蒸汽湿法再生水玻璃旧砂的可行性分析

蒸汽湿法再生水玻璃旧砂的可行性分析

21世纪是绿色制造的时代，清洁生产是新时期工业发展的必然趋势。机械制造业是制造业的龙头,而铸造工业又是机械制造业中不可或缺的重要组成部分,所以,实现绿色铸造已成为时代发展的要求。水玻璃砂被公认为是最有可能实现绿色铸造的型砂。它以其无色、无味、无毒,在混砂、造型、浇注和落砂过程中没有刺激性气体和有毒气体产生,对人体没有危害,以及铸造性能好等特点,在铸造业中受到普遍欢迎。但唯一不足的是其再生困难,会造成较大的固体污染。如果解决了水玻璃旧砂的再生问题,水玻璃砂型铸造将进入绿色铸造的行列。旧砂再生的目的是为了回用。“再生”指的是清除砂粒表面的残留粘结剂薄膜及粘结物,恢复其使用性能。在常用的几种水玻璃旧砂再生方法(干法再生、湿法再生、化学法再生)中,湿法再生优点是Na2O去膜率可达90%以上,旧砂的回收率达90%以上,再生水玻璃砂的质量高(再生砂的再粘结强度、可使用时间、耐火度等性能指标可接近新砂),可代替新砂作面砂和单一砂使用,循环中新砂的加入量为10%~20%。湿法再生的不足之处是再生工艺和设备系统较复杂、占地面积较大,难以在工厂普遍推广;再生过程对设备磨损大、能耗高;铸造湿砂需脱水烘干、热砂需冷却;湿法再生的污水需经处理后才能循环回用或无害排放,否则同样会污染自然环境,起不到真正绿色制造的作用。本文针对以往水玻璃旧砂湿法再生系统结构复杂、耗水量大、污水处理成本高等缺点,进行了一系列探索性试验,目的是确定蒸汽湿法再生水玻璃旧砂的可行性,及影响再生效率的相关因素,提高再生效率、节约用水,以最少用水量和最短处理时间再生旧砂。查阅相关文献得知,提高洗砂水温,可增加水玻璃在水中的溶解度,减少洗砂用水量,提高再生砂回收率。因此,在原有的湿法再生系统基础上,通入蒸汽提高水玻璃旧砂再生水温来提高回收效率。具体过程为:旧砂与清水按一定的比例(砂水重量比约为1:1~1:5)混合,蒸汽以一定的流量连续通入砂水中并辅以机械搅拌。经一定时间的再生后(再生时间的长短取决于砂水混合物的流量和再生机的容积),砂水混合物从再生机中卸出,进入砂水分离设备进行砂水分离;来自砂水分离设备的污水进入加热蒸发设备中进行加热蒸发处理,而湿砂进入干燥冷却床。污水加热后,蒸汽进入湿法蒸汽再生设备,蒸汽遇到砂水混合物后冷凝成水,并加热砂水混合物,提高砂水混合物的温度,从而提高了水玻璃在水中的溶解度,减少洗砂用水量,提高再生工作效率。来自砂水分离设备的污水进入加热蒸发设备中进行加热蒸发处理,这样就达到水的循环利用的目的,进一步减少了水的使用量。旧砂经过数次湿法蒸汽再生后,Na2O去膜率达到使用标准。湿砂(已被蒸汽加热)从湿法蒸汽再生设备中卸出,被干燥冷却床干燥除尘,进入再生砂库,而污水经过加热蒸发后,成为水玻璃浓溶液,水玻璃浓溶液经过滤处理后可以回收水玻璃。该新型水玻璃砂蒸汽湿法再生系统的工艺流程如图1所示,它主要由旧砂破碎磁选设备、清水储存罐、湿法蒸汽再生设备、干燥冷却床等组成。1水玻璃旧砂脱膜率无产阶级氧化钠含量测定方法研究根据湿法再生原理,本文的探索试验是在连续式洗砂机的基础上,使用多功能蒸汽清洁机在改进的洗砂机底部通入蒸汽来进行水玻璃旧砂再生。具体设备见图2。试验中可观察到:当从洗砂机底端通入蒸汽时,按比例配置好的砂水混合物开始在测试仪内不断翻滚、搅动,起到了蒸汽对再生砂的搅拌作用。同时大量蒸汽从测试仪上端口溢出,可以对其进行冷凝回收利用,实现水蒸气循环利用和节约用水的目的。水玻璃旧砂氧化钠含量的测定:(1)主要仪器和试剂:天平(感量为0.001g)、三角烧杯等;甲基红指示剂(即质量分数0.1%的甲基红乙醇溶液)、浓度为0.2mol/L的盐酸标准溶液、蒸馏水等。(2)试验步骤:称取50g(精确至0.1g)水玻璃旧砂或者再生砂样,放入250mL的三角烧杯中,加入蒸馏水100ml,充分搅拌后,再加入甲基红指示剂8~12滴,用浓度为0.5mol/L的盐酸标准溶液滴定,试液由绿变红即为终点,记下盐酸标准溶液消耗的毫升数。试样中的氧化钠含量计算为:式中:N为盐酸标准溶液的浓度(mol/L);V为滴定时消耗的盐酸标准溶液(mL);m为式样质量(g)。水玻璃旧砂脱膜率的计算公式:试验方案Ⅰ:在试样量、通入蒸汽时间一定的条件下,测量加入不同质量分数的水后,再生砂的氧化钠含量。取100g旧砂试样,通入蒸汽的时间为5min。每组试验进行3次,取其平均值。试验方案Ⅱ:在试样量和加入水量一定的条件下,测量蒸汽通入时间不同情况下再生砂中氧化钠的含量。加入水的量取方案Ⅰ中脱膜率最高的比例,水量为200g。每组试验进行3次,取其平均值。试验方案Ⅲ:取砂水比例为1比2做加水不通蒸汽试验,取试样100g,水200g,一共四组,第一组常温下不搅拌浸泡15min,第二组加入开水不搅拌浸泡15min,第三组常温下搅拌浸泡15min。第四组加入开水搅拌浸泡15min。每一组试验进行3次,取其平均值。2水玻璃旧砂再生时砂水比例确定试验方案Ⅰ结果见图3。该结果表明,砂水比为1:2左右的时候,氧化钠的去除率最高。蒸汽湿法再生对旧砂的再生作用主要来自两个方面:一是水对旧砂粒表面残留粘结剂的溶解作用;二是在蒸汽的搅拌作用下,旧砂粒之间或砂粒与水之间的摩擦作用。前者,水的加入量较多为好,有利于残留粘结剂的溶解;而后者,水加入的量过多,减少了砂水混合物的浓度,也减弱了对旧砂的摩擦作用,从而使得再生效果下降。因此,在选择砂水比例的时应进行综合考虑。试验方案Ⅱ结果见图4。该结果表明,通入蒸汽的时间越长,水玻璃旧砂的氧化钠去除率就越高,再生效果越好。并且,再生初期旧砂中氧化钠去除率的变化较为明显,而当再生时间大于3min后,氧化钠的去除率变化较小。这表明,水玻璃旧砂表面上的残留粘结剂在较强烈地搅拌擦洗作用下,可以很快地在水中溶解,而存在于砂粒凹坑或缝隙中的残留粘结剂的溶解速度比较慢。试验方案Ⅲ的结果数据见图5。该结果表明,①温度对于水玻璃旧砂再生起到关键作用,在开水状态下做水玻璃旧砂再生其洗砂的效果好,氧化钠的去除率比常温状态下的高;②搅拌对于旧砂氧化钠的去除也有明显效果,而不搅拌时旧砂氧化钠的去除率相对较低。3再生砂效果及加入水的影响(1)在用蒸汽湿法再生的情况下,旧砂试样和加入水的质量分数为1:2时效果最理想,再生砂的氧化钠含量明显降低,洗砂效果好;在不加入水直接通蒸汽时效果不明显,加入水的