更换砂系统


大 约五年前,美国停止了橄榄石砂的开采,北美的铸造企业开始寻找替代的资源。有些企业选择从挪威进口橄榄石砂,当然相比使用

国内供应商的材料,运输成本的增加使这一选择较为昂贵。

伊利诺伊州迪凯特市的奥钢联Nortrak公司的铸造厂,进口橄榄石砂的成本增加了1倍,从2011的140美元/吨上升到2012年的280美元/吨。为了最大限度地降低成本,铸造厂生产锰钢铁轨铸件的无箱造型系统使用新橄榄石砂作为面砂,再生橄榄石砂/硅砂为背砂。工厂正计划扩充产能,近期目标提高60%,远期提高115%。

奥钢联Nortrak公司联系了一家工程公司(GEMCO公司,位于荷兰索恩),2010年该公司为其法国的铸造厂提供了交钥匙安装工程。公司管理层希望迪凯特市项目的部分费用可以利用改善型砂系统而降低的成本来支付。

选择新系统

型砂系统是产能扩充项目的重中之重。比较各砂系统方案,分别为:
• 酯固化酚醛树脂基,橄榄石砂/硅砂系统,机械法再生(现有系统的研究)。
• 酯固化酚醛树脂基,100%橄榄石砂系统,机械法再生。
• 酯固化酚醛树脂基,100%橄榄石系统,机械法和热法再生。
• 酯固化酚醛树脂基,铬铁矿砂/硅砂系统,机械法再生和磁选。
• 呋喃树脂基,铬铁矿砂/硅砂系统,机械法再生和磁选。
• 酯固化酚醛树脂基,铬铁矿砂/硅砂,机械法再生,磁选和铬铁矿砂热法再生。

表1所示为各系统的构成、处理成本和投资需求。以呋喃树脂为粘结剂的铬铁矿砂/硅砂系统的回报最好。尽管铬铁矿砂的成本是硅砂的两倍,但是比较好的磁选能力和与呋喃树脂粘结剂相关的较高的再生率,使这个系统的成本最低。
除了更换系统的成本效益以外,奥钢联Nortrak公司也可以通过提高砂再生的回收减少废物填埋,这也是对环境负责的证明。图1所示是砂系统的流程图。

尽管欧洲的2家铸造厂已经成功运行了该系统,奥钢联Nortrak公司仍然有2个担忧:
• 将呋喃树脂铬铁矿砂用于瘦长的锰钢铁路铸件,是否更容易出现裂缝?
• 硅砂是否能从铬铁矿砂中完全分离,从而避免铸件表面产生硅酸锰,否则将对铸件表面质量产生不可接受的影响?

铬铁矿砂用呋喃树脂作为粘结剂的初步试验发现了没有预料到的固化时间的问题。这些问题得到解决,并降低因使用呋喃树脂粘结剂产生的开裂的风险。奥钢联Nortrak公司还使用呋喃树脂粘结剂的铬铁矿砂为面砂做了几个重200磅的铁路铸件,产品表面质量良好。

公司的目标是到2014年4月,使用可再生的呋喃树脂粘结剂的铬铁矿砂/硅砂造型,同时持续的满负荷生产。新造型线的安装需要搬迁塑料注塑设备,模具车间和锰钢铸造工部。为了扩大造型线的规模,并为小型铁路铸件的生产提供呋喃树脂粘结剂的铬铁矿面砂和新硅砂背砂,奥钢联Nortrak公司在2013年8月安装了新的芯砂混砂机(120 磅/分钟)。

最初,更换砂系统的项目从项目获批开始预计需要7个月,最终项目完成用了一整年。该项目延期主要是由于基础设施的问题,与砂系统的更换无关。

因为原来的新橄榄石砂和再生橄榄石砂/硅砂料斗已计划用于存储再生的铬铁矿砂和硅砂,在新系统开始作业前,不得不关闭旧砂系统。停产定于2014年3月,为期两周。

1200磅/分钟的混砂机(图2)刚刚在圣诞节假期前安装。通过起重机装满料斗,确保设备调试。测试时铬铁矿砂/硅砂的落砂,在停产期间从原来的酯固化酚醛树脂橄榄石砂/硅砂生产线中分开,可以通过新的冷却/分离设备,运送到位于新的磁选分离器上方的35吨料仓中。磁选分离器是铬铁矿砂/硅砂再生系统的关键部分。

在计划的两周停机期间,下面工作需要完成:
• 清空两个大型砂料仓并从工厂西侧搬到南侧,重新安装。料仓的地基和高架平台需准备好。
• 安装磁选分离器,把试验的型砂从储存落砂的料仓输送到磁选分离器。
• 调试加热/冷却器和气动输送系统。
• 型砂料仓清空后,倒立放置,安装磁选分离装置,再全部复原。料仓的搬迁和磁选分离器的调试进展顺利,完成了2014年4月的目标,也就是在举行初步计划会议一年后。

评估安装效果
项目完成后,奥钢联Nortrak公司对自己提出了一些简单的问题:新的系统是如何工作的?它是如何被控制的?

设备运行后,生产目标已经实现,项目已经超过成本预算的目标。项目目标是砂的使用保持或低于业务计划,同时新的铬铁矿砂加入比例为12%,包括芯砂使用量。目前,造型中面砂使用9.6%的新砂混合90.4%的再生铬铁矿砂,背砂使用11%的新砂混合89%的再生硅砂。目前,包括面砂和背砂,粘结剂添加比例稳定在1%。酸的含量在25-45%之间,取决于树脂和混合水平。

修订涂料使用操作:在使用由90%再生铬铁矿砂和10%新铬铁矿砂为面砂,橄榄石/菱镁矿涂料时,零星的表面质量问题被发现。橄榄石/菱镁矿涂料已成功应用于原来的新橄榄石砂系统。奥钢联Nortrak公司尝试使用氧化镁(MgO)涂料,通过改进的表面质量大幅减少清理时间。此外,需要进行下列工作:
• 波美度控制被取代,改为测量体积重量。
• 从流涂结果看,使用体积重量法得到的结果更一致。如果加上温度的影响,工程师希望的可变性将再次减少。
• 铸型的涂料渗透度大约0.100-0.125英寸,涂流层厚度约0.010-0.015英寸。
• 如果不注意检查每个铸型、可能会在铸型中产生涂料堆积现象。
• 因为更换氧化镁涂料,热处理淬火水池的pH值已经上升到10pH或以上。其结果是,淬冷后的铸件呈现浅蓝色而且表面很少生锈。目前还不明确高pH值的淬火水池的长期影响。

Lenoir磁选分离系统监控:除了对分离器每天例行X射线荧光检查外,甚至每天检查砂流从分配器到上部的盘式振动给料机。如果砂流被来自碾磨机的砂块堵塞,应立刻清理这些碎块并检查碾磨机的筛子和碾盘上是否有漏洞。
细小的灰尘和金属颗粒堆积在盘式振动给料器下盘的边缘,可以改变砂的输送相控。下部的碾盘需要每周检查并根据需要进行清洗。

铬铁矿砂/硅砂分离板自2014年3月安装并启动后就没有调整过。型砂的供应量的增加是通过调整两个给料碾盘的振动参数,并稍许打开分配器的门来实现的。通过使用鼠洞型分配器栅极,如图3所示,该过程可以允许碾磨机通过更多的砂块,而无需每班多次检查砂流的均匀性。

机械法再生控制(盘式碾磨):通过增加3个电流表测量电路中的电流,碾磨机的控制系统已经升级,用于监控砂的可用性和处理时间。1个电流表设定为高阈值,1个电流表设定为低阈值,另1个用来验证振动器的电动机正常运行。碾磨机检查砂子时,按固定的时间间隔启动和停止振动筛/输送机和传送带、进入休眠状态和重新启动。这些升级意味着操作者不再依靠视觉验证操作开关,并且磨盘空转的时间间隔不会很长。

排除故障:新系统还没有达到零故障。使用大约六个月后,工程师发现,砂量探针失效时,磁选分离设备可能被错误切换到手动模式。再生硅砂的料仓没有空间接受输送来的砂子时,磁选分离设备将持续运行。其结果是,再生的硅砂可能溢出料仓进入再生铬铁矿砂的料仓。大量的再生硅砂混入再生的铬铁矿砂中作为面砂使用,最终的结果是少量的铸件因为金属反应/渗透缺陷而成为废品。

铁路铸件轮缘槽非常薄,为避免机械粘砂,需要使用新的铬铁矿砂。为了节约成本,如前所述,工程师们把橄榄石/菱镁矿涂料改为纯氧化镁涂料,使用90%再生铬铁矿砂混配10%新铬铁矿砂。如图4所示,轮缘槽铸件的型砂配比为90%再生铬铁矿砂混配10%新铬铁矿砂,左图为橄榄石/菱镁矿涂料,右图为改良的氧化镁涂料。