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自硬型砂工艺

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金耐源(河南)工业科技有限公司

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项目开发背景


普遍应用于矿山、建材、建筑等行业的磨料磨损工况易损的耐磨铸件,通常采用水玻璃砂型、树脂砂型工艺进行生产。采用水玻璃砂型工艺进行生产存在黏结剂加入量大、旧砂再生困难和回用性能差、型砂等固体废弃物排放量大等弊端;采用树脂砂型工艺进行生产存在有毒有害气体排放、砂型退让性差、型砂固废排放量大、VOC末端治理成本和综合应用成本高等问题。


陶瓷砂+无机黏结剂+再生循环的型砂工艺整体技术方案,采用“源头减排”的设计理念,以实现生产过程中型砂循环使用、型砂旧砂固体废弃物和有毒有害气体超低排放、综合应用成本低的“绿色效益”为目标。结合该方案在湖南某单位耐磨铸件(扎臼壁、破碎壁、衬板等)生产过程的实践,通过减少污染、节约资源、降低能耗等途径直接降低了铸造企业环境负荷,还通过提升生产效率间接的降低了铸造企业的生产负荷,助力了铸造企业实现环境友好的绿色生产。


金耐源(河南)工业科技有限公司和郑州大学经过多年的研发,结合铸造用球形陶瓷砂、新型无机黏结剂和砂再生处理设备的特性、工艺应用条件,优化出陶瓷砂+无机黏结剂+循环再生应用于铸造行业造型工艺整体解决方案,以实现源头减排、绿色铸造及固废零排放的目标。该工艺方案已在河南、河北、山西、湖南、东北等多个铸造厂运行,并深受客户好评。

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陶瓷砂介绍

陶瓷砂,全称为:铸造用球形陶瓷砂(英文缩写:TCS,中国机械行业标准号:JB/T 13043-2017)。是以特、一级高铝矿石熟料,经电弧炉高温熔炼,以压缩空气吹制成型的铝硅系人造球形耐火颗粒物。TCS具有化学成分统一,物理性能稳定的人造特性。

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无机黏结剂介绍

“无机黏结剂”是经高压釜化制得的铝硅酸盐的水溶液(不等同于普通水玻璃及改性水玻璃),通过加入一定比例的铝、硅、钾、钠、锂等无机成分,经科学调配,形成无机高分子聚合水溶液,具有高抗吸湿(潮)性、可使用时间长、加入量低、强度高且溃散良好的特点。在铸造行业应用具有无毒、无味、无烟的环保优势,能有效的降低造型成本、综合应用成本、提升社会效益及经济效益,性能优良,是引领铸造行业实现源头减排、绿色生产的高端材料。


其发气量仅为树脂1/5,环境友好,是造型材料中(除水玻璃外)能从源头减少废气和有害气体且应用范围广的迭代产品,是未来铸造行业选用黏结剂的发展趋势和主导产品。配套固化剂加入量仅为无机黏结剂的15-20%,且50%以上为无机材料成分,以两组分形式进行应用,根据实际应用状况依比例加入。其硬化机理为失水硬化和化学硬化。

TCS专用低渗透瓷化铸造涂料介绍

铸造涂料的渗透性能好,可以补救砂型局部强度过低,减少钢水渗透而出现机械粘砂的倾向,但加大了涂料的使用量、增加了生产成本和发气量、增厚了烧结层,直接导致砂回收利用率的降低,并以及带来一些如:橘皮、气孔等铸造缺陷。在使用TCS制作砂模型时因其表面接触面积更小、渗透性更强导致这种现象更加严重。

TCS专用低渗透瓷化铸造涂料的配制机理为:涂覆于铸模型表面,通过填补、屏蔽使之能在铸型表面和钢液之间形成一道物理“屏障”,隔绝、防止铸型表面与铸件直接接触而达到降低渗透的目的。经过现场试验检测效果良好,优于只针对铸件材质的铸造涂料。其主要成分为镁铝系耐火材料颗粒,适用于高锰钢及低合金钢材质。

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       再生单元

       为节省场地面积及科技创新设计采用新一代的落砂和破碎一体机(简称落破一体机);为保证砂再生质量,设计“合格进入下一 流程”的再生理念,采用间歇式再生机;再生单元的选择避免选用通过式的离心、气力撞击等通过式再生,因为陶瓷砂耐磨性能突出,可以选择原理为强力的机械运动,来促进砂砾和砂砾摩擦从而达到去除黏结剂在砂砾表面的残留,如磨盘再生、搓磨再生、转子再生等。根据减少杂质和浇注边余料进入再生系统以及陶瓷砂和高锰钢普遍弱磁性的特性方案中,在落破一体机和再生装置的前序设计了筛上物和筛下物去除及磁选装置。

        在现有设备流程基础上增加湿法优选环节,实际生产中采用机械再生80%,湿法优选20%的砂再生方案,大限度降低含粉量及杂质。

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陶瓷砂的莫氏硬度为8-9级,达到了超硬耐磨材料棕刚玉的级别,且自身为球形,球磨韧性为检测的型砂中高值(见表4)。通过微观影响检测,黏结点和黏接桥位置多分布在球形两端,主要物质为黏结剂残留,密度在0.8-0.9,通过增加摩檫力和摩擦时间可以有效提高砂再生的生产效率,相对情况下不会造成陶瓷砂的破碎和磨损。连续20个循环周期,陶瓷砂的磨损丢失小于0.3%。

        

造型过程中,因陶瓷砂具有流动性好的特性,能减少混合黏结剂后湿态砂流动性差所带来的影响,通过使用震动平台来保证铸型的紧实度是行之有效的减少黏结剂加入量、提高硬化强度、提升生产效率的办法。

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造型生产过程中图片示例

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铸件晶粒使用前后对比

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铸造产业是一个关系到国计民生的基础产业,在国民经济中占着相当重要的位置。绿色制造是21世纪工业生产的发展方向,清洁生产已成为新世纪工业发展的必然趋势。低成本、高质量和环境友好是铸造黏结剂生产发展的主要方向。铸造用无机黏结剂无毒无味、无有害气体、绿色、应用成本低,可以替代或部分替代现有的工艺,可以从源头降低污染和成本,能促进铸造企业绿色化转型发展。

陶瓷砂+无机黏结剂+机械干法再生循环的型砂工艺整体方案的应用,对高耗能、高污染的铸造企业来说具有从“源头”就实现“深度治理”的先天优势,可以彻底解决铸造企业末端治理的环保设备“大手笔”投入;整体方案的应用还能大幅度提高铸造企业固体废弃物(废砂)的循环再利用性能,能降低固体废弃物90%甚至达到(废砂)零排放。

国家出台了多项更加严格的排放标准,采取了多部门协同治理督导的办法,对行业进行了持续不断的治理,以期达到减弱或根治的效果,避免重走发达国家先发展再治理的老路。这是关乎到生存根本的一项决策,每个人都应该切身实际的去迎合发扬,降低污染。对于铸造企业本身来说,如何在环保的高压态势下,保持企业与环保的协调发展是企业必须面对的问题。


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