废砂再生处理在铸造连续生产中的应用

废砂再生处理在铸造连续生产中的应用

在21世纪，中国的制造工业越来越意识到资源和环境的巨大压力。这是因为在制造和生产过程中，资源和能源的总投资很大，约占总制造成本的65%75%。我国是一个人均占有资源很少的国家,又是一个资源、能源利用率低、浪费严重的资源能耗大国,因此,发展循环经济,严格控制生产过程中资源、能源的浪费和严重的环境污染,是我国铸造业面临的紧迫而艰巨的任务。铸造生产主要的固体废弃物是废砂,占其总量的70%以上。特别是由于各种含毒有机粘结剂的芯砂的混入,使生成的混合废砂的再生十分复杂和困难。因此,我国砂型铸造生产过程中的混合废砂,除了很少部分不经再生而直接用于背砂外,大部分作为废弃物排放。这不仅浪费了资源,增加了铸件生产成本,而且严重地污染了环境,特别是芯砂中不可降解的有机粘结剂对环境的污染更为严重。1废砂成为环保工程的重要指标流水线生产的铸造湿型砂大多添加7%的粘土、4%的煤粉(或相应的添加材料)及3.5%的水分混合而成;而铸造芯砂大多添加2%~3%的有机粘结剂。在铸件生产中,这些混合在一起的残留的粘土、煤粉及有机粘结剂和新生成的灰分得不到有效的排除无法回用,形成废砂。此外,在砂芯生产的过程中还要产生出不低于20%左右的废芯块和废芯砂,成为严重威胁环境的废砂(仅此我公司一年大约有1.5万t)。对于砂型铸造来说,每生产1t铸件约需0.7~1t新砂,同时又要废弃大约等量的废砂。特别是铸造废砂中还含有酚、醛、苯等有毒的合成树脂,不经过有效处理,会污染土壤和水源,严重的破坏环境。一汽铸造有限公司是我国最大的汽车铸件生产基地,是一个大量应用湿型砂和冷芯盒工艺、热芯盒工艺、覆膜砂工艺的专业铸造企业。随着汽车产量的增加,到“十一五”末期,全公司的铸件年产量将由现在的22万t发展到30万t,所产生的铸造废砂大约也由目前的13万t增加到20万t,直接价值2400余万元。这样大量的、未经有效处理以混合废砂为主的固体废弃物,对土壤及地下水资源的危害是严重的,潜在的社会环保压力将难以承受。这在一定程度上也反映出目前国内铸造业整体实际状况,如再不采取有效措施,废砂排放将成为十分严重的问题。所以进行铸造混合废砂资源化应用,最大限度地实现固体废弃物的原位处理,减轻或消除铸造废砂的污染,是十分必要的。2砂体再生工艺湿型砂再生后,用于代替混制湿型砂所使用的新砂的再生技术相对简单,在国内是比较成熟的,存在的问题是不能完全解决废砂的排放问题。由于我公司湿型砂生产的铸件多为有芯铸件,在连续循环生产过程中,芯砂不断地混入型砂中,会使型砂的总量不断增加,不得不随时放掉一部分型砂以维持系统砂量的平衡。型砂循环总量增加的部分只有经过再生处理代替新砂用于制芯,才能基本保持系统的封闭循环,见图1(型砂封闭循环流程)。因此仅采用湿型砂再生方法来解决旧砂的排放问题,对于产量较大的铸造企业意义不大。石英砂经过焙烧处理用于铸造型芯的制作,可以获得良好的、特殊的综合工艺性能,以往的研究与实践都有过很多论述。而湿型砂和树脂芯砂混合在一起的铸造混合废砂,或废芯组成的单一树脂废砂,经过焙烧等方法联合再生后,用于制芯再生技术方面的研究与实践在发达国家已经基本成熟,在国内还基本没有,而这对批量生产缸体、缸盖等有芯铸件的湿型砂生产线是十分有意义的。2.1国内外研究现状一汽集团公司于2003年开始实施了《综合治理铸造废砂的研究》的科研项目的前期技术储备,通过这个项目的实施,力求寻找到一个适合铸造公司旧砂综合治理的方案,并建立起自己的铸造废砂再生示范工程,为铸造公司旧砂再生的全面实现创造条件。通过较长时间,较大范围的旧砂再生的专项考察和广泛的技术交流,使我们对国内外旧砂再生的情况有了基本的了解和掌握。目前,单一湿型砂再生后用于代替混制湿型砂所使用的新砂的再生技术在国内是比较成熟的,技术上也相对简单;单一树脂砂通过热法再生后的再生砂用于制芯的技术在国内也基本成熟,只不过设备的可靠性和能耗方面存在很多问题,但生产的实际情况往往是两种废砂无法分离,也就无法完全解决废砂的排放问题,在大规模的流水线生产的铸造厂更为突出。项目的关键技术在于通过机械与适温焙烧等处理工艺,消除较高的需酸值和粘结剂间的相溶性,使混合废砂经有效处理后,具有了焙烧砂的优良特性,并能满足湿型混合废砂和单一树脂废砂(芯)的再生回用,达到代替新砂用于冷芯盒制芯和生产覆膜砂的目的。2.2日本jfe继手日本生物处理项目在多次试验和多种方案对比的基础上,我们重点选择了工艺条件相似、技术参数过硬、节能效果明显、产业化应用效果可靠的日本JFE继手株式会社进行了技术合作,突破了关键技术难点,实现了项目确定的目标,并较顺利的将这一科研项目转化为废砂再生产业化示范工程。考虑到示范工程不仅具有示范意义,同时具有直接的产业化能力,能够真正用于生产当中,我们针对混合废砂和废芯砂块二种不同的废砂,确定了可切换的一个系统二套流程的工艺方案,见图2。2.2.1各再生系统的组成主要针对混合废砂,其主要设备有:破碎磁选装置、焙烧热法再生系统、冷却系统、二级机械再生系统、风选除尘、筛分装置、物料储运系统、电控系统等八部分。由混合废砂显微图片(图3)可见,废砂粒表面被达数10μm的被覆层所覆盖,砂再生处理主要就是要去除废砂表面的覆盖层,即去除型砂表面的残余粘土和树脂砂表面的残余树脂膜。焙烧热法再生系统主要是去除有机粘结剂及煤粉当中的C,二级机械再生系统主要是通过摩擦的方法去除粘土等无机杂质。再生砂的显微图片如图4所示。2.2.2单级单件再生主要针对废芯砂块,其流程较二级全流程再生过程去掉了二级机械再生系统和风选除尘二个环节。2.3再生砂与焙烧砂试样性能对比示范工程经过近二年的实际运行,产能和技术经济指标都在稳定提高,如表1所示。高品质的再生砂不仅成功用于我公司缸体铸件复杂砂芯生产,同时成为高附加值的铸造辅助材料,长年供货于国内多家知名的铸造砂专业生产厂家,目前已供不应求。再生砂体现出了明显优越的工艺特点:(1)含泥量可降低60%左右;(2)粒度分布接近新砂,均匀率有较大提高;(3)砂粒形状得到改善,棱角变圆;(4)砂子灼热减量降低,急热膨胀性小,热稳定性好;(5)化学性能稳定,SiO2含量接近新砂。再生砂的这些优点,有利于提高铸件精度,降低废品率。对再生砂与焙烧砂试样性能进行了对比试验,结果如表2。对比试验结果验证了采用合适的再生技术方法,可以获得综合工艺性能优于新砂的可替代焙烧砂的高品质铸造用砂。3废砂再生成本增加资源的再生循环利用也可成为企业新的经济增长点。未来几年后,对于大型铸造企业的废砂不能再生回用而大量废弃,不仅造成严重的环境污染,而且随着国家资源、能源价格政策的调整,须投入大量人力、财力和物力用于新砂的购入、废砂排放和能耗费用的缴纳,使生产成本增高。而降低再生成本则是目前废砂再生回用的关键所在。经统计,在再生成本中,能耗费用约占65%,仅焙烧热法再生环节约占总能耗费用70%。因此如何节约焙烧热法再生环节的能耗至关重要。3.1焙烧温度对c燃烧的影响传统的焙烧炉结构势必带来过剩送风及操作温度过热等问题,常造成很大的热能损失。首先,过剩送风的最主要原因是焙烧炉中的温度分布不均,自投入口投入的废砂随着温度的提升,会渐往排砂口方向流动,焙烧完成后即会在排砂口排出,由于如此状况下的焙烧炉内温度分布不均,也造成C燃烧受到限制,由于必须确保在此范围内氧气量充足,故整体而言,造成过剩送风,也使排气口的热损失相对增加。其次,对于传统流动焙烧炉有作业温度过热的倾向,平均温度约为800℃,比最适焙烧温度明显高出许多,过热的原因除了上述送风过剩外,和废砂中所含有机物的燃烧特性也有很大关系,废砂中所含有机物的燃烧过程,是在比较缺氧状态中升温,在比较冷的流动空气中燃烧,因此焙烧温度设定要高于废砂最佳焙烧温度。然而焙烧温度太高,不单是过热会造成热损失增加,再加上C的石墨化造成燃烧速度降低,燃料费也因此大幅度增加。3.2焙烧温度对残留有机物的影响日本学者松川安次很早就进行了焙烧铸造废砂的基础研究,并详细阐述了废砂内有机物的燃烧特性,并制造了世界最新型节能焙烧设备。研究与实践表明,废砂在焙烧时,并不是随着焙烧温度的升高,焙烧砂中残留有机物质量相应的减少,见图5。600℃以下时,焙烧温度愈高,残留量愈少,但700℃以上时,残留量反而有增加的趋势。焙烧温度在700℃以上时,由于有机物的石墨化缘故,残留量明显增加,产生难以燃烧的碳化物,而当焙烧温度超过900℃时,残留C量又有减少的趋势。由此可知,最适合混合废砂的焙烧温度为:600~700℃;最适合混合废砂的焙烧条件为:有机物的燃烧须有足够的氧气供给。废砂在充足的氧气中,均匀地加热至最合适的焙烧温度,燃烧去除废砂本身有机物,而不是靠加热器的高温火焰,使之在缺氧状态中升温。3.3采用混合燃料和燃料等原料来加热焙烧基于上述研究成果,设计最符合废砂焙烧条件的新型节能焙烧炉成为可能。在炉体下部安装了对流热交换器,预热了助燃空气的温度,利用热风加热了分散投入炉内的废砂,在充足的给氧条件下,燃烧掉废砂当中的有机物,有机物含量有波动时,靠调整燃料补给量来均匀地加热至最合适的焙烧温度670℃,解决传统焙烧炉送风过剩及过热的问题。由于废砂是自炉顶均匀分散投入废砂物料层中,可使废砂物料流动层的温度均匀分布,促进新加入废砂和热风及高温焙烧砂的直接热交换在激烈地混合同时,使有机物在高温加热的流动空气中更有效地燃烧,所产生的燃烧热也成为焙烧处理的热源。我厂的混合废砂中煤粉、各种有机添加材料的残留成分(灼烧减量)大约在3.4%~3.8%左右,足以供给焙烧处理过程的绝大部分热耗,重油消耗量几乎为零,其少量不足由加热器补充,实现了最佳的焙烧条件,节省了一次能源。据统计,焙烧处理混合废砂的重油单耗为6L/t,焙烧处理废芯砂块的重油单耗为12L/t,明显低于其他各种形式焙烧设备,仅为1/3左右。4再生处理的经济性通过一汽铸造废砂再生示