鑄造舊砂再生循環(huán)利用技術(shù)的應(yīng)用與研究

吳星（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州　545006）

?

鑄造舊砂再生循環(huán)利用技術(shù)的應(yīng)用與研究

吳星
（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006）

摘要：隨著機(jī)械制造業(yè)以及汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，我國已成為鑄件產(chǎn)量大國以及原材料的消耗大國.大量工業(yè)用砂一方面減少原砂資源，另一方面也在很大程度上破壞我國的生態(tài)環(huán)境.文章分析了舊砂作為固體廢棄物直接排放給生態(tài)環(huán)境帶來的危害，介紹了鑄造舊砂再生循環(huán)利用技術(shù)及其在提高鑄造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：鑄造；舊砂；再生循環(huán)利用

0　引言

我國2015年鑄件總產(chǎn)量約為5 120萬噸，已連續(xù)多年位居世界第一.如圖1所示，2005年我國鑄件產(chǎn)量為2 442萬噸/年，2015年增加到5 120萬噸/年，實(shí)現(xiàn)復(fù)合年增長率8.24%.通過對中國鑄造協(xié)會(huì)所發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，2016年我國鑄件總量可能達(dá)到5 300萬噸以上.因?yàn)樯靶丸T造所花費(fèi)的成本較少，還具備效率高、工藝設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是主要的造型工藝，砂型鑄造的產(chǎn)量產(chǎn)約占鑄件總量的70%以上.綜合相關(guān)數(shù)據(jù)分析，我國成功生產(chǎn)出1噸符合標(biāo)準(zhǔn)的砂型鑄件，都會(huì)有1噸～1.2噸舊砂被排放出來，有數(shù)據(jù)顯示，我國一年內(nèi)的舊砂排放量在5 500萬噸以上，其中很大一部分鑄造舊砂都是直接排放的，這不僅浪費(fèi)掉大量原砂資源，也給生態(tài)環(huán)境帶來極大的破壞.

圖 1 2005-2015年我國鑄件年產(chǎn)量和舊砂產(chǎn)生量及預(yù)測

1　鑄造舊砂直接排放的危害

伴隨機(jī)械產(chǎn)品的不斷發(fā)展，為滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜化和生產(chǎn)效率高效化的要求，在粘土濕型砂中使用樹脂粘結(jié)劑成為一種越來越普通的現(xiàn)象.通過對樹脂粘結(jié)劑的使用，不僅可提高型砂的工藝性能，還可以大幅度提升了鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量.在工廠流水線生產(chǎn)時(shí)，殼芯、熱芯盒芯和冷芯盒等樹脂砂芯的使用頻率非常高，常用于粘土濕型砂造型，由于樹脂砂的存在，使鑄造產(chǎn)生的舊砂成為含有樹脂芯砂的混合型舊砂.

我國鑄造舊砂重復(fù)利用率＜15%，大多數(shù)的舊砂通過填埋方式處理，如果根據(jù)舊砂存層為3米計(jì)算，每年需要占地超過3萬畝土地用于堆積舊砂，并需要補(bǔ)充4000萬立方米的新砂用于確保生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)，舊砂排放數(shù)量之驚人可以說是對自然資源的嚴(yán)重浪費(fèi).在舊砂中含有大量的醛、酚、苯鉀、異氰、硫化物等有害物質(zhì)，舊砂的未經(jīng)處理直接排放或用填埋的方式簡單處理，這些有害物質(zhì)經(jīng)雨水侵蝕會(huì)發(fā)生流動(dòng)轉(zhuǎn)移，給對水資源和環(huán)境帶來巨大的危害.

最近幾年，全球越來越重視環(huán)境問題，我國則不斷健全環(huán)境保護(hù)法，通過法律手段來嚴(yán)格規(guī)范鑄造廢砂排放的相關(guān)問題，鑄造企業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不僅要盡可能杜絕資源浪費(fèi)問題，還要為保護(hù)環(huán)境等貢獻(xiàn)一份力量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.鑄造企業(yè)的生產(chǎn)方式必須向固體廢棄物可持續(xù)循環(huán)利用方向發(fā)展，舊砂再生循環(huán)利用成為一個(gè)需要迫切解決的重要問題.

2　鑄造舊砂再生循環(huán)利用技術(shù)

2.1鑄造舊砂再生原理

GB/T26659—2011《鑄造用再生硅砂》國家標(biāo)準(zhǔn)對“鑄造用再生硅砂（Reclaimed silica sand for foundry）”定義為：鑄造使用過的硅砂舊砂經(jīng)過再生脫膜等工藝處理后性能滿足鑄造生產(chǎn)要求的硅砂［1］.

鑄造用砂總體分為水玻璃砂、粘土砂以及樹脂砂這三個(gè)種類.水玻璃砂主要是在硅砂中加入鈉（Na2O·mSiO2）水玻璃作為粘結(jié)劑.粘土砂主要為鑄件外型用砂，除了含85%以上的硅砂外，粘土砂還含有膨潤土和煤粉.樹脂砂主要作為芯砂使用，除硅砂外含有5%以下酚醛、呋喃等樹脂材料.由于在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)粘土砂與樹脂砂的使用時(shí)間大多都是同時(shí)進(jìn)行的，因此鑄造舊砂主要有濕型粘土舊砂、樹脂舊砂、水玻璃舊砂以及混合型舊砂這四大種類之分.舊砂的再生方法存有差異，得到的再生砂性能也有所差異，通過對我國的再生設(shè)備與工藝進(jìn)行分析，再生方法主要分為三大種類，依次是濕法再生、干法再生、熱法再生，除此之外，有時(shí)也會(huì)用到兩至三種方法聯(lián)合再生，具體分類如表2所示.

表2　鑄造舊砂再生原理

2.2混合型鑄造舊砂再生

鑄造生產(chǎn)中大多采用粘土砂生產(chǎn)，粘土砂往往混入不同比例的樹脂砂.對粘土砂型來說，由于澆注時(shí)高溫金屬液具有熱作用，從而破壞掉型腔表面砂子的粘土，使其變?yōu)榛曳植辉倬哂姓辰幽芰?，砂粒在高溫作用下還可能會(huì)變?yōu)榉蹓m.假設(shè)把舊砂簡單的篩分后回收利用，則含泥就會(huì)大大提高，在制備砂型時(shí)則需要比使用原砂時(shí)加入更多的水.如此反復(fù)使用，在鑄件澆注時(shí)容易生成氣體，造成鑄件上形成氣孔，導(dǎo)致鑄件不合格.

2.2.1混合型舊砂熱 機(jī)械法再生技術(shù)

1.3.2 低劑量組34例患腸內(nèi)營養(yǎng)速度為20 m L/h,第3天開始添加腸外營養(yǎng)從而達(dá)到能量目標(biāo),7天后逐漸增加腸內(nèi)營養(yǎng)供給量,逐漸增加至全量。

所謂的混合型舊砂，是粘土舊砂與樹脂舊砂這兩種舊砂混合物.在舊砂再生焙燒過程中，在焙燒溫度控制方面本著“適溫焙燒”的原則，即通過焙燒使舊砂中的可燃物質(zhì)燃燒，樹脂砂表面殘留的樹脂等燃燒分解掉.并在焙燒過程中使舊粘土砂表面的粘土膜由韌性膜變?yōu)榇嘈阅?，接下來利用機(jī)械干法逐步將脆性膜去除以達(dá)到再生的效果.熱―機(jī)械再生法采用最合適的焙燒溫度600～700℃，使舊砂表面樹脂充分燃燒分解的同時(shí)，又不至于使粘土砂表面發(fā)生陶瓷化，得到再生砂能滿足鑄造工藝要求，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于《鑄造用再生硅砂》國家標(biāo)準(zhǔn).

表3　再生砂與新砂性能對比

熱―機(jī)械法再生設(shè)備主要有破碎機(jī)、磁選機(jī)、焙燒爐、冷卻裝置、研磨裝置、粒度篩選機(jī)、成品砂倉、除塵器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等裝置，具有給料、破碎、磁選、焙燒、造粒、研磨、成品砂存儲(chǔ)等功能.具有節(jié)能特點(diǎn)的流動(dòng)焙燒爐是在熱法再生線中所應(yīng)用的主體設(shè)備，在交換器的輔助作用下，能夠?qū)⑦M(jìn)入爐內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，又因?yàn)榕f砂中具有殘?zhí)己蜆渲任镔|(zhì)，通過加熱使其充分燃燒，在此過程中的熱量可以作為焙燒的熱源.熱砂會(huì)在熱交換器中不斷流動(dòng)，逐步完成殘?zhí)课镔|(zhì)的燃燒，在此過程中交換器會(huì)將熱量吸收，在節(jié)省能源方面起到重要作用.舊砂中的殘?zhí)课镔|(zhì)在經(jīng)過充分燃燒之后，實(shí)現(xiàn)完全再生.焙燒后的砂經(jīng)粗級篩分機(jī)去除粘土球等大顆粒狀物、流動(dòng)冷卻槽降溫后被提升再進(jìn)入碾磨機(jī)進(jìn)行碾磨，經(jīng)兩級8軸碾磨后，再通過粒度篩分機(jī)分成兩種粒度提升到成品砂倉中.具體工藝流程如圖2所示. 2.2.2混合型舊砂濕法再生技術(shù)

圖2　混合型舊砂熱―機(jī)械法再生工藝流程圖

經(jīng)過落砂、磁選以及破碎處理之后，前處理磁選出的金屬物能夠回收利用，粘土舊砂需要繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的工序浸泡、水洗搓擦以及烘干等流程處理.濕法再生技術(shù)有一定的優(yōu)勢，能夠很好的去除舊砂中的死粘土以及灰分，其弊端是很難清除不溶于水的物質(zhì)，如樹脂、碳等，且存在濕法再生用水量、大量污水不易處理、濕砂烘干耗能大等次生污染問題.

2.3水玻璃舊砂再生

就水玻璃砂而言，其和粘土砂相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中主要包括易操作、型砂流動(dòng)輕松自如等.與樹脂砂對比，也具有成本低廉、環(huán)境好、無污染等優(yōu)點(diǎn).但水玻璃砂的主要缺點(diǎn)，有:（1）高溫澆注后砂粒表面上形成一種低熔點(diǎn)的硅酸鈉膠，牢固地粘附在砂粒表面不能燃燒分解，且一般磁選、篩分回用處理難以將惰性膜去除［2］.（2）型砂澆注后易結(jié)成團(tuán)塊，通常水玻璃舊砂塊難于破碎.（3）舊砂再生回用性差，舊砂中包含的強(qiáng)堿直接排放會(huì)污染周邊土地和水源.在回收再生循環(huán)過程中，不降低殘?jiān)蠳a2O的含量，將會(huì)在硅砂表面上產(chǎn)生一層惰性包膜.當(dāng)Na2O的含量〉0.8%時(shí)，型砂的耐火度和硬化強(qiáng)度將會(huì)急劇下降.因此，為了保證循環(huán)使用能夠順利進(jìn)行，就必須從根本上減少Na2O的實(shí)際含量.

2.3.1水玻璃舊砂濕法再生技術(shù)

水玻璃舊砂的再生一般采用濕法再生，是因?yàn)榕f砂當(dāng)中的粘結(jié)劑、強(qiáng)堿、酯溶于水，通過濕法再生能得到很好的清除.首先，對水玻璃舊砂進(jìn)行磁選，然后對澆注后形成的團(tuán)塊舊砂進(jìn)行粉碎、過篩處理得到細(xì)顆粒；其次，進(jìn)行二次磁選，再將舊砂浸泡在10～15倍的稀酸水當(dāng)中反復(fù)攪拌；最后，沖洗、干燥和冷卻后得到再生砂.濕法再生水玻璃舊砂的效果好，Na2O的脫膜率可達(dá)85%～95%，Na2O殘留量在0.15%左右，具體生產(chǎn)流程如下圖3.2.3.2水玻璃舊砂熱干法再生技術(shù)

圖3　水玻璃舊砂濕法再生工藝流程

對于水玻璃舊砂熱干法而言，將舊砂焙燒至300～350℃水玻璃膜中自由水、殘留的有機(jī)脂等便能燃燒殆盡，水玻璃表面覆蓋的韌性膜逐漸脆化.脆化水玻璃膜可以通過后續(xù)的機(jī)械搓擦和撞擊消除，在具體的生產(chǎn)過程中，風(fēng)選除塵是一項(xiàng)不可或缺的重要步驟，其主要作用就是及時(shí)地去除殘留的粘結(jié)劑膜.具體生產(chǎn)流程如圖4.

2.4濕型粘土舊砂機(jī)械干法再生

圖4　水玻璃舊砂熱干法再生工藝流程圖

濕型砂是整個(gè)鑄造行業(yè)中使用最普遍的、最高效的造型方式.一般來說，濕型砂主要是通過原砂、粘土以及水等原料配制而成的.具體的配制過程是，先將回用砂與新砂、膨潤土等進(jìn)行攪拌，再加入一定的水.當(dāng)具體的砂型塑造出來后，不需要經(jīng)過烘干處理，而直接進(jìn)行澆注的鑄型稱之為濕型.通常情況下，濕型具有如低成本、高生產(chǎn)率等特點(diǎn)；不過，濕型粘土鑄型也同樣具有一定的缺點(diǎn)，比如砂型強(qiáng)度極低、鑄件易產(chǎn)生夾砂、氣孔等.

一般而言，濕型粘土舊砂再生易操作、簡單經(jīng)濟(jì)的方法為機(jī)械干法再生.具體過程為舊砂經(jīng)過破碎以及磁選操作后，再在通過一到二級的干法機(jī)械搓擦完成再生.鑄鐵件LOI為2.5%～3.0%，采用一級；鑄鋼件可采用二級機(jī)械法再生，LOI為1.0%～2.0%，可實(shí)現(xiàn)90%以上舊砂回收率.由表4可以看到再生后仍有部分有效煤粉和有效膨潤土殘余，再生砂含泥量降低了40.4%；表5中采用再生砂混制的型砂，型砂的性能優(yōu)于用50%舊砂混制的型砂，不但強(qiáng)度、透氣性提高，型砂水分提高，還大大降低膨潤土、煤粉加入量.

表4　濕型粘土舊砂再生后的組分變化 （單位：%）

表5　再生砂和原工藝具體混制的相關(guān)配方和具體性能比較

3　舊砂再生利用是提高鑄造企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段

在工藝方面，通過熱干法對混合型鑄造舊砂進(jìn)行再生，去泥率可維持在百分之八十到百分之九十之間，燒灼減量LIO可降至0.2%以下.通過對表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，將再生砂用作覆膜砂時(shí)，摻入5%的再生砂和10%的再生砂均能使砂型的抗拉強(qiáng)度略有增加，將再生砂用作冷芯盒和熱芯盒時(shí)，摻入5%的再生砂和10%的再生砂芯盒抗拉強(qiáng)度略低于原砂砂型件的抗拉強(qiáng)度，但仍能符合鑄件生產(chǎn)的相關(guān)工藝要求.

表6　混合型舊砂再生處理后用于各種樹脂芯砂的強(qiáng)度　（單位：MPa）

在成本方面，通過對鑄造舊砂經(jīng)過再生脫膜等工藝處理后，再次作為原材料用于流水線生產(chǎn)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）通過對舊砂循環(huán)再生利用，能夠減少對原砂的需求量，不僅降低了采購的成本，也大幅度降低運(yùn)輸原砂的成本.如果工廠每年需要消耗10000噸左右的新砂，如果采用舊砂循環(huán)再生技術(shù)，每年至少可以節(jié)約7000～8000噸新砂的投入，從而減少新砂的采購費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用.（2）由于再生砂表面質(zhì)量較干凈，在配置型（芯）砂時(shí)，可大量減少輔料如膨潤土、煤粉、樹脂的使用量，減少了鑄件生產(chǎn)成本.（3）免去鑄造舊砂排放處置費(fèi)的開支，目前我國對鑄造固體垃圾的排放收費(fèi)上，北京、長三角地區(qū)每噸約收費(fèi)100元，珠三角地區(qū)每噸約收費(fèi)80元.

以珠三角地區(qū)某中型發(fā)動(dòng)機(jī)廠年型砂使用量5萬噸為例，使用再生砂進(jìn)行生產(chǎn)，每噸再生砂可為企業(yè)節(jié)約費(fèi)用：

A：新砂525元/噸（含運(yùn)費(fèi)）

B：無再生鑄造舊砂處置費(fèi)用80元/噸

C：再生砂360元/噸

A+B-C=525+80-360=245元/噸

年節(jié)約費(fèi)用：245元/噸×5萬噸=1225萬元

節(jié)約的費(fèi)用視為企業(yè)的新增利潤，所得稅稅率為25%，由此企業(yè)每年新增上繳所得稅1025×25%= 306.25萬元.

通過舉例可以發(fā)現(xiàn)，對鑄造舊砂作再生循環(huán)使用，能夠大幅度降低鑄件企業(yè)所排放的舊砂量，將廢品變?yōu)樾略?，這樣可以減少企業(yè)的成本投入，同時(shí)對保護(hù)環(huán)境也有著重要意義，并對實(shí)現(xiàn)資源的綜合循環(huán)利用具有積極的推動(dòng)作用.

綜上所述，對鑄造舊砂進(jìn)行回收再利用，有效提高了企業(yè)使用循環(huán)再生技術(shù)的能力，促進(jìn)工業(yè)固體廢棄物的資源化利用，變舊砂為有用材料，減少舊砂的排放，大大降低對環(huán)境的污染，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的雙贏.

［參考文獻(xiàn)］

［1］熊鷹，譚銳.國家標(biāo)準(zhǔn)《鑄造用再生硅砂》解讀［J］.鑄造，2013，62（1）：14-16.

［2］樊自田，王繼娜，黃乃瑜，董選普.水玻璃舊砂再生回用技術(shù)［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2007，27（3）：38-40.

［3］呂士海，吳彩云，徐海港，谷俊芳，戚玉慶.粘土砂舊砂再生的研究及生產(chǎn)應(yīng)用［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2008，28（3）：92-94.

（責(zé)任編輯：李潔坤）

The Application and Research on Recycling Technology Foundry Used Sand Reclamation

WU Xing
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liuzhou Vocational & Technical College，Liuzhou，Guangxi，545006 China）

Abstract:With the rapid development of machinery manufacturing and automobile industry，China has become a large casting production and raw material consumption. Using a large number of industrial sand reduces raw sand resource on the one hand，destructs the ecological environment on the other hand. This paper analyzes the sand as the solid waste emissions directly does harm to ecological environment and introduces the casting sand regeneration recycling technology and its application in improving economic efficiency of foundry enterprises.

Key words:foundry；used sand；recycling utilization

中圖分類號：TG221

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2126（2016）01-0131-05

［收稿日期］2016-01-11

［基金項(xiàng)目］2016年廣西教育廳中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“混合型鑄造舊砂再生循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究”。

［作者簡介］吳星（1980—），女，廣西柳州人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：金屬材料應(yīng)用方面的研究工作。