CN115628617B - 一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统与工艺，系统包括多级预热器构成的悬浮预热器，以及圆盘预脱羟基炉、回转窑、蓖式冷却机。工艺先将高岭土岩破碎形成生砂料，然后生砂料经多级预热器逐级预热后送入圆盘预脱羟基炉脱除羟基形成中间产物，中间产物经最后一级预热器预热后送入回转窑进行煅烧晶型转变后，送入蓖式冷却机中处理后得到精铸型砂成品。本发明可实现煤系高岭土岩煅烧制备莫来石型精铸砂粉的规模化、大型化、绿色环保化及低碳化生产。

Description

一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统与工艺

技术领域

本发明涉及精铸型砂制备领域，具体是一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统与工艺。

背景技术

煤系高岭土岩是一种煤炭共伴生资源，长期以来，被作为煤矸石废弃物处理，污染环境，后来人们逐渐对煤系高岭土进行开发、利用，由于煤系高岭土具有热化学稳定性好、耐火度高、耐腐蚀性好等多种特性，适合在精密铸造、耐火材料、玻璃柑祸、造纸等行业中广泛应用。但是由于高岭土的本身特性以及现有的加工工艺所决定的，作为耐火材料系列产品的使用方面，只能作为中低档的耐火材料使用，特别是高岭土产品中的含铁量高，大大限制了其产品的使用范围，在作为精密铸造型壳材料的使用上，长期以来一直作为型壳过渡层和最外层使用，因为面层的材料直接和金属接触，直接影响到铸件的表面质量，现有的精密铸造用型壳的面层材料为价格昂贵的锆英砂和刚玉砂等。随着锆英砂等资源的医乏，寻找新型材料的替代品也是形势所趋，同时，采用煤系高岭土加工而成的精铸面层材料价格较低，而锆英砂售价较高。采用煤系高岭土系列精铸面砂替代价格昂贵的锆英砂等材料在生产成本上将会大大降低。

利用煤系高岭土生产精密铸造砂和不定型耐火材料的物相结构一般为莫来石和方石英“双晶相”产品，产品的性能完全取决于莫来石相的含量，莫来石含量越高，其性能就越好。

传统锻烧设备一般有静态和半动态二类锻烧设备。

静态锻烧的典型设备如隧道窑。此种方法将物料装在匣钵中置于窑车上在隧道窑内锻烧，此外，导焰窑、推板窑等也属于这类设备。这类设备由于静态锻烧方式固有的局限性，产品污染严重，生产能力低，能耗高，生产成本高，占地面积大，生产人员多，劳动强度大，只能生产粗颗粒的低档产品，不能适应现代化大规模生产的要求。

半动态锻烧设备主要有二种，一种是立窑锻烧设备。采用立窑经72小时将煤系高岭岩块锻烧成莫来石型砂，因为块度小会阻止热流交换，锻烧温度难以提高，因此通常入料块度大，一般在1200~1300℃，锻烧时间长达72小时，而且容易产生外表过烧内心欠烧的现象，经过上述锻烧后生成莫来石型砂，莫来石型砂由大于50mm块度经二级破碎成0.18~1mm的砂粒，因为一次性破碎粒度分布不合理，需进行二级破碎，破碎后的颗粒经4层套筛，即高频振动筛分别筛出，10~16目，16~30目，30~60目，60~80目的颗粒。再进行除杂得到产品。由于先行锻烧，使原料的硬度由3~4级(摩氏)提高到7~8级(摩氏)，从而造成破碎锤头、筛条损坏严重，需要频繁更换，增加了破碎功耗和设备材料磨损，制约了生产效率和连续生产时间；同时，由于莫来石型砂基本不含水分，破碎、筛选过程中产生大量粉尘，也增加了环保处理费用；而且产品的含杂和含粉容易超标，产量不稳定，难以形成规模化生产。

另一种半动态锻烧设备是回转锻烧窑，选用高岭石含量大于90%的矿物作为原料，首先将生产原料破碎，破碎后进入密闭式气流分级机，-80目以细的颗粒经旋风除尘和布袋收尘器收集，+80目的颗粒出来过10目筛网，+10目的返回破碎机，将-10~80目的砂料送入直燃式回转窑进行锻烧，锻烧温度为1100~1500℃，锻烧时间为1~4小时，锻烧后对该产品进行破碎、整形、除杂，再筛分成10~16目，16~30目，30~60目，60~80目各种产品。该生产工艺先破碎后煅烧，整形、除杂后筛分效率可提高3~4倍，因此目前，现有的煤系高岭土煅烧工业方法中采用回转窑制备精铸型砂较为普遍，但是采用回转窑煅烧制备精铸型砂时，还是存在一些难以克服的弊端，往往存在系统热耗高、处理能力小和产品质量较难控制等问题，是该行业的生产和技术发展的一道难关。

发明内容

为了解决传统工艺中存在的缺陷，本发明提供了一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统与工艺。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统，包括悬浮预热器、圆盘预脱羟基炉、回转窑、蓖式冷却机，所述悬浮预热器由多级预热器构成，煤系高岭土岩破碎后形成的生砂料经悬浮预热器中第一级预热器旋风筒至倒数第二级预热器旋风筒逐级预热后送入所述圆盘预脱羟基炉，再经圆盘预脱羟基炉煅烧以脱除羟基后形成中间产物，并由圆盘预脱羟基炉将中间产物送入最后一级预热器，然后经最后一级预热器收集预热后送入所述回转窑进行煅烧晶型转变以得到莫来石型精铸型砂，最后由回转窑将莫来石型精铸型砂送入所述蓖式冷却机中处理后得到精铸型砂成品。

进一步的，还包括高温风机，所述高温风机回收第一级预热器旋风筒的废气并向外输送。

进一步的，所述蓖式冷却机流出的高温气体回收至所述回转窑和圆盘预脱羟基炉内。

一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备工艺，包括以下步骤：

步骤1、将煤系高岭土岩破碎形成生砂料，然后对生砂料进行均化后送入所述悬浮预热器中第一级预热器旋风筒；

步骤2、令悬浮预热器中第一级预热器旋风筒至倒数第二级预热器旋风筒逐级依次对所述生砂料进行预热后，由倒数第二级预热器旋风筒收集送入所述圆盘预脱羟基炉，然后令圆盘预脱羟基炉对生砂料进行煅烧以脱除羟基，生成偏高岭土晶相高占比的中间产物；

步骤3、通过最后一级预热器旋风筒收集预热后的中间产物并送入所述回转窑，令回转窑对所述中间产物高温煅烧以进行晶型转变，通过控制回转窑的窑速和回转窑配置的燃烧器火焰温度、形状，得到莫来石型精铸型砂；

步骤4、令回转窑将得到的莫来石型精铸型砂输送至篦式冷却机进行冷却，通过篦式冷却机使莫来石型精铸型砂温度降低至60~80℃，得到精铸型砂成品。

进一步的，步骤1中，选用的煤系高岭土岩为含水分小于1%的块状煤系高岭土岩，破碎后制成的生砂料粒度≤5mm，生砂料中含-150目小于3%，-10目含量大于55%。

进一步的，步骤2中，圆盘预脱羟基炉内煅烧温度控制在800~850℃，圆盘预脱羟基炉出口温度控制在780~800℃，脱羟基时间可控制在5min~30min。

进一步的，步骤3中，回转窑的窑速控制在0.2~2.0转/分钟且变频可调，回转窑配置的燃烧器火焰温度控制在1400~1450℃，火焰形状控制在任何断面上保持圆形，纵向剖面应为棒槌形。

进一步的，步骤4中冷却后得到的精铸型砂成品，再通过篦式冷却机进行初步破碎、解聚、整形，以将烧结的假团打散并去除颗粒尖棱。

本发明提供了一种预热器内废气余热回收、炉内脱羟基率可控，窑内晶相转变稳定，机内冷却换热高效等技术，可实现煤系高岭土岩煅烧制备莫来石型精铸砂粉的生产工艺与装备，以及实现生产工艺规模化、大型化、绿色环保化及低碳化。

相比目前的传统静态和半动态煅烧设备相比，本发明的技术优势如下：

（1）利用圆盘预脱羟基炉，可实现煤系高岭土岩窑外内结晶羟基预脱除，且时间可控，可有效控制中间产物中偏高岭土晶相的占比。

（2）由于实现了煤系高岭土岩羟基预脱除，窑内仅发生晶型转变反应，可有效缩短回转窑长度，降低系统热损失，提高单线的生产能力。

（3）采用篦式冷却机冷却出窑后的烧成物，能耗低，热效率高，且可实现初步破碎、解聚、整形等目的。

（4）使用成套自动化设备，无需人工装窑，人工劳动强度大幅下降，并且生产系统的参数可测可控，运行稳定可靠，运转率高；

（5）生产规模易大型化，投资省、综合能耗和成本低；

（6）自动化程度高，可实现智能化，同时圆盘预脱羟基炉燃料可以采用生物质气，能够使燃料成本下降，实现低碳化。

附图说明

图1是本发明系统结构原理图。

图中：带箭头虚线为气流方向，带箭头实线为料流方向；1是C1旋风筒，2是C2旋风筒，3是C3旋风筒，4是C4旋风筒，5是C5旋风筒，6是圆盘预脱羟基炉，6-1是圆盘预脱羟基炉燃烧器，7是窑尾烟室，8是回转窑，9是窑头罩，10是蓖式冷却机，10-1是冷却机配套冷却风机，11是回转窑燃烧器，12是高温风机，13是窑内高温助燃空气，14是炉内高温助燃空气，15是至生砂料烘干系统管道，16是至废气处理管道，A是煤系高岭土岩生砂料，B是羟基脱除中间产物，C是莫来石型精铸型砂成品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的系统，其包括悬浮预热器、圆盘预脱羟基炉6、回转窑8、蓖式冷却机10，悬浮预热器由五级预热器C1-C5构成，煤系高岭土岩破碎后形成的生砂料A依次经悬浮预热器中第一级预热器C1的旋风筒1、第二级预热器C2的旋风筒2、第三级预热器C3的旋风筒3、第四级预热器C4的旋风筒4逐级预热后，送入圆盘预脱羟基炉6，再经圆盘预脱羟基炉6煅烧以脱除羟基后形成中间产物B，并由圆盘预脱羟基炉6将中间产物B送入最第五级预热器C5的旋风筒5，然后经第五级预热器C5收集预热后通过回转窑8的窑尾烟室7送入回转窑8，在回转窑8中进行煅烧晶型转变以得到莫来石型精铸型砂，最后由回转窑8将莫来石型精铸型砂送入蓖式冷却机10中处理后得到莫来石型精铸型砂成品C。

其中，第一级预热器C1旋风筒1的废气最终有高温风机12回收并向外输送。蓖式冷却机10流出的高温气体回收至回转窑8和圆盘预脱羟基炉6内。

本实施例煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的工艺包括以下步骤：

步骤1、将含水分小于1%的块状煤系高岭土岩破碎，制成生砂粒度≤5mm的生砂料，要求生砂料中含-150目小于3%，-10目含量大于55%，再由斗式提升机等输送设备送入生砂料均化库，均化后的生砂料经稳流计量后由斗式提升机送入悬浮预热器。

步骤2、采用悬浮预热器对生砂料A进行预热，将生砂料A喂入预热器C1的旋风筒1进口管道，经预热器C1~C4的旋风筒1、2、3、4逐级预热，由预热器C4的旋风筒4收集后送入圆盘预脱羟基炉6。

本实施例中，预热器C1旋风筒1出口高温废气由余热回收装置回收部分热量后，经高温风机12送至废气除尘系统16或者生砂料烘干系统15。

预热器的配置为四级，即C1-C4，但不限于此，还可以为五级或三级。

预热器的配置为单系列，即C1-C4为一列，但不限于此，还可以为二列并列。

本实施例中，圆盘预脱羟基炉6由固定外壳的环形脱羟室（配有燃烧器6-1）、中心柱以及底部水平转盘组成。脱羟室燃烧器6-1实现燃料燃烧，为生砂料A脱除羟基提供热量，并生成偏高岭土晶相高占比的中间产物B。

本实施例中，圆盘预脱羟基炉6，其传动由两个驱动电机通过变频调速控制，根据生砂料喂料量的大小、生砂料粒度及水分，通过调节脱羟基炉转速控制生砂料在炉盘上的停留时间，脱羟基时间可控制在5min~30min，可有效控制的中间产物B偏高岭土晶相占比。

本实施例中，所述的圆盘预脱羟基炉6和回转窑8所用的燃料是煤、天然气、燃油、石油焦中的一种或多种混烧。同时圆盘预脱羟基炉6燃料可采用生物质气，能够使燃料成本下降，实现低碳化。

本实施例中，圆盘预脱羟基炉6炉内煅烧温度控制在800~850℃，圆盘预脱羟基炉出口温度控制在780~800℃。

上述工艺过程主要为生砂料A预热、羟基预脱除，其主要反应如下：

100~110℃，湿存水（大气吸附水）与自由水（吸湿水）的排除；

110~400℃，其他矿物杂质带入水的排除（如多水高岭石中的水）；

400~450℃，晶格水开始缓慢排除；

450~550℃，晶格水快速排出；

500~800 ℃，脱水缓慢进行；

800~925℃，残余水排除完毕。

步骤3、由预热器C5旋风筒5收集预热后的中间产物B送入回转窑8的窑头罩9并进入回转窑8内，经回转窑8高温煅烧进行晶型转变，通过控制窑速和回转窑燃烧器11的火焰温度、形状，得到优质的莫来石型精铸型砂。其中，回转窑燃烧器11的火焰温度控制在1400~1450℃，形状控制在任何断面上保持圆形，纵向剖面应为棒槌形。

上述工艺过程主要为高温晶型转变，其主要反应如下：

在925~980 ℃：

2(Al2O3•2SiO2)（偏高岭石）→2Al2O3•3SiO2（硅铝尖晶石）+SiO2

在1 050~1 100 ℃：

2Al2O3•3SiO2→2 (Al2O3• SiO2) （似莫来石）+SiO2 （方石英）

在1 200~1 400 ℃：

3（Al2O3•SiO2）→3Al2O3•2SiO2（莫来石）+SiO2（方石英）

在1 200~1 400 ℃：

3（Al2O3•SiO2）→3Al2O3•2SiO2（莫来石）+SiO2（方石英）

在1 400~1 550 ℃：

SiO2（方石英）→SiO2（非晶态）

经1400~1550℃继续高温煅烧后，莫来石型精铸型砂的莫来石晶相不变，方石英晶体则消失，均布在玻璃体中，最终形成单一莫来石晶体产物。

步骤4、出回转窑8的莫来石型精铸型砂采用篦式冷却机10冷却，降低莫来石型精铸型砂温度，回收热量、节省能源。莫来石型精铸型砂由1300~1350℃降低至60~80℃，由篦式冷却机10配置的冷却风机10-1提供的冷却空气经热交换被加热成高温气体，一部分作为回转窑8内高温助燃空气13进入窑内燃烧，一部分作为圆盘预脱羟基炉6内高温助燃空气14进入炉内燃烧，多余高温气体可做烘干磨或烘干机的热源。

同时利用篦式冷却机10尾部辊破，对煅烧产品进行初步破碎、解聚、整形，将烧结的假团打散，去除颗粒尖棱，最终得到莫来石型精铸型砂成品C。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备精铸型砂的工艺，其特征在于，所述的制备精铸型砂的工艺所采用的系统，包括悬浮预热器、圆盘预脱羟基炉、回转窑、篦式冷却机，所述悬浮预热器由多级预热器构成，煤系高岭土岩破碎后形成的生砂料经悬浮预热器中第一级预热器旋风筒至倒数第二级预热器旋风筒逐级预热后送入所述圆盘预脱羟基炉，再经圆盘预脱羟基炉煅烧以脱除羟基后形成中间产物，并由圆盘预脱羟基炉将中间产物送入最后一级预热器，然后经最后一级预热器收集预热后送入所述回转窑进行煅烧晶型转变以得到莫来石型精铸型砂，最后由回转窑将莫来石型精铸型砂送入所述篦式冷却机中处理后得到精铸型砂成品；

所述的制备精铸型砂的工艺所采用的系统，还包括高温风机，所述高温风机回收第一级预热器旋风筒的废气并向外输送；

所述篦式冷却机流出的高温气体回收至所述回转窑和圆盘预脱羟基炉内；

所述的圆盘预脱羟基炉由固定外壳的环形脱羟室、中心柱以及底部水平转盘组成，所述的环形脱羟室配有燃烧器；

所述的圆盘预脱羟基炉传动由两个驱动电机通过变频调速控制，根据生砂料喂料量的大小、生砂料粒度及水分，通过调节脱羟基炉转速控制生砂料在炉盘上的停留时间；

所述系统的煤系高岭土岩预脱羟基煅烧制备工艺，包括以下步骤：

步骤1、将煤系高岭土岩破碎形成生砂料，然后对生砂料进行均化后送入所述悬浮预热器中第一级预热器旋风筒；

步骤2、令悬浮预热器中第一级预热器旋风筒至倒数第二级预热器旋风筒逐级依次对所述生砂料进行预热后，由倒数第二级预热器旋风筒收集送入所述圆盘预脱羟基炉，然后令圆盘预脱羟基炉对生砂料进行煅烧以脱除羟基，生成偏高岭土晶相高占比的中间产物；

步骤3、通过最后一级预热器旋风筒收集预热后的中间产物并送入所述回转窑，令回转窑对所述中间产物高温煅烧以进行晶型转变，通过控制回转窑的窑速和回转窑配置的燃烧器火焰温度、形状，得到莫来石型精铸型砂；

步骤4、令回转窑将得到的莫来石型精铸型砂输送至篦式冷却机进行冷却，通过篦式冷却机使莫来石型精铸型砂温度降低至60~80℃，得到精铸型砂成品；

步骤1中，选用的煤系高岭土岩为含水分小于1%的块状煤系高岭土岩，破碎后制成的生砂料粒度≤5mm，生砂料中含-150目小于3%，-10目含量大于55%；

步骤2中，圆盘预脱羟基炉内煅烧温度控制在800~850℃，圆盘预脱羟基炉出口温度控制在780~800℃，脱羟基时间可控制在5min~30min；

步骤3中，回转窑的窑速控制在0.2~2.0转/分钟且变频可调，回转窑配置的燃烧器火焰温度控制在1400~1450℃，火焰形状控制在任何断面上保持圆形，纵向剖面应为棒槌形；

步骤4中冷却后得到的精铸型砂成品，再通过篦式冷却机尾部辊破进行初步破碎、解聚、整形，以将烧结的假团打散并去除颗粒尖棱。