технология регенерации для ХТС-процессов

Трещалин А.В., к.т.н., ("Клуб литейщиков", г. Москва)

Благодаря своим технологическим достоинствам процесс ХТС получил широкое применение, однако одним из существенных сдерживающих факторов является высокая стоимость смеси. В чистом виде (без учёта энергетических затрат на смесеприготовление) она складывается из стоимости кварцевого песка, связующего и катализатора. При этом наиболее дорогими являются химические составляющие смеси: связующее и катализатор. На их долю приходится 60-65% стоимости тонны формовочной смеси при использовании свежего кварцевого песка. Уменьшение себестоимости смеси достигается за счёт снижения процентного содержания связующего до минимума, необходимого для достижения смесью необходимых прочностных характеристик. Уменьшение количества связующего так же положительно сказывается и на экологической обстановке литейного участка. В свою очередь количество связующего напрямую связано с качеством применяемого песка. Наиболее оптимальным является использование мытого и классифицированного песка, с содержанием глинистой составляющей не более 0,5%, и основной фракцией песка 0,2…0,315. Использование песка с большим процентом глинистой составляющей и более мелкозернистого влечёт увеличение необходимого количества связующего, следовательно смесь дорожает и увеличиваются вредные выбросы в атмосферу цеха. Обогащённый песок значительно дороже карьерных песков и выбрасывать его после выбивки в отвалы является экономически и экологически невыгодно. Наиболее рациональным решением является регенерация холодно-твердеющих смесей. Наибольшее распространение получили механический и термомеханический способы регенерации.

Основной целью регенерации является восстановление зернового состава песка и удаление плёнок связующего с зёрен кварцевого песка.

При механической регенерации происходит удаление плёнок связующего от кварцевых песчинок за счёт механического перетирания смеси. Плёнки связующего разрушаются с образованием пыли, удаляемой системами пылеотсоса. Большой процент повторного использования регенерата (90% при фуран-процессе, 60-70% при альфа-сет процессе), компактность установок и высокая производительность сделало процесс наиболее востребованным. Технологическая схема механической регенерации включает в себя процессы выбивки формы, дробления спёкшихся кусков смеси, механического перетирания смеси, охлаждения регенерата, пылеудаления. Современные установки регенерации весьма разнообразны и позволяют учитывать индивидуальную специфику литейных производств.

Рассмотрим несколько вариантов таких установок.

Для выбивки небольших форм (массой до 500 кг) и небольшой производительности (до 3 тонн формовочной смеси в час) целесообразно применять установки серии "Gammavator" с совмещённой выбивной решёткой. На рисунке 1 показана установка "Gammavator 3", включающая в себя встроенную выбивную решётку, виброэлеватор для подъёма песка, охладитель / классификатор.

Рис. 1: Регенерационная установка "Gammavator 3"

На рисунке 2 показан разрез регенерационной установки "Gammavator". Залитая форма подаётся на полотно выбивной решётки, где происходит её разрушение за счёт вибрационных ударов. Прошедшая сквозь выбивную решётку смесь поступает в систему оттирочных камер: стальной грохот для крупных комков, сито с клинообразными отверстиями и мелкое оттирочное сито-классификатор. Встроенная система сит измельчает песок до необходимого размера и отсеивает металлические частицы и другие крупные включения. Конструкцией установки предусмотрены очистные заслонки и выходы для выгрузки крупных включений и захваченных частиц металла на боковой и задней стенках установки. Для гашения вибрационных нагрузок выбивная решётка устанавливается на пружинах. Следующий за выбивной решёткой вибрационный элеватор обеспечивает транспортировку горячего песка в охладитель / классификатор. Конструкция виброподъёмника обеспечивает максимально эффективную дальнейшую оттирку поднимающегося за счет вибраций песка, гранулы которого продолжают перемешиваться и тереться друг об друга.

Рис. 2: Разрез установки "Gammavator"

В случае, когда на регенерацию подаётся уже охлаждённый песок можно обойтись и без охладителя/классификатора. Вместо этого устанавливается устройство для создания псевдоожиженного слоя и промежуточный бункер над пневмонасосом. Схемы установки с охладителем/классификатором и без него представлены на рисунке 4. В таблице 1 даны их технические данные.

Рис. 3: Регенерационная установка "Gammavator" с охладителем/классификатором и без.

Таблица 1. Технические характеристики системы регенерации "Gammavator"

В охладителе/классификаторе (Рисунок 4) песок проходит по специально подобранной сложной траектории, интенсивно перемешиваясь в струях псевдоожиженного слоя. Подаваемый снизу поток воздуха также способствует удалению пыли и мелких фракций песка. Давление воздуха и контроль процесса пылеудаления осуществляет воздушная заслонка. Для снижения температуры горячего песка внутри охладителя / классификатора по ребристым медным трубкам циркулирует холодная вода. Благодаря качеству перемешивания и эффективной конструкции медных трубок песок охлаждается до температур, не превышающей более чем на 5'С температуру воды на входе. После камеры охлаждения песок попадает в камеру выгрузки песка и выгружается в пневмокамерный насос для транспортировки в бункер регенерата. Компания "Omega" выпускает несколько типов охладителей/классификаторов с пропускной способностью от 1 до 24 тонн в час. (Рисунок 5, таблица 2).

Рис. 4: Принципиальная схема работы охладителя/классификатора

Рис. 5: Охладитель / классификатор

Таблица 2. Технические характеристики охладителей/классификаторов

При выбивке более крупных форм (массой до 3 тонн и размером до 2х2 метра) возможно использование системы регенерации "Gamma LL". Данный тип установок позволяет проводить регенерацию до 12 тонн формовочной смеси в час. На рисунке 6 показан момент загрузки на выбивную решётку залитой опочной формы.

Рис. 6: Регенерационная установка "Gamma 12LL"

Очень часто установка регенерации "Gamma LL" используется на автоматических формовочных линиях. В этом случае перемещение залитой формы на выбивную решётку осуществляется с помощью устройства сталкивания форм с передаточной тележки.

Схема и типоразмеры системы регенерации "Gamma LL" приведены на рисунке 7 и в таблице 3.

Рис. 7: Регенерационная установка "Gamma LL"

Таблица 3. Технические характеристики системы регенерации "Gamma LL"

В случае применения больших форм c размерами до 3,2 х 2,7 м и весом до 10 тонн наиболее эффективно использовать систему регенерации "GammaMajor" (Рисунок 8).

Рис. 8: Регенерационная установка "GammaMajor 12" с выбивной решёткой 3,2х2,7 метра и пропускной способностью 20 т/час

Кран поднимает опоку и устанавливает на выбивную решётку. Происходит выбивка форм, удаление отливок и механическое перетирание выбитой смеси. Для таких установок необходимо достаточно глубокое заглубление и дополнительный промежуточный бункер для хранения регенерированного песка перед поступлением его в охладитель / классификатор. Схема представлена на рисунке 9.

Рис. 9: Компоновочная схема системы регенерации "Gammamajor"

Технические характеристики регенерационных установок "Gammamajor" приведены в таблице 4.

Таблица 4. Технические характеристики системы регенерации "Gammamajor"

Не всегда оптимально совмещать выбивную решётку и оттирочную камеру в одной установке. Иногда логичнее выбивать формы (особенно крупногабаритные) на отдельной выбивной решётки, а выбитую смесь транспортировать на участок регенерации, где установлена оттирочная камера и охладитель/классификатор (примерная схема показана на рисунке 10). Для таких целей компания "Omega" разработала устройство "Gamma HL".

Рис. 10: Компоновочная схема системы регенерации "Gamma HL"

Заранее выбитая смесь подаётся в приёмный бункер (Рис.11), последовательно проходит через оттирочные сита и подаётся в охладитель / классификатор. Система регенерации позволяет регенерировать до 20 тонн в час при максимальной единовременной загрузке 1800 кг.

Рис. 11: Оттирочное устройство "Gamma HL"

Технические характеристики регенерационных установок "Gamma HL" приведены в таблице 5.

Таблица 5. Технические характеристики системы регенерации "Gamma HL"

Представленные системы регенерации позволяют повторно использовать при фуран-процессе 90% регенерата в формовочной смеси, при альфа-сет процессе 60-70% регенерата. Для увеличения процента использования регенерированной смеси используют установки термической регенерации смесей. При термической регенерации происходит нагрев смесей в окислительной среде при температуре 750-950'С. При этом происходит выгорание плёнок органических веществ с поверхности зёрен песка. Схема установки термической регенерации представлена на рисунке 12.

Рис. 12: Схема термической регенерации

Выбитая смесь из бункера (поз.1) шнековым дозатором (поз.2) подаётся на вибросито (поз.3) для отделения крупных частиц смеси. Смесь, прошедшее через сито, подаётся в полностью изолированную газовую печь (поз.4). Вентиляторы (поз. 5 и 7) подают воздух и газ для горения. Вентилятор (поз.6) создаёт "псевдоожиженное" состояния песка. Теплообменник (поз.8) предварительно нагревает подаваемый в печь воздух. Из газовой печи регенерированный песок попадает в камеру охлаждения (поз.9), где происходит его охлаждение и удаление образовавшейся пыли. Система охлаждения воды (поз.10) включает в себя испарительную башню охлаждения, насос циркуляции воды, клапана и трубопроводы. Улавливание пыли происходит в бункере поз.11. Регенерированный песок подаётся в пневмокамерный насос (поз. 12) и транспортируется в бункер хранения регенерата (поз.13). Контроль и управление процессом терморегенерации осуществляется с помощью панели управления (поз.14). При регенерации формовочных смесей из-под чёрных сплавов дополнительно устанавливается вращающейся магнитный сепаратор (поз.15). Для щёлочно-фенольного процесса также необходим бак с мешалкой для добавок (поз.16); дозирующий насос для добавок (поз.17); измеритель потока (поз.18); непрерывный смеситель для добавок и песка (поз.19).

На рисунке 13 показана термическая установка для регенерации 3 тонн смеси в час.

Рис. 13: Установка для термической регенерации

Несмотря на высокую эффективность процесса (возможно использование до 100% регенерированной смеси) у него имеются следующие недостатки: сложность оборудования, большой расход энергии, невысокая производительность. Существенной альтернативой термическ