摘要：本文主要介紹了無(wú)錫市錫南鑄造機(jī)械廠在國(guó)內(nèi)率先制造并已投放市場(chǎng)的酯硬化水玻璃砂熱法再生線。該線已通過(guò)由江蘇省組織的科技鑒定。來(lái)自清華、東大、上海交大、華中理工大、沈陽(yáng)鑄造所、上海滬東造船廠、戚機(jī)廠等單位的著名專家、學(xué)者對(duì)該線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察和測(cè)試，并作出了高度的評(píng)價(jià)，對(duì)我國(guó)鑄造舊砂再生技術(shù)的這一突破性的進(jìn)展給予了充分肯定。
主題詞：水玻璃砂舊砂 熱法再生線 酯硬化
一．水玻璃砂正面臨著一次新的發(fā)展機(jī)遇
自1947年水玻璃砂CO2吹氣硬化方法問(wèn)世以來(lái)，一度由于水玻璃加入量過(guò)多（6~8%），導(dǎo)致水玻璃砂潰散性差、舊砂再生困難等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到很大限制。
近年來(lái)，隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)境的質(zhì)量要求越來(lái)越高，水玻璃砂在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)重新引起鑄造工作者的重視。20世紀(jì)70年代，隨著水玻璃有機(jī)酯自硬法、真空置換硬化（VRH）法、微波烘干法等新工藝相繼開(kāi)發(fā)成功并應(yīng)用于生產(chǎn)，型砂中水玻璃的加入量減少到CO2吹氣硬化法的1/2~1/3，特別是近年來(lái)在水玻璃硬化機(jī)理方面深入研究所取得的進(jìn)展，加上各種改性水玻璃和潰散劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在解決水玻璃砂潰散性、舊砂再生和回用方面取得了突破性進(jìn)展，這主要表現(xiàn)在：
1．水玻璃砂工藝的改進(jìn)，使型砂中水玻璃加入量大幅度下降，改善了型砂的潰散性，降低了舊砂再生的難度。例如：有機(jī)酯硬化工藝已經(jīng)可以使水玻璃加入量降到1.8%~2.8%以下。
2．舊砂再生新工藝、新設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)成功，為水玻璃舊砂再生提供了前所未有的有利條件。
3．對(duì)水玻璃基礎(chǔ)理論研究的深入，為水玻璃舊砂的再生和再生砂的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，使各種物理再生和化學(xué)再生方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，舊砂再生的過(guò)程得到簡(jiǎn)化。干法再生砂已用于大型鑄鋼件的背砂和中小型鑄鋼和鑄鐵件的單一砂。舊砂回用率的提高，不但使生產(chǎn)成本降低，而且有利鑄件質(zhì)量提高。使水玻璃砂膨脹小，高溫退讓性好和環(huán)境污染少的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮。
目前國(guó)內(nèi)水玻璃砂再生方法一般是干法采用較多，其次是濕法。熱法則由于設(shè)備的問(wèn)題，幾乎處于空白。“錫南”鑄機(jī)在熱法再生設(shè)備方面經(jīng)過(guò)十多年的研究，終于研制出一套可行的高效熱法再生系統(tǒng)，為水玻璃砂的再生開(kāi)辟了一條可靠、經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的嶄新途徑。
至此，水玻璃砂應(yīng)用的兩大難題：潰散性和再生回用的突破性進(jìn)展，加上其自身的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，使水玻璃砂真正面臨著一次新的發(fā)展機(jī)遇。
二．熱法再生的理論基礎(chǔ)
熱法再生的理論依據(jù)是：對(duì)酯硬化的水玻璃舊砂，將其焙燒到300~350℃[1]、[2]，除去水玻璃膜中的自由水、結(jié)晶水和殘留的有機(jī)酯（殘留酯的分解溫度在300℃以上），使水玻璃膜脆化；為防止脆化膜的回韌，必須在焙燒后立即用機(jī)械的撞擊和搓擦或氣力的沖刷去除殘留在舊砂表面已經(jīng)脆化的水玻璃膜。
一般的不焙燒的干法再生，雖然采用了機(jī)械的撞擊和搓擦，但由于砂粒表面的水玻璃膜在通常濕度條件下具有一定的韌性，完全去除它比較困難；而且舊砂循環(huán)使用次數(shù)多的情況下，殘留Na2O和有機(jī)酯的積累也惡化了舊砂的質(zhì)量。這也是焙燒和不焙燒的區(qū)別。
三．熱法再生的工藝流程與設(shè)備布置
熱法再生工藝過(guò)程中，有四個(gè)值得注意的問(wèn)題：一是加熱溫度必須在300~350℃以上，我們稱之為焙燒或高溫焙燒；二是焙燒過(guò)的舊砂應(yīng)立即進(jìn)行再生，效果較好，否則冷卻后的水玻璃膜可能有回韌現(xiàn)象，增加脫膜難度；三是焙燒、再生后要配置高效的冷卻設(shè)備。四是二級(jí)磁選應(yīng)該選擇在常溫的位置。因此，結(jié)合通常的干法再生，一條10t/h的熱法再生線。
1. 落砂后的舊砂首先經(jīng)過(guò)懸掛式磁選機(jī)，去除鐵磁物質(zhì)。
2. 在振動(dòng)破碎機(jī)內(nèi)，將砂塊破碎成單顆粒；同時(shí)進(jìn)行篩分，去除粉塵，并進(jìn)行初級(jí)再生。
3. 進(jìn)入立式焙燒爐，舊砂被加熱到300℃以上，去除游離水、結(jié)晶水和部分有機(jī)酯，使水玻璃膜脆化，有利下一步的再生。此工序是熱法再生的關(guān)鍵，沈陽(yáng)鑄造所、上海交大、華中理工等多家研究和試驗(yàn)均表明，舊砂必須加熱到300℃以上。
4. 焙燒后的舊砂立即進(jìn)入再生機(jī)。本線選用的是雙級(jí)磨盤(pán)再生機(jī)，每級(jí)一對(duì)磨盤(pán)，它利用強(qiáng)力的搓擦，去除已經(jīng)焙燒脆化的水玻璃膜。這一工序必須緊接著焙燒后立即進(jìn)行是因?yàn)榉乐菇禍睾笏Ａさ奈薄⒒仨g，影響脫膜效果。
5. 再生后進(jìn)入風(fēng)選機(jī)，將脫下的膜、粉塵等去除。它對(duì)保證再生工藝指標(biāo)及控制微粉含量具有重要意義。
6. 垂直振動(dòng)沸騰冷卻去灰機(jī)，這是熱法再生工藝應(yīng)特別考慮的問(wèn)題。高溫焙燒、再生后的舊砂必須進(jìn)行冷卻。本線選用的冷卻設(shè)備是我廠多年研制、改進(jìn)的獨(dú)家生產(chǎn)的產(chǎn)品，它不但冷卻效率高，而且還具有再生、去粉塵和提升的多種功能，因此受到很多用戶的青睞。
7. 第二級(jí)磁選是本線的又一個(gè)靚點(diǎn)。第一道懸掛磁選在砂團(tuán)破碎前進(jìn)行，它主要完成了在宏觀范圍內(nèi)的雜鐵的去除功能，但一些砂團(tuán)內(nèi)部包含的細(xì)小的鐵磁物質(zhì)或粉粒尚未顯露出來(lái)，這是其一；其二，再生過(guò)程中由于磨擦可能新增一些鐵的磁性物質(zhì)，這樣就必須在破碎和再生后，再進(jìn)行一道磁選，這就是為什么設(shè)計(jì)兩級(jí)磁選的原因。
8. 大容量中間砂斗。中間砂斗起各工序以及生產(chǎn)用砂的緩沖和平衡作用，它是一般砂處理線不可忽視的一個(gè)組成部分。
9. 砂溫調(diào)節(jié)，眾所周知，自硬砂鑄造，進(jìn)入混砂機(jī)的砂溫都有一定的要求，這個(gè)在微小范圍內(nèi)對(duì)砂溫作進(jìn)一步細(xì)調(diào)整（fine-tune）的功能是由砂溫調(diào)節(jié)器來(lái)完成的。
10. 以上這些都是酯硬化水玻璃砂熱法再生線必不可缺少的工序。這些工序之間，則是靠一些機(jī)械化運(yùn)輸設(shè)備如振動(dòng)輸送槽、斗式提升機(jī)（環(huán)鏈斗提機(jī)）、皮帶機(jī)和氣力輸送來(lái)完成的。
圖1是在中美合資蘇州某閥門(mén)廠應(yīng)用的熱法再生線的設(shè)備布置圖，該線設(shè)備完全按照上述工藝流程進(jìn)行布置，圖中右至左：落砂機(jī)→地坑內(nèi)振動(dòng)輸送槽→地坑內(nèi)懸掛磁選→斗提機(jī)→振動(dòng)破碎機(jī)（黃色）→斗提機(jī)→焙燒爐→斗提機(jī)→兩級(jí)離心再生機(jī)（黃色）→新型立式螺旋振動(dòng)沸騰冷卻裝置（黃色）→磁分離滾筒→斗提機(jī)→儲(chǔ)砂斗→地坑內(nèi)氣力輸送裝置，最左邊的斗提機(jī)為新砂斗提機(jī)，除塵器在室外。
圖1 酯硬化水玻璃砂熱法再生線全景
四．熱法再生的關(guān)鍵設(shè)備
1．立式焙燒爐
國(guó)內(nèi)大噸位自硬砂熱法再生舊砂熔燒爐幾乎是空白，少數(shù)幾家進(jìn)口焙燒爐，價(jià)格在250~270萬(wàn)元人民幣左右，一般工廠難以承受。國(guó)產(chǎn)小噸位的應(yīng)用于覆膜砂的焙燒爐已有商品供應(yīng)。也有個(gè)別廠家采用一種小型臥式雙螺旋攪拌式加熱爐來(lái)代替焙燒爐使用，它根本達(dá)不到自硬砂焙燒溫度的要求，不宜采用。
對(duì)于酯硬化水玻璃砂，其熱法再生的理論依據(jù)是將水玻璃舊砂加熱到300~350℃（各種樹(shù)脂砂則要焙燒到700℃以上），去除粘結(jié)劑膜中的自由水、結(jié)晶水，破壞殘留酯的結(jié)構(gòu)，并使大部分殘留酯及其化合物受熱分解、揮發(fā)，粘結(jié)劑膜得以脆化，隨即用機(jī)械的或氣流的撞擊、搓擦去除脆化膜。因此焙燒爐的設(shè)計(jì)原則是保證焙燒爐出砂口的砂溫要求，在此前提下，同時(shí)要滿足生產(chǎn)率、高的熱效率、節(jié)能和低成本等的要求。
焙燒爐工作原理是利用燃?xì)饣蛉加腿紵a(chǎn)生的高熱量加熱介質(zhì)—空氣；再通過(guò)高溫空氣加熱砂子；這種高溫?zé)峥諝馀c冷砂的熱交換是按逆流方式進(jìn)行的，即冷砂自上而下下落，高溫?zé)釟饬髯韵露狭鲃?dòng)。這種逆流換熱方式具有高的效率。
焙燒爐（見(jiàn)圖2）由爐體、爐膛、燃燒室、進(jìn)砂口、出砂口、燃燒器、溫度測(cè)量系統(tǒng)、補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。
圖2 立式自硬砂舊砂焙燒爐（圖中中間位置）
當(dāng)砂流進(jìn)入焙燒爐后，與上升的高溫空氣進(jìn)行逆流式熱交換；當(dāng)熱砂下落到燃燒室時(shí)，與燃燒的高溫火焰直接接觸，又進(jìn)一步升溫焙燒，最后從爐底部的出砂口流出。
特殊的爐膛結(jié)構(gòu)保證有足夠的熱交換面積、行程和時(shí)間。二次回?zé)熝a(bǔ)風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)思路獨(dú)特、新穎，它既保證了燃燒空氣的需要量又利用了部分余熱，節(jié)省能耗。
由于補(bǔ)風(fēng)氣流造成對(duì)砂子的一定的沖刷作用，焙燒后脆化的粘結(jié)劑膜比較容易被去除，因而在焙燒爐內(nèi)就能有一定的再生效果。整個(gè)燃燒和焙燒過(guò)程，包括各測(cè)溫點(diǎn)的溫度、燃?xì)饬俊⒀a(bǔ)風(fēng)量等全部由PLC自動(dòng)控制，并配有模擬屏顯示，保證了焙燒過(guò)程進(jìn)行的可靠性和穩(wěn)定性。
表1 舊砂焙燒爐技術(shù)性能與參數(shù)
根據(jù)用戶要求，生產(chǎn)率可在5t/h~30t/h范圍內(nèi)變化；樹(shù)脂砂焙燒溫度要求700℃。
該爐在蘇州中外合資某閥門(mén)廠運(yùn)行結(jié)果表明：
（1）該舊砂焙燒爐完全滿足自硬砂（水玻璃砂、樹(shù)脂砂）焙燒溫度的要求；
（2）焙燒爐特殊的爐膛結(jié)構(gòu)，能保證大噸位舊砂快速、高效地進(jìn)行焙燒；
（3）二次回?zé)熝a(bǔ)風(fēng)裝置既能保證高溫空氣的需要量，又能實(shí)現(xiàn)部分余熱利用，節(jié)省能耗；
（4）測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該焙燒爐有較顯著的再生效果；
（5）噸砂的燃?xì)夂牧俊㈦姾牧烤^低。
2．立式螺旋振動(dòng)沸騰冷卻裝置
焙燒再生后的舊砂必須進(jìn)行冷卻，現(xiàn)有的一種臥式沸騰水冷卻裝置的致命缺陷是沸騰床容易產(chǎn)生堵塞；冷卻水管容易磨損、漏水，且冷卻效果差。因此，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一種新型立式螺旋振動(dòng)沸騰冷卻器。
其工作原理是利用振動(dòng)輸送，使砂子在螺旋形的沸騰床中盤(pán)旋上升；與此同時(shí)，由沸騰床底部的螺旋形風(fēng)箱鼓進(jìn)冷風(fēng)，使砂沸騰并冷卻。
其結(jié)構(gòu)由底座、振動(dòng)電機(jī)、螺旋形沸騰槽、螺旋形風(fēng)箱、鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)砂口、出砂口、出渣口、篩網(wǎng)、機(jī)體外殼、除塵系統(tǒng)等幾部分組成。它主要用于水玻璃砂、樹(shù)脂砂、消失模干砂、V法干砂的冷卻。
圖4是該新型立式螺旋振動(dòng)沸騰冷卻裝置圖
和臥式水冷卻沸騰床比較，立式振動(dòng)沸騰冷卻裝置至少具有下列幾大特點(diǎn)：
（1）利用近100m長(zhǎng)度的螺旋沸騰槽底部的鼓風(fēng)對(duì)熱砂進(jìn)行沸騰冷卻，其冷卻行程是普通臥式的12~14倍，有足夠的熱交換時(shí)間，故冷卻效果好。
（2）螺旋槽中的砂層較臥式沸騰床的要薄，沸騰比較充分，有利冷卻、去灰、除粉塵，并具有一定的螺旋振動(dòng)再生效果。
（3）進(jìn)砂溫度300℃; 出砂溫度40~60℃
（4）利用振動(dòng)使砂沿螺旋路徑爬升，在冷卻的同時(shí)，具有提升功能。
（5）占地面積比臥式小60%（2200mm×2200mm）。
（6）不會(huì)出現(xiàn)像臥式沸騰冷卻床那樣的堵塞和冷卻水容易磨損漏水的問(wèn)題。
五．熱法再生線技術(shù)性能及參數(shù)
表2給出了該熱法再生線的技術(shù)性能及參數(shù)
表2 熱法再生線技術(shù)性能及參數(shù)
以上數(shù)據(jù)通過(guò)鑒定專家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試認(rèn)可。
表中殘留Na2O含量、微粉含量及舊砂回用率等三項(xiàng)指標(biāo)均創(chuàng)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
六．結(jié)論
1．該熱法再生線關(guān)鍵設(shè)備——熔燒爐完全滿足水玻璃砂熱法再生溫度>300℃~350℃的要求（對(duì)樹(shù)脂砂可達(dá)到700℃）。
2．該線按照高溫焙燒立即再生的理念布置設(shè)備新穎獨(dú)特，具有創(chuàng)造性。
3．新型立式螺旋振動(dòng)沸騰冷卻裝置完全滿足舊砂焙燒、再生后冷卻降溫的要求，同時(shí)還具有再生、去粉塵和提升的功能。
4．高的再生砂質(zhì)量帶來(lái)高的水玻璃舊砂回用率（≥90~95%），為取消面背砂工藝奠定了基礎(chǔ)（該熱法再生線應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)已用100%再生砂造外型）。
5．“雙高”（高的再生砂質(zhì)量、高的舊砂回用率）給企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
1．中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造繪編.鑄造手冊(cè)造型材料分冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
2．樊自田等.干法再生酸硬化水玻璃砂的可行性及條件.鑄造，1996（11）：8~11
