含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性技術(shù)研究

孫清洲，郝學杰，杜航，孫益民，許榮福，任文成

（1.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101；2.山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，山東濟南250101；3.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250061）

含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性技術(shù)研究

孫清洲1，2，郝學杰1，杜航1，孫益民3，許榮福1，2，任文成1

（1.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東濟南250101；2.山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，山東濟南250101；3.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250061）

含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂與原砂相比，平均細度無明顯變化、粒形更加圓整、泥分含量降低、耗酸值較高，而再生砂混制冷芯盒樹脂砂的強度明顯下降，降低了其鑄造工藝性能。文章運用完全再生砂改性技術(shù)，采用加酸+烘干+機械搓擦+風選的改性工藝對含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性處理，并對其改性處理效果進行了驗證。結(jié)果表明：以鹽酸水溶液為改性劑對含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性，可明顯提高其混制冷芯盒樹脂砂時的鑄造工藝性能；含冷芯盒砂芯砂粘土砂的完全再生砂改性工藝適宜改性劑濃度為3 mol/L，均化時間為60 min；由含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性砂混制冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度均接近由同種新砂混制冷芯盒樹脂砂的性能。

粘土砂；冷芯盒；完全再生砂；改性

0 引言

“十二五”期間，我國倡導的節(jié)能環(huán)保，低碳生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提質(zhì)增效等“綠色鑄造”理念在鑄造行業(yè)得到了強化，但是鑄造廢砂等固體廢棄物再生循環(huán)利用率低仍然是鑄造行業(yè)發(fā)展中存在的一大問題［1-3］，為此提高鑄造企業(yè)廢（舊）砂再生循環(huán)利用率，減少鑄造廢砂的排放及新砂的使用，以保護環(huán)境和硅砂資源，對促進“綠色鑄造”的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義［4-5］。采用高溫脆化+機械再生+微粉分離的粘土舊砂完全再生工藝對含冷芯盒芯砂粘土砂進行完全再生獲得與和新砂相比，平均細度不發(fā)生明顯變化，粒形更趨向于圓整，泥分含量降低，耗酸值較高的完全再生砂［6］。與同種原砂相比，其在粒形、含泥量方面更有優(yōu)勢，但在混制冷芯盒樹脂砂時，發(fā)現(xiàn)完全再生砂的鑄造工藝性能遠低于同種新砂的鑄造工藝性能［7-8］，因而影響到粘土舊砂完全再生技術(shù)在含冷芯盒芯砂粘土砂再生中的應用，為此開展了含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性技術(shù)研究工作，力求通過對含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性處理，提高含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂的鑄造工藝性能，促進含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的回收利用，降低鑄造行業(yè)的廢砂排放，保護自然環(huán)境及硅砂資源［9］。

1 試驗儀器設備及材料

試驗用主要儀器及設備有TG71工業(yè)天平、JD200-3G電子天平、SSD電磁微震篩砂機、磁力加熱攪拌器、連續(xù)式洗砂機、電熱恒溫干燥箱（DGG-9070B型）、XQY-Ⅱ智能型砂強度儀、S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機，箱式電阻爐（SX2-5-12）、碾輪式粘土砂混砂機、機械搓擦磨輪再生機、冷芯盒樹脂砂砂芯制備硬化裝置和試驗用小型微粉分離負壓流化床等。

試驗用原材料有原砂（河北圍場砂）、再生砂（由圍場砂混制的含15%冷芯盒樹脂芯砂的粘土砂經(jīng)完全再生而獲得的再生砂，其性能見表1）、煤粉（山東平度產(chǎn)）、膨潤土（維科VF-10）、液態(tài)酚醛樹脂和異氰酸酯（濟南圣泉）、改性劑（自行配制的鹽酸水溶液）等。獲得再生砂的步驟有（1）制備冷芯盒樹脂砂芯砂稱取圍場砂新砂1 kg，按占新砂質(zhì)量1%分別稱取GP201液態(tài)酚醛樹脂10 g和GP202異氰酸酯

表1 原砂及含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂的主要性能指標

10 g，以圖1所示冷芯盒樹脂砂混制工藝在S2004

高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后立即用標準“8”字試樣模具制備抗拉強度試樣，將未硬化的冷芯盒樹脂砂“8”字試樣放入冷芯盒樹脂砂芯制備及硬化裝置中［10］。根據(jù)冷芯盒砂樣固化要求將三乙胺發(fā)生器的吹三乙胺壓力和清洗壓力均設為

0.2 MPa，將吹三乙胺時間和凈化時間分別設定為8

和20 s，并按此固化工藝參數(shù)對冷芯盒砂樣進行硬化處理，獲得冷芯盒樹脂砂抗拉強度標準“8”字試樣，將硬化后的冷芯盒樹脂砂試樣散?；?，作為混制含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的芯砂材料備用［11］。

圖1 冷芯盒樹脂砂混砂工藝圖

（2）制備含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂為貼近鑄造生產(chǎn)的實際，模擬實際鑄造生產(chǎn)過程中冷芯盒樹脂砂芯砂的混入過程，在混制粘土砂時將占原砂質(zhì)量15%的冷芯盒樹脂砂芯砂加入，其中砂子∶膨潤土∶煤粉為87∶8∶5，水分含量為占砂重的3%。將混制好的粘土砂自然風干后，經(jīng)“700℃高溫脆化處理+機械磨輪再生+風選處理”后獲得試驗所需的含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂［12］。

2 含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性工藝

按照鑄造用砂標準將含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂與同種新砂進行對比后發(fā)現(xiàn)，除耗酸值高之外，其余各項性能指標均優(yōu)于同種新砂，在混制冷芯盒樹脂砂時，由新砂混制的冷芯盒樹脂砂抗拉強度明顯高于由含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂混制的冷芯盒樹脂砂的抗拉強度，究其原因，主要是含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂耗酸值遠高于原砂耗酸值，所以通過酸處理改性使酸與完全再生砂表面的堿性物質(zhì)反應，減少堿性物質(zhì)對再生砂表面的污染［13-14］，降低了完全再生砂的耗酸值，使樹脂與固化劑更好地與再生砂粒表面接觸，以更好地發(fā)揮樹脂的粘結(jié)作用將成對再生砂改性的關鍵［15-16］。為此，將含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂的改性工藝初定為“加酸+烘干”（工藝1）、“加酸+烘干+風選”（工藝2）和“加酸+烘干+機械搓擦+風選”（工藝3）并開展了相應的研究工作。

取含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂1 kg，濃度為1 mol/L的鹽酸水溶液10 g，并將鹽酸水溶液加入到再生砂中用玻璃棒攪拌均勻，靜置60 min后放入烘干箱烘干至恒重，測得改性砂的含泥量為0.332%，得到由改性工藝1制備的改性砂。取上述改性砂放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，獲得由改性工藝2制備的改性砂，其含泥量為0. 243%［17］。取由改性工藝1獲得的改性砂，將其放入磨輪式再生機中搓擦5 min，然后放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，獲得由改性工藝3制備的改性砂，其含泥量為0.187%。分別取新砂、含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂以及采用上述三種改性工藝所獲得的改性砂1 kg，以圖1所示冷芯盒樹脂砂混制工藝在S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后制作標準“8”字型砂抗拉強度試樣，并按固化工藝參數(shù)對試樣進行吹胺固化，得到固化后的冷芯盒樹脂砂抗拉強度標準“8”字試樣，測試其即時抗拉強度和1 h抗拉強度，試驗結(jié)果見表2。

表2 原砂及改性后再生砂混制冷芯盒樹脂砂時的抗拉強度

由表2可以看出，由改性工藝1獲得的改性砂的含泥量較改性前再生砂的含泥量有所上升，且高于同種新砂的含泥量，因為加酸改性后含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂砂粒表面的一些污染物因與酸反應而從砂粒表面脫落，表明加酸對粘土再生砂進行改性，有助于進一步清潔再生砂砂粒的表面，降低砂粒表面的污染物。改性工藝2和3與改性工藝1相比均增加了風選環(huán)節(jié)，由改性工藝2和3獲得的改性砂的含泥量低于由改性工藝1獲得的改性砂的含泥量，且均低于同種新砂的泥分含量，風選使改性后再生砂中的泥分進一步降低。由改性砂混制的冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度高于由未改性的完全再生砂混制的冷芯盒樹脂砂的。由改性工藝3獲得的改性砂混制冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度為最高。由此可知，對完全再生砂進行加酸改性可以提高由其混制冷芯盒樹脂砂的性能，對含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂進行化學改性可行有效，且改性工藝3所獲得的改性砂鑄造工藝性能最佳。

3 含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性參數(shù)的確定

3.1 含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性劑加入量的確定

在改性劑濃度（1 mol/L鹽酸水溶液）不變的前提下，通過調(diào)整改性劑占砂子的質(zhì)量分數(shù)，以研究改性劑加入量對改性砂性能的影響規(guī)律。稱取一定質(zhì)量的含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂，分別按改性劑加入量占再生砂質(zhì)量的1%至6%混制改性砂，靜置60 min后放入烘干箱烘干至恒重，分別測試改性砂的耗酸值，試驗結(jié)果如圖2所示。將上述改性砂放入磨輪式再生機中搓擦5min，然后放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，得到含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂的改性砂。分別稱取不同改性劑加入量的改性砂1 kg，按圖1所示冷芯盒樹脂砂混砂工藝在S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后制備標準“8”字型砂抗拉強度試樣，并按固化工藝參數(shù)進行吹胺固化處理，待冷芯盒樹脂砂試樣固化后，獲得冷芯盒樹脂砂芯砂抗拉強度標準“8”字試樣，測量其即時抗拉強度，并靜置1 h后測量其1 h抗拉強度，如圖3所示。

由圖2、3可以看出，含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂的耗酸值隨著改性劑加入量增加而不斷降低，且由改性砂混制冷芯盒樹脂砂時，發(fā)現(xiàn)其即時抗拉強度和1 h抗拉強度均有不同程度的提高，當改性劑加入量占砂子質(zhì)量的3%時，由經(jīng)過加酸改性處理后的改性砂混制冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度均達到了最大值；當改性劑占完全再生砂的質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加時，由改性砂混制的冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度逐漸降低。改性劑占砂子質(zhì)量3%時改性砂的耗酸值約為1 mL，由此可以看出，當改性砂耗酸時，改性后再生砂的耗酸值越低，由改性砂混制冷芯盒樹脂砂的抗拉強度越高。改性砂由耗酸變?yōu)楹膲A時，改性砂的酸性越強，由改性砂混制冷芯盒樹脂砂的強度越低。

圖2 改性劑加入量對再生砂耗酸值的影響圖

圖3 改性劑加入量對冷芯盒樹脂砂抗拉強度的影響圖

3.2 含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性均化時間的確定

將加入改性劑后再生砂的放置時間定義為再生砂的改性均化時間。為了確定含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性時的最佳均化時間，通過改變再生砂加入改性劑后的放置時間，研究均化時間對改性砂鑄造工藝性能的影響規(guī)律。稱取一定質(zhì)量含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂，按占砂子質(zhì)量的3%加入改性劑（1 mol/L鹽酸水溶液）混制改性砂，將改性劑與再生砂混勻后，以20 min為梯度，將均化時間設置在20至120 min區(qū)間內(nèi)，均化后放入烘干箱烘干至恒重，分別放入磨輪式再生機中搓擦5 min，最后放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，得到改性砂。分別稱取改性后經(jīng)不同時間均化處理的改性砂1 kg，按圖1所示，冷芯盒樹脂砂混砂工藝在S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后制備標準“8”字型砂抗拉強度試樣，并按固化工藝參數(shù)進行吹胺固化處理，待冷芯盒樹脂砂試樣固化后分別測試其即時抗拉強度和1 h抗拉強度，如圖4所示。

圖4 均化時間對改性砂混制冷芯盒樹脂砂抗拉強度的影響圖

由圖4可以看出，完全再生砂改性后混制冷芯盒樹脂砂時，其即時抗拉強度和1 h抗拉強度隨改性均化時間的延長而提高，當均化時間達到60 min時，由改性砂混制的冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度達到了最大值，繼續(xù)延長改性過程的均化時間，其即時抗拉強度、1 h抗拉強度均下降。主要是因為再生砂砂粒表面殘存的堿性物質(zhì)牢固地附著在砂粒表面，加酸對再生砂進行改性時，酸首先和最外層的堿性物質(zhì)進行反應，然后通過滲透才能進入殘存堿性物質(zhì)的內(nèi)部并與其進行進一步的化學反應，正是這種滲透延緩了改性劑和堿性物質(zhì)反應的時間。均化時間短導致改性劑與砂粒表面的堿性殘留物反應不完全，達不到最佳的改性效果；當均化時間過長時，酸與砂粒表面的殘留堿性物反應過度，不利于反應后的產(chǎn)物從砂粒表面脫落，同樣達不到最佳的改性效果。因此，含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂加入改性劑后的最佳均化時間為60 min。

3.3 含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂改性劑濃度的確定

為探索改性劑加入量對含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂改性后鑄造工藝性能的影響，在控制改性劑中溶質(zhì)質(zhì)量不變的情況下，通過調(diào)整改性劑濃度，調(diào)整改性時加入含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂中改性劑的加入量，研究改性劑加入量對改性砂鑄造工藝性能的影響規(guī)律。前期的研究表明，改性劑（1 mol/L鹽酸水溶液）加入量占再生砂質(zhì)量的3%時，改性砂的鑄造工藝性能最好，此時單位質(zhì)量再生砂中加入改性劑的溶質(zhì)量為最佳溶質(zhì)量，將改性劑加入量的變化梯度設為占砂子質(zhì)量的1%，改性劑加入量的變化范圍設為1%～6%，以加入最佳溶質(zhì)量為基礎，分別配置相應濃度的改性劑。將不同濃度的改性劑加入再生砂中混合均勻，靜置60 min后烘干至恒重，放入磨輪式再生機中搓擦5min，然后放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，得到改性砂。分別稱取不同改性劑加入量的改性砂1 kg，按圖1所示冷芯盒樹脂砂混砂工藝在S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后制備標準“8”字型砂抗拉強度試樣，并按固化工藝參數(shù)進行吹胺固化處理，待冷芯盒樹脂砂試樣固化后分別測試其即時抗拉強度和1 h抗拉強度，如圖5所示。

圖5 改性劑加入量對由改性砂混制的冷芯盒樹脂砂抗拉強度的影響圖

由圖5可以看出，在單位質(zhì)量再生砂中加入改性劑溶質(zhì)質(zhì)量不變的情況下，隨改性劑加入量的增加，由改性砂混制冷芯盒樹脂砂的即時和1 h抗拉強度降低，改性劑加入量占再生砂質(zhì)量的1%時，改性砂具有最佳的鑄造工藝性能。這是因為當改性劑中溶質(zhì)質(zhì)量不變的情況下，改性劑加入量為1%時，改性劑已可潤濕砂粒表面，繼續(xù)增加改性劑的加入量，改性劑將會在砂粒表面富集，富集的改性劑不利于改性后砂粒表面附著物的脫落，因而，降低了改性后再生砂的鑄造工藝性能。另外，根據(jù)經(jīng)驗，當液體和砂子混合時，液體占砂子質(zhì)量小于1%時，液體將不能完全潤濕砂粒的表面，因此在本研究中未對改性劑占砂子質(zhì)量1%以下的情況做進一步研究。

3.4 適宜改性工藝及工藝參數(shù)下改性砂的鑄造工藝性能

取含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂，按照“加酸+烘干+機械搓擦+風選”改性工藝，以改性劑占砂子質(zhì)量的1%，均化60 min后烘干，將砂子放入磨輪式再生機中搓擦5 min，放入試驗用小型負壓流化床中風選5 min，得到改性砂。稱取改性砂1 kg，按圖1所示冷芯盒樹脂砂混砂工藝在S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機中混制冷芯盒樹脂砂，出砂后制備標準“8”字型砂抗拉強度試樣，按固化工藝參數(shù)進行吹胺固化處理，待冷芯盒樹脂砂試樣固化后，測量其即時抗拉強度和1 h抗拉強度，見表3。

表3 由改性砂混制冷芯盒砂的型砂性能

由表2和3可以看出，在適宜改性工藝及改性工藝參數(shù)條件下，含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂經(jīng)改性處理后，其即時抗拉強度和1 h抗拉強度比未改性的再生砂有明顯提高，且接近由同種新砂混制冷芯盒樹脂砂時的即時抗拉強度和1 h抗拉強度。研究表明：含冷芯盒芯砂粘土砂的完全再生砂砂粒表面殘存的堿性死粘土是影響其混制冷芯盒樹脂砂鑄造工藝的因素，在適宜改性工藝參數(shù)下，可以將砂粒表面的堿性死粘土更好地去除，提高完全再生砂砂粒表面清潔度，降低其耗酸值和含泥量，混砂過程中使樹脂與砂粒更好地結(jié)合，從而提高其鑄造工藝性能，滿足鑄造生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）以鹽酸水溶液為改性劑對含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性，明顯提高了改性砂混制冷芯盒樹脂砂時的鑄造工藝性能。

（2）含冷芯盒砂芯砂粘土砂的完全再生砂適宜改性工藝為“加酸+烘干+機械搓擦+風選”，適宜改性劑濃度為3 mol/L，加入量為占砂子質(zhì)量的1%，均化時間為60 min。

（3）在適宜改性工藝及工藝參數(shù)條件下對含冷芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性，由改性砂混制冷芯盒樹脂砂的即時抗拉強度和1 h抗拉強度均接近由同種新砂混制冷芯盒樹脂砂的性能。

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（校慶約稿）

山東建筑大學材料加工工程學科——孫清洲教授

孫清洲教授現(xiàn)為二級教授，享受國務院特殊津貼專家，山東建筑大學校級教學名師，碩士生導師，山東建筑大學材料加工工程學科首席崗教授，山東省有突出貢獻的中青年專家，兼職山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心主任。

孫清洲教授多年來主要承擔材料成型工藝及設備的教學及科研工作，其教學研究成果獲得山東省高校優(yōu)秀教學成果三等獎1項、省實驗技術(shù)成果三等獎2項、校級優(yōu)秀教學成果獎2項，其主講的鑄造機械化課程被評為山東省精品課程；主持和承擔了多項縱向及橫向科研項目，其科研成果獲得國家科技進步獎提名教育部二等獎1項（首位）、山東省科技進步二、三等獎各1項（首位）、中國機械工業(yè)科技進步三等獎1項，山東省人文和社會科學三等獎1項及多項廳級獎勵，以首位獲得國家專利授權(quán)14項，其中發(fā)明專利授權(quán)6項；發(fā)表學術(shù)論文80余篇，其中：30余篇論文被SCI、EI收錄。

M odification technology of total reclamation sand reclaimed from the used green sand containing cold box resin sand

Sun Qingzhou1，2，Hao Xuejie1，Du Hang1，et al．
（1.School of Material Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Provincial Foundry Cleaner Production Engineering Technology Research Center，Jinan 250101，China）

Compared with the properties of the same base sand，the total reclamation sand reclaimed from the used green sand containing cold box resin sand are found that the AFS fineness is not changed much，the grain shape is near round，the mud content is lower，the acid demand value is higher，the strength of the cold box resin sand is lower than.Improving the casting technique properties of the cold box resin sand mixed by the sand reclaimed from the used green sand containing cold box resin sand，themodification technology of the total reclamation sand is researched.When the total reclamation sand is prepared with“added acid+drying+mechanical rubbing+separation of micro-powder”modification technology，the acid demand value of the reclamation sand ismuch lower than beforemodification has improved significantly.When themodifier concentration is 3mol/L，the amount ofmodifier putting into the reclamation sand is 1%of the reclamation sand weights，the laid up time after adding modifier is 60 minutes，the instant tensile strength is 1.282MPa and the 1h tensile strength is 1.538MPa of the cold box resin sand mixed by the reclamation sand.The instant tensile strength and the 1h tensile strength is best and near the tensile strength of the cold core box resin sand mixed by the base sand.

green sand；cold box resin sand；reclamation sand；modification

TG221

A

1673-7644（2016）06-0543-06

2016-10-26

山東省科技發(fā)展計劃項目（2014GSF116022）

孫清洲（1962-），男，教授，碩士，主要從事鑄造車間機械化、造型材料、鑄造清潔生產(chǎn)等方面的教學及研究工作. E-mail：qingzhousun@126.com