濕型砂舊砂熱法再生技術(shù)及再生砂性能

萬仁芳，熊　鷹，吳長松，韓　躍

（東風汽車公司鑄造一廠，湖北十堰442000）

濕型砂舊砂熱法再生技術(shù)及再生砂性能

萬仁芳，熊鷹，吳長松，韓躍

（東風汽車公司鑄造一廠，湖北十堰442000）

本文介紹了濕型舊砂的再生方法，認為熱-機械法再生是目前唯一既使舊砂達到芯砂使用標準，又不產(chǎn)生二次污染的砂再生方式；逐一分析了再生砂性能，包括SiO2含量、粒度和粒形、含泥量和微粒、灼燒減量、熱膨脹率、耗酸值、含水量、鮞?；龋赋鰸裥团f砂再生最重要的是控制好耗酸值、微粉含量和鮞?；?。

濕型舊砂；再生砂；耗酸值；鮞?；?/p>

鑄造工業(yè)是一項資源消耗和能源消耗都較大，且容易對環(huán)境造成污染的行業(yè)，致力節(jié)能減排、促進資源循環(huán)利用，是每一個鑄造工作者應盡的職責。

在我國或世界范圍內(nèi)，80%以上的鑄件是用砂型鑄造生產(chǎn)出來的。砂型鑄造包括濕型（黏土砂型）、樹脂砂型（含殼型）、水玻璃砂型、精鑄砂型等。濕型生產(chǎn)的砂鐵比約為（6~8）∶1，其他砂型的砂鐵比則約為（1.3～2∶1）.濕型中的型砂澆注后有90%左右可在砂處理系統(tǒng)中回用，只有不到10%作為廢砂排出系統(tǒng)外，而其他砂型則在澆注后必須經(jīng)過再生處理才可使用，或者干脆作為廢砂排出系統(tǒng)外，因此砂型鑄造生產(chǎn)主要的固體廢棄物就是廢砂，占其總量的70%以上。一般來說，每生產(chǎn)1 t合格鑄件，要產(chǎn)生1t~1.3t廢砂。大量廢砂不僅浪費了資源，而且給鑄造廠周邊環(huán)境造成了很大危害。

上世紀70年代起，人們就致力于鑄造廢舊砂再生工作并取得一定成效，如自硬樹脂砂生產(chǎn)線，澆注后的舊砂均經(jīng)過破碎、磁選及干法再生（機械摩擦），又用于造型、制芯；殼型或冷芯、熱芯等樹脂砂芯，通過熱法（焚燒法）再生，可完全代替新砂用于制芯或制型。當前，舊砂再生的難點在于以下三類舊砂：①含樹脂砂芯的濕型黏土舊砂（混合舊砂），②水玻璃舊砂，③酯硬化堿性酚醛樹脂舊砂[1，2】[3]。

1　濕型黏土舊砂（混合舊砂）再生方法

濕砂型是以膨潤土為粘結(jié)劑，加以煤粉或少量淀粉類物質(zhì)和水混制而成，故也稱黏土砂型。濕型鑄造所用砂芯則基本上都是樹脂砂芯，如殼芯、熱芯盒芯、冷芯盒芯等。澆注后落砂的舊砂中總是黏土砂中混有樹脂砂芯。這種混合舊砂中，既有芯砂表面附著的樹脂膜，又有黏土砂中的煤粉和砂表面的死黏土膜。通常所用的再生方法中，單純的濕法再生雖可去除死黏土膜、煤粉等，但無法洗去樹脂膜；單純的干法（如氣流再生法）更是無法達到再生砂的質(zhì)量要求。其再生方法，按《鑄造行業(yè)‘十三五’技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》第16章“環(huán)保與安全”中的提法，認為只有“熱法再生是目前唯一既使舊砂達到芯砂使用標準，又不產(chǎn)生二次污染的砂再生方式”。這里所說的熱法實際上是熱-機械聯(lián)合再生法。

20世紀90年代，美國就成功地用熱-機械法再生黏土舊砂，如美國sheppard鑄造廠在1989年建成濕型砂再生系統(tǒng)，舊砂先經(jīng)破碎機破碎，磁選，677℃和816℃兩級旋轉(zhuǎn)滾筒加熱爐，焙燒時間約40min，然后由氣力輸送擦磨管，帶沖擊靶板分選器剝除表面黏土膜，使舊砂得到再生。又如通用汽車公司1994年在saginaw的可鍛鑄鐵廠建成一套濕型舊砂用熱-機械再生系統(tǒng)，其中包括回轉(zhuǎn)破碎、磁選，760℃沸騰焙燒去除粘結(jié)劑，冷卻擦磨和去除粉塵。

不過在歐洲和日本以及我國先期進行濕型砂再生的工廠卻發(fā)現(xiàn)使用熱-機械法再生砂的效果并不像美國工廠那樣成功，主要是舊砂焙燒溫度過高和時間過長會將黏土燒結(jié)在砂粒上成為堅硬的燒結(jié)層，隨后的擦磨處理難以完全去掉，而且再生砂耗酸值高，難以制熱芯和冷盒砂芯。如今，長江造型材料公司經(jīng)過十多年的探索、不斷改進，已解決了這個難題。該公司黏土舊砂再生流程圖如圖1所示。

圖1　黏土舊砂再生流程

2　再生砂性能

國標GB/T5611-1998《鑄造術(shù)語》中對再生砂的定義是：“舊砂經(jīng)再生處理，去除或部分去除砂粒表面的殘留粘結(jié)劑等雜質(zhì)，恢復到接近新砂的性能，這種砂稱作再生砂”。也就是說，再生砂的優(yōu)劣，就是看恢復到新砂性能的程度。下面按國標《鑄造硅砂》的要求，對其性能逐一進行分析。

2.1SiO2含量

再生砂的SiO2含量與產(chǎn)生舊砂的原砂有關(guān)，若原砂SiO2高，則再生砂SiO2也高。因為再生過程基本上是物理變化過程，即使焙燒時發(fā)生了一些化學變化，但因焙燒溫度遠低于SiO2熔點，也低于長石類物質(zhì)的熔點，因此對SiO2含量不會產(chǎn)生任何影響。不過在機械擦磨過程中，長石類物質(zhì)容易粉化而被除塵時抽走，因此可能對SiO2含量較低的原砂再生后其SiO2可能會顯得比原砂更高一些。

表1是黏土舊砂再生砂和內(nèi)蒙鑄造硅砂的化學元素分析，從表中可以看出，兩者在成分上并沒有太大差別。

表1　再生砂的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.2粒度和粒形

盡管采用了擦磨、撞擊等較強的機械方法再生，但也不會存在再生過程粒度過細的問題，因為再生過程中最后一道工序是篩分分級，完全可以按照需要進行級配。如果再生過程中分選力度過大，反而有粒度趨粗的傾向。

表2是長江公司十堰分公司和昆明分公司的兩組數(shù)據(jù)，可看出再生過程中的粒度變化。

表2　廢砂再生不同工序的性能對比

角形系數(shù)與原砂有關(guān)，顯然再生后砂的粒形只會變得更圓一些，一般情況下粒形的變化可以忽略不計。

2.3含泥量和微粉含量

含泥量指<0.02mm的顆粒，微粉指≤0.075 mm（相當于200目）的顆粒，再生砂中含泥量與微粉含量與機械搓擦次數(shù)和除塵風機能力有關(guān)，是可以控制的，一般含泥量可在0.5%以下，若有必要也可控制在0.2%以下，微粉含量一般也都≤1.5%.

2.4灼燒減量

濕型舊砂經(jīng)熱-機械法再生后，砂粒表面的樹脂膜或黏土膜可以去除的很徹底，因此其灼燒量很低，都在0.2%以下，相當一部分小于0.1%.同理，其發(fā)氣量也很低，約在3ml/g左右，與焙燒砂相當。

2.5熱膨脹率

熱膨脹率低是再生砂的又一突出優(yōu)點。再生砂熱膨脹率較低的原因，一是因為硅砂經(jīng)多次澆注使用后完成了石英的相變，減少了高溫膨脹量；二是因為經(jīng)高溫后硅砂中的鉀長石、鈉長石部分轉(zhuǎn)變?yōu)殁}長石，也降低了硅砂的高溫膨脹量。以東風汽車公司生產(chǎn)實踐為例：鑄造一廠某4缸缸體水套芯，原用焙燒砂覆膜砂制作殼芯，鑄件經(jīng)常出現(xiàn)變形問題，后改用再生砂覆膜砂制殼芯，問題得到解決。鑄造二廠三車間冷芯原用福建海砂，時有脈紋缺陷出現(xiàn)，后改用再生砂制作冷芯，不僅提高了砂芯強度，而且解決了脈紋問題，鑄件粘砂，氣孔等缺陷也較福建砂要少。軸瓦廠采用100%再生砂制作冷芯，大大提高了鋁活塞鑄件的表面質(zhì)量，減輕了清砂的工作量。

2.6耗酸值

如何控制濕型再生砂的耗酸值是熱-機械法再生的一大難點。很多黏土舊砂再生砂的耗酸值都在5 ml以上，甚至超過10 ml.按于震宗教授解釋[4]，這是因為我國工廠的濕型砂粘結(jié)劑多為鈉化膨潤土，鈉化膨潤土是鈣基膨潤土中加入了3.5%~4%的Na2CO3后混料而成。Na2CO3是一種高溫溶劑，能夠減低膨潤土的熔點，高溫焙燒使膨潤土膜較牢地包覆砂粒表面，機械再生過程中不易剝落。而且砂粒外殘留黏土膜中的Na2CO3和被交換出來的CaCO3受熱反應成為Na2O和CaO，遇到水會成為NaOH和Ca(OH）2，都具有強堿性，故使耗酸值提高，不利于冷、熱芯盒的固化。而美國鑄造工廠一般是鈣基膨潤土和天然鈉基膨潤土各半使用，甚至2/3天然鈉基和1/3鈣土混合使用。美國天然鈉土其碳酸鹽含量不超過0.7%，舊砂焙燒后的表面殘留膨潤土既不易形成堅固的外殼影響破除，又不會呈現(xiàn)強堿性影響到冷、熱芯盒砂的固化。

除了于教授所說原因外，還有中國工廠的管理問題，國內(nèi)工廠都把廢舊砂視作垃圾，經(jīng)常把一些工廠的固體廢棄物如爐渣、泥塊、耐火材料甚至清掃垃圾統(tǒng)統(tǒng)混入黏土舊砂中，增加了很多不易清除的堿性物質(zhì)和粉塵。長江公司經(jīng)過長期探索與實踐，尋找了一條“加強黏土舊砂再生預處理、適溫焙燒、多級機械再生和分級除塵”的方法，較好地解決了再生砂耗酸值高的難題。使再生砂的耗酸值做到了可控。如對覆膜砂用再生砂，其耗酸值可控制在8 ml以下，而對冷芯、熱芯用再生砂耗酸值可控制在5ml以下。耗酸值具體數(shù)據(jù)見表3.

2.7含水量

顯而易見熱-機械法再生砂的含水量很低，可以控制在0.2%以下，甚至更低。比濕法再生和鑄造硅砂（新砂）的含水量更低。

2.8鮞?；?/p>

表3　潮膜再生過程樣砂的測試結(jié)果

鮞?；菨裥宛ね僚f砂中的一個特殊問題。鮞化是指鑄造用黏土砂在高溫的作用下部分失效黏土包裹在砂的表面形成牢固的陶瓷層，即鮞化層，此鮞化層是以膨潤土燒結(jié)物為主體的，并包覆在砂表面上的一種多孔性玻璃狀物質(zhì)，除了膨潤土燒結(jié)物以外，還含有煤粉、硅粉等燃燒后的灰分和砂芯粘結(jié)劑的殘留灰分等成分。少量的（如6%以下）鮞?；瘜裥筒o大礙，由于多孔性的鮞化層內(nèi)部可以吸收水分，使?jié)裥蜕安灰赘稍?，保水性好；同時，鮞化層在金屬液澆注的高溫作用下會軟化熔融，緩解硅砂的熱膨脹，因而減少鑄件熱膨脹類缺陷。但對制芯用砂而言，鮞粒化是十分有害的，其吸水性以及包覆在砂粒表面的硬殼，會大大降低樹脂粘結(jié)橋的作用，使砂芯強度下降，而且鮞?；€降低芯砂的燒結(jié)溫度，降低了砂芯的高溫強度，因此，對鮞粒化應予以控制。有資料介紹[5]，用通過比重法測量純密度的方法（鮞粒化的密度為1.80 g/cm3，低于石英砂）或用磷酸去除耐火黏土殼（鮞粒化殼）并通過差重稱量可確定鮞?；?，但是具體步驟尚不明確，測量結(jié)果差異很大，尚有待進一步試驗。

近年來，長江公司對鮞化率的測試方法和鮞化率的影響作了一些研究，得到以下一些結(jié)論：①對膨潤土，常溫下不會形成鮞化層，但在700℃焙燒60 min后約有46%的膨潤土被燒結(jié)成為死黏土，在1 300℃焙燒60 min，則幾乎全部成為成為死黏土；②對濕型黏土砂，在700℃焙燒60 min，其鮞化率為1.13%，在1 300℃焙燒60 min，其鮞化率為1.2%.將此舊砂重新混碾再在高溫下焙燒，鮞化率將隨之增加；③隨著焙燒溫度的提高，鮞化率提高，因此舊砂再生溫度不宜過高；④用磷酸處理是測試鮞化率的一個可行的辦法，磷酸可去除砂顆粒上的死燒過的黏土殼，包括在砂中存在的長石顆粒，只留下不溶于磷酸的石英顆粒。不過具體操作方法還需完善。

對原砂、焙燒砂和黏土再生砂砂粒表面進行了XRD測試，其結(jié)果見表4和圖1，其中圖1是黏土再生砂的XRD譜線圖。

圖1　黏土再生砂XRD譜線圖

表4　幾種砂的譜圖峰值

表5　鉀長石、鈉長石、鈣長石性能

從圖1、表4、表5中可見，原砂中的晶相結(jié)構(gòu)中除了二氧化硅為主要組分外，再就是鉀長石和鈉長石，鉀長石和鈉長石熔點相對較低，膨脹性較大，而再生后鈉長石與鈣轉(zhuǎn)化為鈣長石，使得再生潮模砂的膨脹變低，有利于鑄造應用。

鮞粒化同砂子的粒度有一定的對應關(guān)系[5]，砂粒越細鮞?；仍礁撸鐖D4所示。受此啟示，長江公司通過控制微粉含量和控制耗酸值，可以很好地控制鮞?；?，因此在黏土舊砂再生砂中，并沒有呈現(xiàn)出鮞粒化的不利影響來，換言之，長江公司的黏土舊砂再生砂，其鮞粒化度已控制在一個很低的范圍內(nèi)，其不利影響并未顯現(xiàn)。

3　總結(jié)

1）目前，舊砂再生的難點有三類：a）含有樹脂砂芯的濕型（黏土）舊砂；b）水玻璃舊砂；c）酯硬化堿性酚醛樹脂舊砂，其中濕型黏土舊砂因產(chǎn)量大，用量廣，解決這個難題的意義就顯得更為有意義。

2）熱法再生是目前唯一既使黏土舊砂達到芯砂使用標準，又不產(chǎn)生二次污染的再生方式。

3）真正意義上的再生砂，應是其性能能恢復到新砂性能，即再生砂既能用作鑄型的原砂，也能用作各類砂芯（熱芯、冷芯、有機粘結(jié)劑、無機粘結(jié)劑等等）的原砂.

4）通過“加強黏土舊砂再生預處理、適溫焙燒、多級機械再生、分級除塵”等一整套再生技術(shù)，簡言之也就是采用熱法+機械法，完全可以對濕型黏土舊砂進行再生，其再生砂能達到甚至優(yōu)于新砂的性能。

5）濕型黏土舊砂再生最重要的是控制好耗酸值，微粉含量和鮞?；取?/p>

6）為了控制這些指標，除了嚴格控制再生過程外，也要求鑄造企業(yè)加強對廢、舊砂的管理，希望對廢舊砂能做到“上不露天，下部沾地”，即廢舊砂也不能被雨淋，不能與地下的泥土混在一起，不能把廢舊砂視同垃圾。

圖4　顆粒組成成分的鮞粒化度

［1］萬仁芳，熊鷹.我國砂型鑄造中舊砂再生技術(shù)現(xiàn)狀及應用前景.現(xiàn)代鑄鐵［J］.2009（6）：18-22.

［2］熊鷹，吳長松.我國鑄造舊砂再生技術(shù)的進展及其應用［J］.2010中國鑄造活動周論文集，2010.

［3］中國機械工程學會鑄造分會.鑄造行業(yè)“十三五”技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要［R］.2015.

［4］于震宗.濕型舊砂再生處理的評述［J］.鑄造工程，2007，31（3）：1-7.

［5］桑德拉·本克.黏土型砂的再生、微塵和鮞?；皩π蜕疤匦院丸T造質(zhì)量的影響［J］.鑄造實踐中文版，2014（1）：15-19.

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1674-6694（2016）05-0030-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.010

2016-05-15

萬仁芳（1942-），男，研究員級高工。退休前在東風汽車公司鑄造一廠從事鑄造工藝、鑄造材料應用等工作。