中小型鑄造車間較合適。八十年代鑄造業在采用呋喃樹脂自硬砂工藝時，型砂混合多傾向采用生產能力為60～100t/h 的大規格設備，配套的砂再生普遍采用振動加搓磨機理的再生機等，屬于一種軟再生工藝設備。（3）美國GK 公司的大型機械振動式破碎、冷卻再生機等。

7 結束語

砂再生工藝裝備的發展，面臨著多方面的技術因素。對新形勢下振興鑄造技術裝備、增強裝備創新發展的新思路，是行業發展共同關心的課題。所以，對現代鑄造的新工藝、新裝備的研究開發，構建共性技術和先進技術傳輸平臺，實現“清潔生產，綠色環保”的鑄造新工業，很有必要。