黏土潮模砂再生及冷芯盒制芯應用實踐

陳云龍，潘亮星，董海琨

（昆明云內動力股份有限公司，云南昆明 650500）

發(fā)動機缸體、缸蓋鑄造企業(yè)一般都采用樹脂砂制芯+黏土潮模砂造型的工藝方式來生產(chǎn)鑄件，由于砂芯較多，對鑄造用擦洗砂的需求量較大。以筆者所在公司為例，2015年生產(chǎn)缸體、缸蓋鑄件約18 030 t，總計消耗鑄造用砂約18 950 t，即平均每t合格鑄件約消耗1.05 t鑄造用砂。由于公司地理位置距離優(yōu)質砂源生產(chǎn)地較遠，運輸成本高，鑄造用砂的成本約占鑄件生產(chǎn)成本的10%左右，成本壓力較大。同時，鑄件開箱落砂后，大量的砂芯潰散混入舊砂進入砂處理系統(tǒng)，為保持造型線砂處理系統(tǒng)砂量平衡，必須將多出的舊砂作為廢砂排放。一般情況下，從總量平衡計算，鑄造企業(yè)每年的鑄造用砂量即是每年需排放的廢砂量，再加上黏土潮模砂添加的膨潤土、煤粉及砂芯使用的涂料及其它添加劑，鑄造企業(yè)排放的固體廢棄物數(shù)量更多。這些鑄造廢砂中含有有機樹脂粘接劑殘留的醛、酚、異氰、硫化物等有害物質，直接排放將對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的污染。隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，國家對環(huán)保執(zhí)法力度的加大，鑄造廢砂的排放成為鑄造企業(yè)普遍面臨的難題。鑄造廢砂的再生利用成為鑄造企業(yè)降低生產(chǎn)成本和解決廢砂排放難題的最有效途徑。

筆者所在公司通過和重慶長江造型材料集團合作，共同對黏土潮模廢砂再生處理后用于三乙胺硬化冷芯盒制芯生產(chǎn)進行技術攻關，成功將再生砂應用于實際生產(chǎn)，取得了良好的效果。

1 黏土潮模廢砂再生工藝及流程

1.1 黏土潮模舊砂成分及特性

筆者所在公司主要生產(chǎn)柴油機缸體、缸蓋鑄件，采用三乙胺硬化冷芯盒樹脂砂工藝生產(chǎn)缸體砂芯，采用熱芯盒覆膜砂工藝生產(chǎn)缸蓋砂芯，黏土潮模砂造型澆注鑄件。以缸體鑄造為例，單件缸體砂芯重量約為100 kg，造型用型砂量約為800 kg/箱，鑄件開箱落砂后，除部分未燒損潰散的芯頭，約有80%的芯砂潰散混入舊砂，即用于再生處理的鑄造廢砂成分（質量分數(shù)）大致為：黏土砂90%，樹脂砂10%，舊砂中還含有部分鐵屑顆粒。舊砂性能檢測數(shù)據(jù)見表1.

表1 用于再生的舊砂性能數(shù)據(jù)

根據(jù)相關資料文獻[1]，在黏土潮模砂澆注過程中，由于高溫鐵水的熱作用，包覆在硅砂砂粒表面的膨潤土失去晶格水，其晶體結構被破壞，燒損成為死黏土依附在砂粒表面，死黏土在高溫的反復作用下會燒結在砂粒表面，形成低熔點的燒結層如圖1所示。煤粉則在受熱時產(chǎn)生碳氫化物發(fā)生氣相熱解，析出一層帶有光澤的微細結晶碳，包覆于砂粒表面，使砂粒表面呈光亮的暗黑色如圖2所示。對于潰散混入舊砂中的樹脂砂，一部分直接與高溫鐵水接觸的砂粒表面會包覆樹脂炭化膜如圖3所示，而沒有與高溫鐵水接觸的砂粒表面則會保留一部分樹脂膜。這些砂粒表面殘留的物質與砂粒的結合強度較低，不利于樹脂砂制芯時樹脂和砂粒的結合，殘留的樹脂膜還會提高樹脂砂的發(fā)氣量，增加鑄件產(chǎn)生氣孔廢品的傾向。此外，為提高型砂的抗夾砂能力和熱穩(wěn)定性，膨潤土在生產(chǎn)時一般都要加入Na2CO3進行活化處理，殘留在砂粒表面的Na2CO3和CaCO3受熱分解生成Na2O和CaO，遇水會生成NaOH和Ca（OH）2，具有較強的堿性，不利于樹脂砂制芯硬化。所以舊砂再生的關鍵就在于去除砂粒表面的殘留物，降低耗酸值。

圖1 經(jīng)水洗的濕型舊砂

圖2 濕型舊砂

圖3 樹脂砂舊砂

1.2 再生工藝流程及特點

針對舊砂特性，云內舊砂再生處理主要采用熱法和機械再生的方式進行。再生工藝流程大致為：磁選→離心再生或振動破碎→焙燒→冷卻→離心擦膜→研磨→篩分冷卻→風選入庫。

整個再生系統(tǒng)采用的設備大致為：皮帶磁選機、離心再生機、振動破碎機、焙燒爐、冷卻床、離心擦膜設備、研磨再生機、篩分設備、斗提機、除塵系統(tǒng)等。

研究表明[2]，硅砂砂粒在受熱過程中其晶體結構會發(fā)生同素異構轉變。當受熱溫度超過573℃時，其晶體結構將發(fā)生α→β相轉變，產(chǎn)生約0.82%的相變膨脹，α→β相轉變是可逆的。當受熱溫度超過870℃時，其晶體結構將發(fā)生α→β鱗石英相轉變，為非可逆轉變。因此，提高熱法再生溫度，使其達到或超過硅砂的非可逆轉變溫度可以降低石英砂的熱膨脹性，有利于改善鑄件產(chǎn)生脈紋缺陷。但是，當加熱溫度超過600℃時，舊砂中的黏土晶體結構被破壞成為死黏土包覆于砂粒表面，形成難以去除的鮞化層。溫度越高，鮞化現(xiàn)象越嚴重，直接影響再生砂用于制芯的性能。因此，熱法再生的溫度不能太高，云內舊砂再生處理的焙燒溫度控制在600℃～680℃，這樣不僅保證了再生砂的性能，又節(jié)省了能源，降低了再生成本。

2 再生砂工藝性能研究

再生工藝調試初期，對再生砂和長江科左后旗擦洗砂各項性能指標進行實驗對比檢測，物化性能見表2.檢測數(shù)據(jù)表明，再生砂粒度分布和擦洗砂基本一致，只是140目和200目細砂含量和含泥量稍高。此外，其SiO2含量、耗酸值相對于擦洗砂基本一致，灼燒減量明顯低于擦洗砂。在顯微鏡下與擦洗砂對比觀測砂粒表面狀況，其中部分再生砂顆粒表面潔凈，基本達到擦洗砂顆粒表面的潔凈度，但部分再生砂砂粒表面有黃褐色的物質，其中還摻雜有部分黑色顆粒（見圖4、圖5、圖6）.

表2 再生砂物化性能

圖4 再生砂

圖5 再生砂

圖6 擦洗砂

結合物化檢測數(shù)據(jù)和顯微觀察分析，潮模舊砂經(jīng)再生處理后，砂粒表面殘留的煤粉和樹脂膜已經(jīng)基本去除，砂粒表面還殘留有部分膨潤土的燒結物，但從再生砂耗酸值與擦洗砂基本一致來看，再生砂中堿性物質已經(jīng)基本去除。為進一步驗證其工藝性能，采用三乙胺硬化冷芯樹脂配制芯砂試制標準“8”字試塊，進行對比交叉測試，測試數(shù)據(jù)見表3.

表3 再生砂1工藝性能數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)表明，在相同樹脂加入量和三乙胺吹氣量的條件下，采用再生砂配制的芯砂瞬時抗拉強度和24 h抗拉強度相對于擦洗砂略低，再生砂和擦洗砂以不同的比例混合配制的芯砂，再生砂的比例越高，則瞬時抗拉強度和24 h抗拉強度越低，表明再生砂工藝性能與擦洗砂相比還是有一定差距。

研究表明，在其它條件相同的情況下，對于鑄造用砂，影響樹脂砂強度的因素一般包括粒度分布狀況、砂粒表面圓整度、200目以下細粉含量、耗酸值等。從再生砂的物化性能和顯微觀察結果分析，與擦洗砂對比，該再生砂粒度分布狀況、砂粒表面圓整度及耗酸值與擦洗砂基本一致，而140目以下含量及含泥量稍高，部分再生砂顆粒表面潔凈度稍差。為進一步提高再生砂工藝性能，對再生工藝進行調整。首先是對再生砂的焙燒溫度控制范圍進行了調整，設定上限溫度由700℃調整為680℃，控制范圍精度進一步提高。由于舊砂中的殘留煤粉可燃，若進入焙燒爐的潮模舊砂過多，即使燃燒機已經(jīng)停止工作，焙燒爐的焙燒溫度也會超過控制溫度，因此對砂處理工部排放舊砂、清理工部排放舊砂、廢砂芯進行了分類存放管理，并將黏土舊砂和廢砂芯破碎砂按9：1的比例進行混合后進入再生系統(tǒng)處理。其次是對機械再生工藝進行調整，擦洗處理由3級增加到5級，以進一步提高再生砂砂粒的表面潔凈度。再次是對風選的風量進行調整，將細粉質量分數(shù)尤其是200目篩以下控制到≤0.3%.經(jīng)過多次調整驗證，再生砂的性能得到了明顯的提高，其砂粒表面潔凈度明顯改善，如圖7所示。

圖7 調整后再生砂

再生工藝調整后，再生砂工藝性能有所提高，檢測數(shù)據(jù)見表4.

表4 再生砂2工藝性能數(shù)據(jù)

3 再生砂在三乙胺硬化冷芯盒制芯的實際生產(chǎn)應用情況

工藝調試完成后，云內5 t/h再生線自2012年9月正式投產(chǎn)使用，再生率可達到80%以上（不含鑄造粉塵、水分），經(jīng)處理后的再生砂主要用于柴油機缸體鑄件砂芯的生產(chǎn)。按再生砂70%+擦洗砂30%的比例在新砂準備工部混合，通過沸騰冷卻床冷卻砂溫時，利用沸騰效果使再生砂和擦洗砂混合均勻入庫，最后輸送到制芯工部配砂制芯。冷芯樹脂加入質量分數(shù)兩組份各為砂重的0.68%～0.75%，生產(chǎn)用芯砂瞬時抗拉強度可達到1.1 MPa～1.3 MPa，24 h抗拉強度可達1.8 MPa～2.0 MPa，發(fā)氣量則控制在13 ml/g以下，生產(chǎn)的砂芯質量良好,如圖8所示，與用擦洗砂生產(chǎn)的砂芯無明顯差異。

圖8 再生砂砂芯

4 效益分析

由于云內距離優(yōu)質砂源地較遠，擦洗砂運輸成本較高，擦洗砂與再生砂的價格差異可達近300元/t，以每年用砂量1.8萬t計算，由于使用了70%的再生砂，每年可降低鑄造用砂使用成本約400萬元，經(jīng)濟效益顯著。此外，由于再生砂的大量使用，鑄造廢砂的排放量大大降低，減少了舊砂排放對生態(tài)環(huán)境造成的污染，社會效益顯著。

5 再生砂應用展望

為進一步降低鑄造用砂成本，采用質量更優(yōu)的長江科左后旗焙燒砂替代擦洗砂與再生砂混合，以焙燒砂10%+再生砂90%混合比例進行制芯生產(chǎn)。目前該工藝已通過批量生產(chǎn)性驗證，效果良好，使再生砂的生產(chǎn)與使用達到了平衡，進一步減少了鑄造廢砂的排放數(shù)量。鑒于再生砂在缸體鑄造三乙胺硬化冷芯制芯生產(chǎn)的成功應用，云內已啟動缸蓋制芯生產(chǎn)設備進行升級改造，擬將缸蓋鑄造由熱芯盒覆膜砂制芯工藝全部切換為三乙胺硬化冷芯盒制芯工藝。

6 結論

1）采用適當?shù)脑偕に嚰夹g對黏土潮模砂進行再生處理，再生砂可替代擦洗砂進行三乙胺硬化冷芯盒制芯生產(chǎn)。

2）再生砂質量控制的關鍵在于選取適當?shù)谋簾郎囟?，并通過機械再生的方式提高砂粒潔凈度。

3）用于再生的廢砂需分類存放管理，按一定比例混合后進行再生，有利于提高再生砂質量。

［1］ 熊鷹，吳長松.我國鑄造舊砂再生技術的進展及其應用［G］//2010年中國鑄造活動周論文集.沈陽：中國機械工程學會鑄造分會，2010.

［2］ 黃天佑.黏土潮模砂及其質量控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2016.