專利名稱：再生鑄造濕砂的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在金屬澆注作業(yè)中已用過的鑄造濕砂的再生或者說回收。
用來制作鑄型的濕型砂是砂、粘土、有機粘合助聚劑和水的混合物。熔融金屬倒入鑄型中并得到充分的冷卻后就能完好地從中取出成形的金屬件。一般，濕型砂的含水量大約在百分之三至四之間，粘土含量約在百分之五至十二之間(按重量計)。在澆入熔融金屬之前水分和粘土在鑄型各處分布大致均勻。
熔融金屬澆入由濕型砂制成的鑄型后緩慢凝固。凝固后，鑄件與型砂分離，砂子被收集起來供下次使用。但是不可能重新使用所有的舊砂，因此一般是完成每一造型循環(huán)以后加入一定百分比的新砂和粘土，并從系統(tǒng)中排除相同數(shù)量的舊砂。這種做法的一個很大缺點是一部分廢棄砂中包括活性的粘結(jié)劑或容易再活化的粘結(jié)劑，對這樣的廢棄砂必須進行處理?，F(xiàn)在聯(lián)邦和州關(guān)于處理鑄砂的環(huán)境法規(guī)變得越來越嚴(yán)厲，這意味著要關(guān)閉很多鑄砂堆放場并大幅度提高處理費用。這使鑄造廠家感覺到有必要再生并重新使用濕砂，以降低費用，并避免今后對廢砂(甚至對棄置在許用堆放場中的廢砂)處理的責(zé)任。
在大多數(shù)應(yīng)用濕砂進行鑄造的場合，加熱回收的砂子用來生產(chǎn)自硬砂芯和代替一部分必須補入濕砂中的新砂。但是迄今為止還沒有一種濕砂回收工藝能始終如一地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的可重新使用的砂子。
加熱再生的濕砂在煅燒過程中pH值會有大幅度提高。煅燒就是把砂加熱到高溫。據(jù)信，殘留粘土是pH值升高的主要因素，因為，如果將同樣類型的砂包覆有機自硬粘結(jié)劑的話，則在加熱回收期間pH值變化很小或根本不變。因此生產(chǎn)這種加熱回收設(shè)備的廠家正集中全力減少被回收砂中的粘土。
有人在加熱回收特種砂子取得了一些成功，但是，甚至采用徹底的機械再生法也不能始終如一地生產(chǎn)出高質(zhì)量的加熱再生砂。而且即使殘留粘土含量減至低于百分之0.25，加熱再生的濕砂的pH值仍然太高，不能在酸固化的自硬粘結(jié)劑系統(tǒng)中使砂有效地重新粘結(jié)。
因此，本發(fā)明的第一個目的是要提供一種再生或者說回收鑄造濕砂的方法和設(shè)備，再生的濕砂可用來制作自硬砂芯和代替一部分必須補入濕型砂中的新砂。
本發(fā)明的第二個目的是要提供一種加熱再生砂的方法和設(shè)備，該再生砂的pH值等于或低于新砂的pH值。
本發(fā)明的第三個目的是要提供一種加熱再生或者說回收的濕砂，這種砂在重加粘結(jié)劑后的試驗抗拉強度大致等于新砂在同樣條件下的抗拉強度。
上述加熱再生濕砂的徹底的機械再生法能使砂中所含的粘土量大幅度減少，但經(jīng)常只降低一點點pH值。這種現(xiàn)象引起來發(fā)明人去探究砂和粘土在熱煅燒和機械再生過程中到底發(fā)生了什么事。用一千倍的顯微鏡觀察到熱再生后的每一粘土顆粒表面都很粗糙。這種表面粗糙度并不是由磨損引起的。
本發(fā)明人通過檢驗發(fā)現(xiàn)這些粘土顆粒表面呈片狀，由此得出每一顆粒本身經(jīng)歷了離子結(jié)構(gòu)變化的結(jié)論。而且還發(fā)現(xiàn)小顆粒粘土吸附在砂粒上。該吸附現(xiàn)象是磁力吸引而非機械作用的結(jié)果。大顆粒粘土是與砂粒分離的，但對吸附在單個砂粒上的粘土顆粒來說，即便這種粘土顆粒與砂粒分開，一旦它們再次接觸，則這種粘土顆粒馬上又吸附在砂料上。為此，本發(fā)明人得出結(jié)論，只有這種粘土顆粒的表面才發(fā)生離子結(jié)構(gòu)變化。
通過觀察，發(fā)明人認(rèn)為美國鑄造協(xié)會對經(jīng)煅燒和徹底的機械再生后的濕砂的粘土標(biāo)準(zhǔn)分析法不能真實地測出殘留下來的粘土量，相信殘留粘土量是該分析所得值的二至三倍，并認(rèn)為所有吸附在砂粒上的殘留粘土都經(jīng)歷了離子變化，成為pH值升高的主要來源，這就是砂子的pH值不按粘土的減少而成比例減少的原因。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒和機械摩擦結(jié)束后，用酸溶液(酸和水的混合物)與砂混合，就可以減低pH值并使吸附的粘土顆粒從砂子上開始分離。所述的溶液同吸附在單個砂粒上的粘土反應(yīng)，從而促使吸附的粘土分離。當(dāng)砂子干燥后，粘土就從砂粒上脫落，自由狀的粘土粒子由流動空氣抽出。
酸溶液的用量和pH值必須根據(jù)摩擦和分離后的殘留粘土的體積及加熱再生砂的pH值來進行調(diào)節(jié)。本發(fā)明最終所獲得的加熱再生鑄造濕砂的pH值等于或小于新砂的pH值，所有粘土幾乎都被抽出。殘留在砂中的粘土的pH值同該砂一樣。
本發(fā)明的再生鑄造濕砂的設(shè)備包括預(yù)干燥裝置，用來篩分舊砂，并使該砂干燥至濕度幾乎為零的狀態(tài)。該設(shè)備還包括一個流化床加熱燃燒器，該煅燒器具有把干燥和篩分過的砂子供入煅燒床的裝置，在煅燒床中，砂子被加熱，使有機材料汽化并燒掉。所述的設(shè)備還進一步包括冷卻裝置，以及后繼的摩擦裝置，所述摩擦裝置使機械粘附在砂粒上的粘土和一部分磁性吸附在砂粒上的粘土細(xì)顆粒脫落。此外還有抽出裝置，用來把摩擦裝置分離出的粘土抽走。還有pH調(diào)節(jié)裝置，用來使酸溶液同砂混和，這樣剩余的磁力吸附的粘土與酸反應(yīng)，使這部分粘土開始從砂粒上分離，以便使余砂的pH值降低。該設(shè)備還有干燥裝置，用以蒸發(fā)酸溶液，干燥砂子，并使自由粘土脫落，最后，還配備把與砂粒脫開的粘土抽出的裝置。
所述的冷卻裝置最好包括一冷卻分選器，使砂子溫度從煅燒所達(dá)到的溫度冷卻至90°F左右。上述的摩擦裝置還包括流化摩擦過的砂子的流化裝置。
pH值調(diào)節(jié)裝置包括一個pH調(diào)節(jié)混合器、把酸溶液注入該混合器的裝置以及把酸溶液和砂子在所述的混合器內(nèi)徹底混均的裝置，使pH反應(yīng)均勻，并激發(fā)離子重新組織。
干燥裝置包括流化從pH值調(diào)節(jié)裝置過來的砂的裝置。該干燥裝置還包括把來自煅燒器的熱空氣供入上述流化裝置的部分。
本發(fā)明的方法包括篩分和預(yù)干燥舊濕砂，使砂的含水量幾乎為零;煅燒砂子，使其上的有機物汽化并被燒掉;冷卻砂子;摩擦砂子，使機械粘結(jié)的粘土和一部分磁力吸附在砂子上的粘土脫落;除去摩擦下來的粘土;將酸溶液與砂子混合，使之與磁力吸附在砂子上的剩余粘土反應(yīng)，從而使這部分粘土與砂子開始分離;弄干砂子，使得上述由于酸溶液與砂反應(yīng)開始分離的粘土脫落;以及抽出這部分從砂子上脫落的粘土。
砂子最好在1400°至1650°F左右的溫度下煅燒大約四十分鐘至一小時。
在使用本方法進行pH值調(diào)節(jié)時，砂中的粘土重量最好已減少為不足0.1%左右。這是由于煅燒后粘土具有吸收性強的特點，過量的脫落粘土留存將大幅度地增加酸溶液的消耗量。
在pH調(diào)節(jié)階段，酸溶液的混合包括把酸溶液均布到砂中的步驟，以保證pH反應(yīng)均勻和激發(fā)離子的重新組織。由于鑄造條件不同，對酸的pH值有不同的要求，這取決于砂子的pH值及殘留在砂中的粘土量。
本方法中最好采用溫度稍低于300°F的空氣使砂流態(tài)化，干燥與酸溶液相混合的砂，以保證PH反應(yīng)及離子重組織不受抑制。干燥-流態(tài)化步驟最好至少有一個四十分鐘的維持時間，以保證粘土自由粒子的最大分離量。這樣可減少重涂粘結(jié)劑的需要量及改善抗拉強度。
由于水分對煅燒器內(nèi)的燃燒環(huán)境起不利影響，因此在煅燒之前砂子必須進行干燥處理，使其濕度幾乎為零，并進行分選。分選的作用是在煅燒前使砂子含粘土量減少約百分之五十。這兩個步驟有助于防止粘土、砂子結(jié)渣，并使pH值上升較少。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的鑄造濕型砂再生設(shè)備的部分示意的正視圖;
圖2是圖1所示設(shè)備的平面圖;及圖3是本發(fā)明方法的流程圖。
先參看圖1和圖2，濕砂再生方法的第一步是把砂塊和型芯件破碎成接近于顆粒尺寸，這可用一個多篩層、高頻率、低振幅的機械塊團破碎機(未示出)來進行。在團塊破碎機中，當(dāng)砂通過若干層篩層時，由于砂粒之間的接觸研磨，使砂塊破碎為接近顆粒的尺寸，篩層的最后一層為只能通過3/32英寸直徑顆粒的十二目的粗線篩子，以保證把砂塊破碎至所需的尺寸。
在舊濕砂團塊被破碎到接近顆粒尺寸的過程中，砂子和粘土被暴露在空氣中，使一部分留在濕砂中的水分蒸發(fā)。當(dāng)濕砂通過上述十二目的篩層時，砂子的含水量至少減少了百分之二十五，這樣砂子的流動性提高了。
然后砂子被送往預(yù)干和粘土分離流化床干燥分選器6，該裝置把砂弄干至濕度幾乎為零的狀態(tài)并使粘土總含量減少達(dá)百分之五十。干燥分選器6被供以250°至300°F的流化空氣，該空氣最好為從煅燒器排出的廢熱氣。當(dāng)熱空氣流化砂子時，砂中的剩余水分迅速汽化，從干燥分選器6中排出。
當(dāng)粘土迅速脫水時，其本身從砂粒上開始脫落。由于粘土顆粒的比重小于砂子的比重，粘土從砂床8上升，進入收集灰塵的氣流，然后被捕獲并送往灰塵收集器(未示出)。通過干燥分選器6的壓力損失大約為1/2英寸汞柱。
濕砂滯留在干燥分選器6內(nèi)的時間大約為1小時。如上所述，約占粘土總量的百分之五十的粘土在這個預(yù)干和分選步驟中被抽出。
由于在煅燒前砂子排除了幾乎所有的水分以及粘土含量減少一半，經(jīng)本發(fā)明方法處理的砂的pH值增量小于采用現(xiàn)有技術(shù)的增量。用現(xiàn)有技術(shù)加熱回收的砂pH值一般為9.4，而用本發(fā)明方法，則砂的pH值要少上升1，即本發(fā)明再生砂的pH值大約為8.4而不是9.4。
然后將干燥和分選過的砂子送入中間集結(jié)料斗10。砂子通過可改變流速的門12從料斗10落入速度可變的螺旋給料器16，送向流化床煅燒器14，這樣可使該系統(tǒng)的處理量從最大調(diào)整至任何所要的數(shù)值，砂子從給料器16的排出口18落入具有煅燒床22的煅燒器14的進口20。
在煅燒器14內(nèi)，砂子的溫度上升到大約1400°～1650°F，在該溫度下，所有的有機材料均被燒掉了。在煅燒器14內(nèi)砂子的停留時間約為四十分鐘至一小時。
由于在煅燒之前一部分粘土、有機粘結(jié)劑及幾乎所有的水分已被去除，煅燒作用更加有效。如上所述，pH值至少比現(xiàn)有技術(shù)少1。并且灼燒損失(LOI)也少一半，粘土渣和碳渣大幅度減少。
從煅燒器14排出的砂落入流化床冷卻分選器30，在那里砂在水冷不銹鋼熱交換排管組件32周圍被流化，使砂從其煅燒所達(dá)溫度冷卻至大約90°F。當(dāng)砂經(jīng)歷流化和冷卻步驟時，經(jīng)煅燒而脫落的粘土離開砂床并被送到灰塵收集器中(圖未示出)。由于粘土比砂子比重小，因此它在砂子的流態(tài)化壓力下能懸浮起來。砂子在冷卻分選器30中的滯留時間約為四十分鐘。
冷卻的砂從冷卻分選器30排入摩擦裝置，該裝置包括接收砂子的第一料斗34，料斗34通過管子36把砂排入撞擊室38，在該室中，轉(zhuǎn)動錘40錘擊砂子并把砂子撞到室38的內(nèi)表面42上。這樣砂子和粘土之間的粘結(jié)被破壞。雖然很多小粘土顆粒仍然磁力吸附在砂粒上，但較大的機械粘結(jié)的粘土顆粒均從砂粒上除去。砂子從室38再排入流化床分選器44，在那里通過流化作用把大顆粒粘土從砂床分離出來并送往灰塵收集器。用于本發(fā)明的摩擦裝置可采用美國俄勒岡州舍伍德(Sherwood)可信鑄造設(shè)備公司制造的設(shè)備，其商標(biāo)為“ROTACLAIM”。
從分選器44排出的砂子被送至振動料斗46，該料斗位于連續(xù)流動的高效pH調(diào)節(jié)混合器48上方。在計量從料斗46流入混合器48的砂的同時，酸溶液由泵50注入混合器的砂中，泵50由位于酸箱54頂部的馬達(dá)52驅(qū)動。在混合器48內(nèi)，砂和酸溶液充分混合。在幾秒鐘內(nèi)酸就與細(xì)顆粒粘土的帶負(fù)電離子發(fā)生反應(yīng)，從而使這些粘土顆粒開始與砂粒分離。然后砂子被排入干燥分選器56內(nèi)。比較適合本發(fā)明的酸溶液包括鹽酸(pH＝0.1)與水混合的溶液，其中鹽酸與水的容積比為1∶2。商標(biāo)為“CHALLENGER50”的由上述鑄造設(shè)備公司制造的混合器適用于本發(fā)明。
作過pH值調(diào)節(jié)的砂子在干燥分選器56中用稍低于300°F的熱空氣流化。所說的熱空氣最好取自煅燒器14的高溫排出管道58。當(dāng)酸溶液蒸發(fā)，砂子變干時，粘土粒子開始自由地懸浮在流化空氣中。然后這些粒子由排出氣流60捕獲并被送往收集器中。最后將干的、作過pH調(diào)節(jié)的幾乎無粘土的砂子從干燥分選器56排入砂子分配輸送機，發(fā)送到制芯間貯存料斗(未示出)及新砂中間集結(jié)料斗(也未示出)中。
通常，要再生的濕砂在回收工序開始時粘土的重量百分比為百分之七至九。而在采用本方法處理后，砂子含粘土量僅為百分之0.1至0.3。下面是新砂(原砂)、已有技術(shù)加熱回收的濕砂及用本發(fā)明的方法和設(shè)備進行加熱回收的濕砂之間的比較表測試數(shù)據(jù)
實例用本發(fā)明再生2000克舊濕砂樣品。占砂重8.5%的活性粘土和煤粉的組成如下西部膨潤土(鈉基) 70%南部膨潤土(鈣基) 10%煤粉 20%100%該砂子含水分重量為3.3%。
砂子在250°F溫度下進行預(yù)干和流化六十分鐘，經(jīng)過這樣長的時間后，水分基本去除，粘土就重量而言去掉50%至60%。
然后將砂子在1600°F下煅燒1小時，之后被分選并冷卻至90°F。經(jīng)分離后粘土重量只剩下百分之五。然后再撞擊摩擦砂子，使粘土重量減至百分之0.2，pH值為8.5。接下來用pH值為0.1的鹽酸溶液(鹽酸與水的溶積化為1∶3)對砂子進行pH調(diào)節(jié)。所加入的溶液為砂子和溶液總重的3.5%。
砂子然后排出至一臺干燥分選器，在250°F溫度下流化處理1小時?；厥盏纳白佑幸韵碌奶匦宰茻龘p失(LOI) 0.01%pH值 6.9粘結(jié)劑耗酸量(ADV) 1.權(quán)利要求
1.一種再生具有殘余粘土的舊濕砂的方法，包括篩分和預(yù)干燥舊濕砂，使砂的含水量幾乎為零；煅燒該砂，使其上的有機物汽化并燒掉；冷卻煅燒過的砂子；機械摩擦冷卻過的砂子，使機械粘結(jié)的粘土和一部分磁力吸附在砂子上的粘土脫落；除去機械摩擦下來的粘土；將酸溶液與該砂子混合，使之與磁力吸附在砂子上的剩余粘土反應(yīng)，從而使所述磁力吸附的剩余粘土與砂子開始分離；弄干該砂，使得由于加酸溶液與砂反應(yīng)而開始分離的粘土脫落；以及抽出這部分從砂子上脫落的粘土。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述砂與酸溶液混合時，砂中的粘土重量已減少為不足0.1%左右。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的酸溶液混合包括把酸溶液均布到砂中的步驟，以保證pH反應(yīng)均勻和激發(fā)離子的重新組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的同酸溶液混合的砂子是在稍低于300°F的溫度下進行干燥作業(yè)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在稍低于300°F的溫度下用空氣對砂子進行流化，從而使同酸溶液混合的砂子變干。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的酸溶液和砂子的混合物至少進行四十分鐘干燥處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述砂子在1400°至1650°F左右溫度下煅燒大約四十分鐘至1小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒過的砂子從煅燒過程所達(dá)到的溫度冷卻至大約90°F。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用流化所述砂子的方法使煅燒過的砂子冷卻。
全文摘要
一種再生有殘留粘土的濕砂的方法，包括篩分和預(yù)干燥該砂至濕度接近于零的狀態(tài)；煅燒砂子，把其上的有機物燒掉；冷卻砂子；機械摩擦冷卻后的砂，使機械粘結(jié)的粘土和一部分磁力吸附在砂子上的粘土脫落；將酸溶液與砂子混合，使之與剩余的磁力吸附粘土反應(yīng)，從而使這部分粘土與砂子開始分離；弄干上述的砂子，從而使這部分粘土從砂子上脫落；以及抽出這部分從砂子上脫落的粘土。
文檔編號B22C5/04GK1049620SQ90107139
公開日1991年3月6日 申請日期1990年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月23日
發(fā)明者羅伯特·J·西利 申請人:特羅姆利實業(yè)股份公司