流态化技术在潮模旧砂再生系统中的应用

李明（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）



流态化技术在潮模旧砂再生系统中的应用

李明
（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

摘要：介绍了潮模旧砂热法再生的工艺流程，并结合设备实例，对再生系统中核心设备运用流态化技术进行了阐述说明。认为提高流化质量，有利于净化潮模旧砂砂粒表面物，再生砂品质优秀，完全可以取代新砂使用，能够达到造型用砂和制芯用砂的双重标准。

关键词：潮模旧砂；砂再生；热法再生；流态化；焙烧炉；再生机

稿件编号：1602-1262

0 前言

我国是个铸造大国，2015年潮模砂铸造产量大约4 000万吨，每生产一吨铸件产生大约一吨的潮模旧砂。大量的潮模旧砂倾倒或填埋，不仅增加企业的生产成本，同时也造成了严重的环境污染，于国家现行倡导的节约环保政策不符，因此实现旧砂再生，达到潮模旧砂零排放已迫在眉睫。

1 潮模旧砂再生现状

潮模旧砂为造型废砂和制芯废砂的混合物，由硅砂、膨润土、煤粉、树脂、催化剂、固化剂等组成。再生后的旧砂如何能够同时满足造型和制芯，一直是困扰铸造行业已久的难题。目前潮模旧砂再生分为热法再生和湿法再生两大类。热法再生因其再生砂急热膨胀小、热稳定性好、可燃物少和型（芯）砂发气性低等优势，已成为潮模旧砂再生的主流趋势。从热法再生砂的品质来看，已满足造型用砂的要求，但利用冷芯盒工艺制造形状复杂的砂芯，还存在强度偏弱的问题，阻碍了潮模旧砂热法再生的发展和推广，究其原因在于硅砂表面清理的不够彻底。

2 流态化技术引入潮模旧砂再生系统的意义

图1 流态化不同阶段的状态

在容器中装入硅砂，由容器的底部经过分布板通入空气。起初通入的空气沿着硅砂之间的缝隙溢出，硅砂静止不动，此时为固定状态，见图1.a。随着气体流量的不断增加，分布板气体流速不断增大，当气速达到某一数值时，硅砂开始松动，此时气体的操作速度即为起始流化速度，床层表现为临界流化态。气体流量继续增加，操作速度大于起始流化速度时，床层开始膨胀，随着气体速度的增加，床层内部有气泡形成，气泡内含有小量的硅砂成为气泡相，气泡以外的区域成为乳化相，此时为鼓泡状态，见图1.b。随着气体操作速度的继续提高，气泡破裂的趋势逐渐超过气泡聚合的趋势，导致床内气泡尺寸变小，当气泡尺寸小到和乳相边界变得较为模糊时，气泡中含有更多的颗粒，而乳相中则含有较多的气体，这时，床内的气泡无明显的上升轨迹，而是在不断聚合和破裂中以无规律的形式上升，增加了床层的膨胀，强化了气固之间的接触，此时为湍动状态，见图1.c。当操作速度进一步增大，床层继续膨胀，颗粒之间的距离拉大，容器内无法形成气泡，砂粒弥散在气体中，气固接触充分，此时为稀相状态，见图1.d。当操作速度进一步增大，砂粒被带出床层，此时为扬析状态，见图1.e。

砂粒流态化系统属于砂粒与气体构成的混合物，即气固两相体，它具有液体的某些特性，例如：

a.它像液体一样，有一个清晰的上界面，且保持水平状态。

b.它像液体一样，能从一个高位容器流向另一个低位容器。

c.它像液体一样，气固两相体压强仅与深度和密度成正比。

d.它像液体一样，具有一定的黏度。

e.它像液体一样，床层温度一致。

利用砂粒流态化气固两相体的以上诸多特征，运用到潮模旧砂热法再生过程中，可以改善和强化砂粒再生过程中的物理化学变化，从而更有效地清理旧砂表面物。其优越性，表现在:

a.砂粒颗粒较小，大大提高气固两相间的接触程度。

b.流化态砂粒处于强烈的运动状态，两相间接触界面不断更新，强化两相间的热、质传递。

c.反应表面积的增大和传递过程的强化，使其所进行的物理化学过程更为完全，更为充分，大大提高再生设备的工作效率。

d.流态化的流动特性便于再生过程中砂粒的运输和转移，进行连续化操作，实现过程自动化和生产规模大型化。

3 流态化技术在热法再生系统中的应用

潮模旧砂热法再生系统原理是利用焙烧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达到再生目的，工艺流程见图2。再生系统中，低温焙烧炉和机械再生机是其核心设备，均运用了流态化技术强化反应效能。

3.1 低温焙烧炉

低温焙烧炉用于去除潮模旧砂表面的煤粉、树脂等碳素可燃物；由炉体、雨淋加砂装置、燃烧装置、鼓风装置、气体均布装置、阵列喷嘴装置、均匀卸砂装置、热交换装置等其它辅助设施组成，见图3。

图2 潮模旧砂热法再生工艺流程

破碎后的潮模旧砂颗粒经由雨淋加砂装置均匀进入炉膛流化层，流化层温度均匀，碳素可燃物在富氧状态下充分燃烧（一次焙烧）；随后炙热的旧砂颗粒进入热交换区，残余碳素可燃物继续自燃（二次焙烧）；最后砂粒从炉底均匀卸料，出口温度约300 ℃，进入下道工序。焙烧完成后，砂粒表观颜色为由黑色变为淡黄色。

利用流态化技术，可以使得潮模旧砂颗粒在流化层鼓泡运动，从而实现旧砂在富氧状态下的恒温燃烧， 创造优良的燃烧环境，提高焙烧砂质量。

图3 低温焙烧炉照片及示意图

3.2 机械再生机

机械再生机用于焙烧砂脱壳，同时将粉化后的粘土灰分分离，由研磨装置、流化仓、鼓风装置、离心装置、气体均布装置、阵列喷嘴装置等其他辅助设施组成，见图4。

冷却后的焙烧砂表面粘土膜已脆化，有近60%的粘土膜已在焙烧炉中粉化。机械再生将剩余的粘土膜粉化，同时清除砂粒表面灰分和凹槽物。再生完成后，砂粒表观颜色为由淡黄色变为白色。

利用流态化技术，可以实现砂粒在流化仓内湍急运动，在高速旋转的离心装置作用下，砂粒能够进行成千上万次的离心碰撞，使砂粒表面清理完全、彻底，提高再生砂质量。

图4 机械再生机示意图

4 应用效果

实践证明，采用流态化技术，并提高流化质量，有利于净化潮模旧砂砂粒表面物，再生砂和新砂采用冷芯盒工艺制芯的相关技术参数见表1。从表中可以看出，再生砂品质优秀，完全可以取代新砂使用，能够达到造型用砂和制芯用砂的双重标准。

表1 冷芯盒工艺制芯技术参数

参考文献

[1] 郭幕孙，李洪钟，等.流态化手册[M].北京：化学工业出版社，2008：150.

[2] 令军科，李峰，等.潮模粘土旧砂再生技术的工艺实践与意义[J].中国铸造装备与技术，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

中图分类号：TG231.5；

文献标识码：A；

文章编号:1006-9658（2016）03-0072-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.022

收稿日期：2016-02-29

作者简介：李明（1982—），男，工程师，主要从事铸造设备设计与研究.