基于蒸汽循环利用的水玻璃旧砂蒸淋再生机理研究

It will help to fulfill green foundry to reclaim used sodium silicate sands．Compared with mechanical and chemical reclamation methods, high ratios of removing binders and harmful components on used sand surface can be achieved for wet reclamation, but a large amount of water will be consumed to regenerate spent sands and much power to dry wet sands for wet reclamation."Steaming and rinsing" method based on cyclically using of steam wzhemical composition and structure of binders retained on used sand surface will be studied in order to establish a new assessment index for reclamation first, then the kinetics characteristics of dissolving of binders under different steaming and rinsing conditions will be investigated, afterwards, the reclamation process will be optimized based on cyclically use of steam in order to reduce water consuming and save energy．The kinetics model for "Steaming and rinsing" reclamation will be established. Design criteria of equipment for regenerating, drying and condensing will be built up based on cyclically using of steam, and innovation stands will be set up. The launch of this project will promote the theory of steaming & rinsing reclamation methods and help to achieve energy conservation and emissions reduction. The project deserves to be studied based on its academic value and applied prospect.

水玻璃旧砂再生有助于实现绿色铸造。湿法再生在脱膜和去除有害成分方面优于干法和化学法，但其原理和方法存在的不足易导致耗水多、能耗高，针对此问题，本申请提出基于蒸汽循环利用的蒸淋再生方法，围绕残留粘结膜再生脱膜的溶解热力学和动力学及蒸淋再生机理展开研究。首先定性和定量分析残留粘结膜的组成和结构，实验研究粘结膜组分影响型砂性能的规律，建立再生砂综合评价体系；再考察蒸淋作用下旧砂再生过程成分和结构的变化，探索残留粘结膜溶解规律，确立其溶解热力学条件，建立并验证其溶解动力学模型；然后运用该模型，研究蒸淋作用下蒸汽温度和用量及淋水量和水温等参数对脱膜效果的影响，探明蒸淋再生机理。继而利用过热蒸汽干燥再生砂和浓缩再生液的尾汽蒸淋再生旧砂，实现蒸汽循环利用。最后，以耗水量和综合能耗减少为目标，优化蒸淋再生工艺，研制蒸淋再生系统并验证结论。研究结果为蒸淋再生提供理论支持，奠定应用基础，具有理论和应用价值。

绿色铸造工艺是我国铸造行业发展的必然趋势，中国铸件产量随位居全球第一，但废砂排放量远高于发达国家，且由于过度开采和使用，砂子已经日渐成为短缺资源。水玻璃砂作为三大型砂之一，符合绿色铸造对造型材料的基本要求，但水玻璃旧砂再生一直是世界难题，其再生回用率仅为30%～40%，我国每年排放水玻璃旧砂600～800万吨。水玻璃旧砂再生存在干法再生效果差，湿法再生用水量大，水处理难等关键问题没有解决。蒸淋再生水玻璃旧砂，脱膜率高，易去除有害成分，再生砂质量好，砂粒损耗小，耗水量少，再生过程粉尘少等优点。项目研究了旧砂粘结膜中的碳酸盐、醋酸盐、有机酯和硅酸盐等化学组成的测试方法，并设计制作了碳酸盐智能测试系统，采用系统可以快速测定旧砂中的碳酸盐含量，在此基础上，研究了碳酸盐种类及含量对水玻璃砂性能的影响，碳酸盐的存在总体上会恶化型砂性能，其中碳酸钠主要降低水玻璃砂的溃散性，而碳酸氢钠则会缩短水玻璃砂的可使用时间；而醋酸钠不仅影响型砂的终强度和抗吸湿性，还会影响其硬化过程，当醋酸钠含量超过0.1%时水玻璃砂将不能固化。通过探索水玻璃旧砂蒸淋条件下湿法再生脱膜规律，发现水玻璃旧砂中的碳酸盐和醋酸盐等有害成分仅需占砂重20%以下的水即可脱除，脱膜效果和蒸淋温度及蒸淋时间有关，综合成本和效率因素，以蒸淋温度110℃，蒸淋5min为优，此时蒸汽耗量不到20%，碳酸钠、醋酸钠和总碱量的脱膜率分别为72.4%，68.2%和57.2%；不过蒸淋再生对于受热温度超过600℃的旧砂蒸淋再生效果不理想，主要原因在于水玻璃砂高温受热后，粘结膜发生了烧结，溶解性下降所致。此外，研究发现，蒸淋再生前期产生的废水浓度较高，呈胶状，利用资源化利用前景好。针对再生废水高浊度、强碱性的特性，发现采用碱土金属离子处理再生废水效果好，免除了传统加酸处理方法的弊端，能在调节pH值的同时使其浊度降低到40以下，达到三级水的排放标准。通过理论分析表明，采用过热蒸汽干燥再生砂、浓缩再生废液产生的尾汽再生旧砂，实现蒸汽循环利用，不仅能实现高效再生，而且总能耗低，再生成本与热干法再生成本相当，甚至更低。最后，基于前面的研究结论，发明了基于基于靶向清除有害成分的水玻璃砂原位化学再生方法，该方法具有效果好无排放的特点，值得进一步研究研究。项目的成果具有较重要学术和应用价值，能为实现水玻璃砂绿色铸造提供理论支持。