舊砂再生工藝探索與應(yīng)用

齊亞平，李克強(qiáng)，劉 婧，王 超，李兆健

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

舊砂再生工藝探索與應(yīng)用

齊亞平，李克強(qiáng)，劉 婧，王 超，李兆健

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

通過對再生砂生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)和歸納總結(jié)，同時(shí)分析不同的廢砂對再生砂質(zhì)量的影響。對舊砂再生工藝進(jìn)行探索、研究與應(yīng)用，保證再生砂質(zhì)量符合生產(chǎn)需求。通過生產(chǎn)驗(yàn)證，再生砂生產(chǎn)成本較低，質(zhì)量滿足要求。

粘土砂鑄造；舊砂再生；應(yīng)用

我國鑄造企業(yè)中排放的固體廢棄物主要是廢舊砂，出產(chǎn)鑄件和廢砂的比例大約為1∶1[1]，每年約產(chǎn)生3 000多萬噸廢砂，而且我國廢舊砂的再生回用率極低，大部分被排放傾倒，既侵占土地又造成了環(huán)境污染、資源浪費(fèi)。解決我國廢舊砂污染的治本之策是廢舊砂循環(huán)再生，最大限度的利用砂資源、大幅度減少和杜絕廢棄物排放，最大限度創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富，最低限度消耗自然資源。

目前國內(nèi)的有識(shí)之士已經(jīng)意識(shí)到廢砂排放的社會(huì)后果，不少企業(yè)紛紛開始引進(jìn)或研制再生砂技術(shù)和設(shè)備、積極投入到舊砂再生的實(shí)踐應(yīng)用中。

在廣泛應(yīng)用粘土砂造型的鑄造業(yè)，再生砂不僅可以用于替代濕砂造型補(bǔ)加新砂，也可以用于替代制芯用新砂。

國內(nèi)舊砂再生技術(shù)中較為成熟的是樹脂砂再生工藝，一般采用冷法或熱法工藝，就可以去除掉舊砂表面的樹脂膜。而我國廢砂大部分是粘土舊砂，粘土舊砂再生要比樹脂砂再生困難的多，其再生難點(diǎn)關(guān)鍵在于去除掉粘土舊砂表面的惰性死粘土膜。

1 舊砂再生原理

目前舊砂再生技術(shù)包括干法再生、濕法再生等方式。干法再生又分為冷法再生和熱法再生（加熱焙燒）兩種；熱法再生是指廢砂、廢芯經(jīng)過焙燒爐焙燒后再由機(jī)械研磨或氣力摩擦后分選而成。就國內(nèi)所見，濕法再生有水擦洗加烘干分選和水擦洗加活化處理加烘干分選兩種方式。

不同的方式又有各自的特點(diǎn)。就濕法再生而言，占地多、耗水大，但再生砂產(chǎn)品性能較其它方法要優(yōu)越、穩(wěn)定性好；而熱法再生相對而言耗能較大、再生砂產(chǎn)品性能較濕法再生差一些。

1.1 冷法再生

冷法再生是通過砂粒及砂粒和設(shè)備間的相互沖擊和擦磨去除一些砂粒表面的死粘土膜、灰分等雜質(zhì)，生產(chǎn)的再生砂質(zhì)量較差。冷法再生方式包括機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械離心、機(jī)械研磨和氣力再生等。冷法再生工藝流程如圖1所示。

圖1 冷法再生工藝流程圖

1.2 熱法再生

熱法再生是將舊砂在焙燒爐中焙燒，使舊砂中的樹脂膜和煤粉等可燃材料在高溫下氣化和燃燒，在爐內(nèi)完全去除。但是粘土中的蒙脫石在600～730 ℃失去結(jié)構(gòu)水，燒成堅(jiān)硬難溶于水的陶瓷狀硬塊，具有較高強(qiáng)度，在水中長時(shí)間浸泡也難以分散開。舊砂經(jīng)反復(fù)使用后，砂粒上包覆著這種失去濕態(tài)粘結(jié)作用的粘土膜，這層死粘土層不能被水洗掉，只能擦磨掉。

粘土舊砂焙燒溫度高于700 ℃時(shí)，由于砂粒表面粘土燒結(jié)，冷法再生就非常困難。所以焙燒溫度要設(shè)定在既能使魚卵石粘土膜與硅砂的結(jié)合力松散開裂，又要避免溫度太高使粘土膜燒結(jié)成陶瓷塊。舊砂焙燒以后附著在硅砂表面的少量非活性粘土可通過后續(xù)的機(jī)械磨擦或研磨再生工藝清除[2]。

熱法再生按照焙燒溫度不同可以分成兩種，即高溫焙燒再生和低溫焙燒再生。它們的優(yōu)劣勢比較見表1。

表1 熱法再生不同焙燒溫度對比[3]

從比較高溫焙燒再生和低溫焙燒再生的結(jié)果很容易得出如下結(jié)論：低溫焙燒熱法再生是鑄造廢砂再生的最好選擇，我廠使用670~690 ℃的焙燒溫度進(jìn)行舊砂再生，生產(chǎn)的再生砂質(zhì)量令人滿意。熱法再生工藝流程如圖2所示。

圖2 熱法再生工藝流程圖

1.3 濕法再生

濕法再生工藝最重要的工序?yàn)樗料?，通過水擦洗去除濕型砂中的膨潤土、煤粉等雜質(zhì)，水擦洗加活化處理的工藝能夠保證再生砂化學(xué)性能良好，有利于再生砂的循環(huán)應(yīng)用。濕法再生砂可以替代部分新砂使用，只是相比新砂，其粒度偏細(xì)，加入型砂會(huì)導(dǎo)致型砂粒度變細(xì)。

濕法再生工藝流程如圖3所示。

圖3 濕法再生砂工藝流程圖

2 舊砂再生技術(shù)在本公司的應(yīng)用

本公司處于北方，水資源較為匱乏，所以選用干法舊砂再生工藝，目前本公司有兩條再生砂生產(chǎn)線，分別為冷法再生生產(chǎn)線、熱法冷法再生生產(chǎn)線，兩條再生線舊砂來源不同。

2.1 冷法再生線

冷法再生線使用的舊砂是經(jīng)過澆注和時(shí)效處理的芯砂，沒有樹脂、煤粉、膨潤土等成分，需要去除的部分為粘附在砂粒表面的粉塵等雜質(zhì)，所以只需要進(jìn)行研磨即可。

冷法再生線的生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備和產(chǎn)品如圖4~6所示。

圖4 冷法再生線生產(chǎn)工藝流程

圖5 冷法再生線設(shè)備照片

圖6 冷法再生砂芯和冷法再生砂顯微照片

2.2 冷法再生砂生產(chǎn)使用情況

冷法再生砂使用的廢砂主要為退火砂，其中含有鉻礦砂，生產(chǎn)的再生砂顏色偏黑，使用再生砂制芯時(shí)按照再生砂與新砂比例1∶1制芯，用此配方制芯時(shí)廢芯率為0.5%，鑄件廢品率與使用100%新砂生產(chǎn)的鑄件廢品率基本一致，廢品缺陷種類以及比例一致,未曾發(fā)現(xiàn)由于使用再生砂制芯造成的缺陷。

2.3 熱法再生線

熱法再生線使用的舊砂來自造型線排出的舊砂，舊砂中含有大量的樹脂、砂芯、煤粉、膨潤土等，難以去除，需要將舊砂中的砂芯和砂團(tuán)破碎后，對舊砂進(jìn)行焙燒以便去除其中的煤粉、樹脂等燒掉，但是膨潤土在焙燒后會(huì)附著在砂粒表面形成硬殼，所以需要對焙燒后的砂粒進(jìn)行研磨。

熱法再生線的生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備和產(chǎn)品如圖7~9所示。

圖7 熱法再生線生產(chǎn)工藝流程

圖8 熱法再生線設(shè)備照片

圖9 熱法再生砂芯和熱法再生砂顯微照片

2.4 熱法再生砂生產(chǎn)使用情況

熱法再生砂使用的廢砂主要為造型線排廢，由于經(jīng)過焙燒，生產(chǎn)的再生砂顏色偏紅，使用再生砂制芯時(shí)按照再生砂與新砂比例1∶1~7∶3不等，制芯時(shí)廢芯率為2.0%和1.8%，鑄件廢品率與使用100%新砂生產(chǎn)的鑄件廢品率基本一致，廢品缺陷種類以及比例一致。澆注得到的鑄件的廢品率相當(dāng)，未曾發(fā)現(xiàn)由于使用再生砂制芯造成的缺陷。

3 再生砂和新砂質(zhì)量對比

3.1 芯砂性能對比

表2 再生砂與新砂粒度對比

由表2可以看出熱法再生砂相對冷法再生砂粒度偏細(xì)，判斷原因?yàn)槔浞ㄅf砂的粒度小于熱法舊砂，而且熱法再生線再生砂收得率相對較低，回收的舊砂粒度相對較大，兩條再生線生產(chǎn)的再生砂粒度相對新砂都偏細(xì)，應(yīng)用中需要注意。

表3 再生砂與新砂性能對比

由表3可知再生砂酸耗值、灼減量優(yōu)于新砂，熱法再生砂含泥量最少，冷法再生砂與新砂含泥量相差不大，總體性能再生砂優(yōu)于新砂。

3.2 芯砂制芯性能對比

表4 再生砂與新砂冷芯砂性能

表4的結(jié)果表明再生砂瞬時(shí)強(qiáng)度和24 h強(qiáng)度明顯優(yōu)于新砂。同時(shí)相同樹脂加入量的情況下再生砂發(fā)氣量小于新砂，總體性能再生砂優(yōu)于新砂。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證與成本核算

本公司從2013年6月起開始舊砂再生生產(chǎn)驗(yàn)證，舊砂經(jīng)再生處理后，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足工藝要求，含泥量、灼減量、發(fā)氣量及酸耗值等指標(biāo)優(yōu)于新砂。目前僅將再生砂用于制芯，共生產(chǎn)再生砂超過20 000 t，再生砂制芯過程中沒有發(fā)現(xiàn)異常，且生產(chǎn)的鑄件沒有發(fā)現(xiàn)使用再生砂造成的廢品。

根據(jù)目前的生產(chǎn)情況估算冷法再生線生產(chǎn)再生砂成本為68元/噸，熱法再生砂成本144元/噸，新砂的價(jià)格約為270元/噸，廢砂排廢的價(jià)格為15元/噸，再生砂價(jià)格滿足使用要求。

5 總結(jié)

本公司合理利用社會(huì)資源，有效結(jié)合熱法再生、冷法再生兩種工藝的特點(diǎn)，成功開發(fā)出適合本公司需求的干法舊砂再生工藝。

使用干法再生工藝生產(chǎn)的再生砂性能優(yōu)于新砂，成功應(yīng)用于本公司冷芯盒制芯生產(chǎn)，有效解決了舊砂排放問題，還可降低綜合生產(chǎn)成本，對本公司開展舊砂批量再生業(yè)務(wù)，建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)具有非常重要的意義。

[1] 郭景純，張方.鑄造舊砂再生設(shè)備及循環(huán)使用的開發(fā)與研究[J].鑄造設(shè)備與工藝，2009，（5）:45-50.

[2] 霍卯田. 鑄造潮模舊砂再生應(yīng)用[J].鑄造工程師,2008,(8):10.

[3] 熊鷹，孫偉民. 鑄造砂再生技術(shù)及應(yīng)用[J].中國鑄造活動(dòng)周論文集,2008:25.

[4] 龍威，樊自田.鑄造舊砂再生回用技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2012(2).

Exploration and application process sand reclamation

QI YaPing,LI KeQiang,LIU Jing,WANG Chao,LI ZhaoJian
(Weichai Power (weifang) Casting & Forging Co.,Ltd.,weifang 261001,Shandong,China)

Through experiments and summarized on the reclaimed sand production process, and the impact of different waste sand on reclaimed sand quality. On sand reclamation technology exploration, research and application, to ensure the quality of reclaimed sand meets production needs. By production-proven, sand reclamation process have a lower cost, quality to meet the requirements.

clay sand casting; sand reclamation; applications

TG231.5；

A；

1006-9658（2017）02-0073-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.025

2016-09-20

稿件編號(hào):1609-1529

齊亞平（1969—），女， 高級(jí)工程師 . 主要從事鑄造工藝工作.