水玻璃鑄造舊砂再生方法及設(shè)備研究進(jìn)展

汪華方 徐雨哲 盧記軍

摘 要：水玻璃砂在綠色鑄造領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，但舊砂再生難題長(zhǎng)期困擾著鑄造與環(huán)保工作者。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了干法再生、濕法再生、加熱干法再生、化學(xué)再生、生物再生等水玻璃再生方法。對(duì)現(xiàn)有的幾種典型的水玻璃再生方法的原理及其設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，分析了各類(lèi)再生方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了課題組開(kāi)發(fā)的一系列水玻璃舊砂再生設(shè)備，認(rèn)為未來(lái)水玻璃舊砂生物再生將重點(diǎn)研究綠色高效的水玻璃舊砂促溶劑以及再生設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：鑄造工藝與設(shè)備；水玻璃舊砂；再生方法；再生設(shè)備；綠色鑄造

中圖分類(lèi)號(hào)：TG233 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2018）03-0232-06

鑄造可以分為砂型鑄造和特種鑄造兩大種類(lèi)，其中砂型鑄造產(chǎn)量為80%～90%[1-3]。砂型鑄造可以分為黏土砂型鑄造、水玻璃砂型鑄造和樹(shù)脂砂型鑄造，其中水玻璃砂型鑄造較其他鑄造方法更具有環(huán)境友好性，因此，被普遍認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的工藝[4-8]。

水玻璃砂工藝自20世紀(jì)60年代傳入中國(guó)后，得到了廣泛的應(yīng)用。水玻璃砂型鑄造工藝優(yōu)點(diǎn)頗多，具備價(jià)格便宜、流動(dòng)性好、硬化快，型（芯）的尺寸精度高等特點(diǎn)，同時(shí)在使用過(guò)程中也無(wú)黑色污染產(chǎn)生[9-10]。然而，水玻璃砂型鑄造工藝也存在著難以解決的問(wèn)題，如潰散性差，落砂異常困難，再生回用率低等。廢砂的隨意丟棄對(duì)環(huán)境造成了非常嚴(yán)重的污染，如果能夠?qū)崿F(xiàn)水玻璃重復(fù)利用且不再產(chǎn)生二次污染物，那么該工藝將會(huì)實(shí)現(xiàn)清潔和無(wú)公害生產(chǎn)，所以舊砂再生從初始就被認(rèn)為是水玻璃工藝應(yīng)解決的重要問(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)后，大量新型裝備和工藝的出現(xiàn)基本解決了水玻璃的潰散性問(wèn)題。舊砂再生作為鑄造學(xué)術(shù)界的多年難題，依然是水玻璃砂型鑄造工藝的研究重點(diǎn)，也是阻礙實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 水玻璃舊砂再生方法的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

常用的水玻璃舊砂再生方法主要包括干法、濕法、加熱干法、化學(xué)法、生物法等，它們的原理和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，在此基礎(chǔ)上還可組成“干法-濕法”、“濕法-化學(xué)法”等多種再生方法與技術(shù)[11]。

加熱干法再生和濕法再生的使用最為普遍。加熱干法再生：舊砂和金屬構(gòu)件或砂?；ハ唷芭鲎材Σ痢保瑥亩古f砂表面的殘留黏結(jié)劑發(fā)生破壞、脫落，進(jìn)而使舊砂再生[12]；由于在再生過(guò)程中有大量堿性粉塵產(chǎn)生，所以除塵成為再生過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，所得到的再生砂質(zhì)量并不高。濕法再生：將舊砂放入水中溶解，同時(shí)不斷攪拌舊砂與水的混合物，從而除去舊砂表面的殘留黏結(jié)劑，在此過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生二次污染（污水、污泥），這時(shí)需要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)對(duì)二次污染物進(jìn)行處理。由于這2種再生方法存在砂粒（或砂水）之間及砂粒與設(shè)備之間的機(jī)械作用，因此再生時(shí)會(huì)改變?cè)偕暗谋砻娼M分、圓整度和級(jí)配等特性，而且能耗很大，副產(chǎn)物的二次污染比較嚴(yán)重。

脫膜率是評(píng)價(jià)再生砂性能的主要指標(biāo)，

而殘留Na2O含量是計(jì)算再生砂脫膜率的重要參數(shù)之一，若水玻璃舊砂中殘留Na2O含量過(guò)高，脫膜率過(guò)低，極易造成Na2O的大量積累，而導(dǎo)致型砂的耐火度變差，其使用性能受到嚴(yán)重影響[13-15]。

2 典型水玻璃舊砂再生工藝

2.1 干法再生

水玻璃舊砂干法再生工藝的步驟：1）預(yù)再生；2）再生；3）除塵。其中預(yù)再生由振動(dòng)落砂機(jī)完成，再生有多種方式，常用的方式有：1）機(jī)械離心方式；2）氣流撞擊方式；3）立式逆流摩擦方式。抽風(fēng)除塵在干法再生過(guò)程中是必不可少的環(huán)節(jié)，目的是去除粒徑為106 μm（約150目）以下的顆粒。

圖1為樊自田等[16]開(kāi)發(fā)的一種舊砂干法再生機(jī)。它由2部分組成（彈簧上的筒體和振動(dòng)電機(jī)），加砂口位于筒體的上方、篩板被裝在筒體內(nèi)下部，筒體橫截面形狀為正多邊形，筒體中軸安設(shè)貫穿篩板的抽風(fēng)管，筒體底部連通風(fēng)選漏斗，振動(dòng)電機(jī)2臺(tái)，以筒體中軸對(duì)稱(chēng)安裝于筒體外表面。

圖2為周錦照[17]開(kāi)發(fā)的一種螺旋振動(dòng)式全能再生機(jī)。其特征是在裝有2臺(tái)交叉對(duì)稱(chēng)的振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)體外筒（3）內(nèi)，設(shè)有內(nèi)筒（5）、螺旋輸送槽（6）、篩網(wǎng)（7）、出料槽（8）、風(fēng)選罩（10）和抽風(fēng)管（9），全部支撐于緩沖器（2）之上。螺旋振動(dòng)作用由2臺(tái)振動(dòng)電機(jī)激振產(chǎn)生，通過(guò)振動(dòng)、碰撞和摩擦使砂粒表面殘留的黏結(jié)劑膜反復(fù)磨損從而達(dá)到再生，再經(jīng)過(guò)一些輔助步驟后，便可取代原砂回用于生產(chǎn)。

2.2 濕法再生

濕法再生工藝具有擦洗效率及Na2O去除率高、耗水量小、磨損件少、再生砂質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)水玻璃舊砂進(jìn)行再生處理時(shí)需按照如下步驟操作：1）磁選；2）粉碎；3）過(guò)篩；4）二次磁選；5）浸泡在10倍左右的稀堿水中；6）利用設(shè)備進(jìn)行攪拌；7）過(guò)濾、淋洗；8）甩干、烘干；9）冷卻。

圖3介紹了樊自田等[18]開(kāi)發(fā)的鑄造間歇式舊砂濕法再生的設(shè)備。此工藝及配套設(shè)備適用于黏土、水玻璃和堿酚醛樹(shù)脂等舊砂，具體步驟如下：1）一次擦洗。按質(zhì)量比1∶0.5～1∶3，將舊砂與清水分別加入擦洗筒內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為30～300 s，然后將擦洗筒內(nèi)的污水排出；2）二次擦洗。繼續(xù)將清水注入擦洗筒，擦洗筒內(nèi)的清水與舊砂的質(zhì)量比仍按照步驟1）配備，注入清水后對(duì)擦洗筒內(nèi)的清水與舊砂進(jìn)行攪拌，時(shí)間為30～300 s，然后將擦洗筒內(nèi)的污水排出；當(dāng)砂樣表現(xiàn)為堿性時(shí)，攪拌的同時(shí)加入硫酸或者鹽酸，當(dāng)使用硫酸時(shí)，1 kg舊砂使用0.15～0.25 mL硫酸（硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3%）；當(dāng)使用鹽酸時(shí)，1 kg舊砂加入0.8～1.5 mL鹽酸（鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5%）；3）三次擦洗。再次將清水注入擦洗筒內(nèi)，此時(shí)清水與擦洗筒舊砂質(zhì)量比為1∶3～1∶0.5，再次進(jìn)行攪拌，此時(shí)攪拌時(shí)間依然為30～300 s，然后將筒內(nèi)的舊砂與污水排入分離設(shè)備，達(dá)到分離效果；4）檢驗(yàn)。將得到的濕砂經(jīng)脫水、烘干后，檢驗(yàn)其質(zhì)量是否符合要求，如符合要求則結(jié)束，不符合則轉(zhuǎn)步驟2）。

2.3 加熱干法再生

加熱干法再生工藝的主要步驟：1）破碎；2）磁選；3）焙燒；4）再生機(jī)；5）風(fēng)選；6）沸騰冷卻去灰。其中焙燒爐溫度在350 ℃以上，再生機(jī)為雙極磨盤(pán)。另外，在此過(guò)程中，有4個(gè)值得注意的問(wèn)題：1）加熱溫度必須在350 ℃以上；2）舊砂焙燒過(guò)后應(yīng)該立即進(jìn)行再生，這樣效果比較好，否則水玻璃膜冷卻后可能會(huì)產(chǎn)生回韌現(xiàn)象，使脫膜難度增大；3）高效的冷卻設(shè)備在再生過(guò)程中也是必不可少的；4）二級(jí)磁選應(yīng)該選擇在常溫進(jìn)行。

圖4是孫清洲等[19]開(kāi)發(fā)的一種舊砂再生加熱爐。該加熱爐包含帶有進(jìn)砂口和出砂口的爐體，爐體內(nèi)有多層隔板，每層隔板上都設(shè)計(jì)有漏砂孔，同時(shí)相鄰隔板上漏砂孔是錯(cuò)位的，當(dāng)隔板上的非通孔位置砂子不斷累積時(shí)，會(huì)形成許多砂堆，同時(shí)沿著砂堆滑落并通過(guò)漏砂孔下落到下一層，同理砂子會(huì)下落到最底層，可通過(guò)底層砂口排出。同時(shí)在下落過(guò)程中砂子被不斷加熱，這是因?yàn)樘厥獾臓t膛結(jié)構(gòu)保證了足夠的熱交換面積、行程和時(shí)間。二次回?zé)熝a(bǔ)風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)思路獨(dú)特、新穎，既保證了燃燒空氣的需要量又利用了部分余熱，節(jié)省能耗[20]。

2.4 化學(xué)法再生

化學(xué)再生法使用并不廣泛，該方法不需要特定的設(shè)備。具體的操作方法：加入NaOH水溶液，使高模數(shù)水玻璃溶于水且使其模數(shù)降低，并使新、舊水玻璃反應(yīng)后的“模數(shù)-濃度”低于臨界值，從而保證有充足的時(shí)間進(jìn)行混砂及造型。型砂的分析和檢測(cè)在化學(xué)再生工藝中是非常有必要的。首先舊砂中的殘留 Na2O的總量應(yīng)該被控制，然后測(cè)得再生殘留 Na2O的含量和含水率，最后計(jì)算出新加入的水玻璃模數(shù)和濃度，控制新、舊水玻璃反應(yīng)后的“模數(shù)-濃度”在臨界值以下。

水玻璃舊砂的化學(xué)再生法應(yīng)該與物理（干法）再生法一起使用，不僅可避免Na2O的無(wú)限積累，也降低了對(duì)再生砂Na2O去除率的要求。

3 新型水玻璃舊砂再生工藝

綜上所述，現(xiàn)有的4種典型水玻璃舊砂再生工藝各有難以解決的缺陷，有的再生質(zhì)量較差，有的存在二次污染，有的能耗大，開(kāi)發(fā)一種新型的能耗低、無(wú)污染且高效的舊砂再生工藝成為研究熱點(diǎn)。

本課題組開(kāi)展的水玻璃舊砂的再生研究主要為生物法再生，采用硅藻培養(yǎng)基浸泡水玻璃舊砂以獲得硅藻賴(lài)以生存的“緩釋型硅源”和其他營(yíng)養(yǎng)水體，依靠太陽(yáng)光能源，使硅藻在適宜的水文、微量元素營(yíng)養(yǎng)和外加電磁場(chǎng)等條件下大量繁殖直至發(fā)生“人工水華”，硅藻水華及其產(chǎn)生的活性物質(zhì)加速了舊砂表面水玻璃“硅源”的溶解、脫膜，從而實(shí)現(xiàn)舊砂生物再生。而體內(nèi)固定了大量水玻璃的硅藻水華能通過(guò)資源化處理，再生成為工業(yè)原料。

為此，課題組開(kāi)發(fā)了一系列的設(shè)備，具體如下。

1）水玻璃鑄造舊砂生物再生系統(tǒng)由增氧機(jī)、培養(yǎng)箱、籠型過(guò)濾器、熱泵等組成（如圖5所示）。再生時(shí)，首先在上層清液中設(shè)置一個(gè)籠型過(guò)濾器，將星桿藻、直鏈藻、舟形藻、針桿藻、小環(huán)藻、冠盤(pán)藻、曲殼藻、圓篩藻、骨條藻等組成的微藻群落投放在上述籠型過(guò)濾器中，將上述含微藻群落、籠型過(guò)濾器、培養(yǎng)基和水玻璃舊砂的培養(yǎng)箱放置于太陽(yáng)光下，水體中放入增氧機(jī)（1）使水體產(chǎn)生流動(dòng)，春、夏、秋季時(shí)水體溫度一般保持在5 ℃以上，可以不加熱，在上述條件下進(jìn)行大規(guī)模的微藻培養(yǎng)，待水玻璃舊砂的脫膜率超過(guò)95%時(shí)，停止培養(yǎng)，取出籠型過(guò)濾器，下層水玻璃砂干燥后即得生物再生砂。

2）水玻璃鑄造舊砂原位再生設(shè)備由進(jìn)水管、取樣管道、塑料膜、排水管道、排灌及加熱系統(tǒng)等組成（如圖6所示），其再生過(guò)程為①取舊砂原堆積地的舊砂作為底泥構(gòu)建池塘；②池塘中心區(qū)域預(yù)埋一根塑料管用于舊砂脫膜率測(cè)試取樣；③舊砂上表面、池壁鋪一層塑料膜，預(yù)埋管外壁與塑料膜通過(guò)防水膠無(wú)縫結(jié)合，靠近池壁部分的塑料膜上用細(xì)針扎出直徑為0.01～1 mm的孔洞；④向塑料膜組成的培養(yǎng)池中注入地下水，通過(guò)孔洞將舊砂浸泡起來(lái)，并投入氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)鹽；⑤將微藻群落投放到塑料膜池塘內(nèi)，并大規(guī)模培養(yǎng)微藻；⑥舊砂脫膜率、水體pH值達(dá)標(biāo)后停止培養(yǎng)；⑦排出培養(yǎng)池內(nèi)的水，剩余的再生砂和微藻可用作餌料、硅肥等。

3）水玻璃鑄造舊砂再生生物反應(yīng)器由光源收集發(fā)散系統(tǒng)（凹面聚光鏡、光纖、導(dǎo)光板）、單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、藻類(lèi)分散器和收集器等組成（如圖7所示），可實(shí)現(xiàn)溫度、水位的監(jiān)測(cè)與控制，以及溶液pH值、光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)和微藻收集等功能。

采用Pt100鉑熱敏電阻溫度傳感器（8）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)液溫度，將采集到的溫度信號(hào)放大處理后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線（1）發(fā)送到控制器，控制器將得到的信號(hào)處理后，將溫度數(shù)據(jù)顯示于數(shù)據(jù)顯示器（2）；同時(shí)，當(dāng)培養(yǎng)液溫度低于或高于程序設(shè)定的溫度值時(shí)，通過(guò)控制加熱裝置（14）使溫度恢復(fù)于設(shè)定范圍；液位傳感器（9）將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位數(shù)據(jù)，并將其傳入控制器，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，水位數(shù)據(jù)被顯示于數(shù)據(jù)顯示器（2）上，同時(shí)，當(dāng)箱體內(nèi)水位偏離設(shè)定值時(shí)，通過(guò)控制進(jìn)/出水水泵（18）工作，使水位恢復(fù)至設(shè)定值；自然光通過(guò)太陽(yáng)追光器（7）并由光導(dǎo)纖維傳輸至導(dǎo)光分散柱（13），箱體內(nèi)有光照傳感器（15）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的光照強(qiáng)度，同時(shí)光照強(qiáng)度值會(huì)顯示于數(shù)據(jù)顯示器（2）上。當(dāng)箱體內(nèi)發(fā)生微藻水華時(shí)，通過(guò)控制抽藻電機(jī)（17）工作，將箱體內(nèi)的微藻與培養(yǎng)液導(dǎo)入微藻存儲(chǔ)箱（20），將微藻打撈分離制成魚(yú)類(lèi)餌料、硅肥、硅藻泥，且箱體內(nèi)的培養(yǎng)液可以重復(fù)利用培養(yǎng)微藻，節(jié)約了水資源。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，水玻璃舊砂再生的幾種主要方法各有優(yōu)劣：1）水玻璃舊砂干法再生的主要缺點(diǎn)是殘留Na2O去除率低，雖然通常使用延長(zhǎng)再生加工時(shí)間來(lái)提高Na2O的去除率，然而這種做法可能造成砂粒的粉化和破碎；2）濕法再生所需設(shè)備龐大，且會(huì)產(chǎn)生二次污染；3）加熱干法再生極其耗能，且舊砂加熱過(guò)后需要設(shè)備進(jìn)行冷卻；4）化學(xué)法再生在實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)有害和無(wú)害的Na2O尚無(wú)方法有效區(qū)分，重復(fù)使用會(huì)造成更加嚴(yán)重的Na2O累積。

對(duì)于本課題組所研究的生物再生法，雖然具備能耗低、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，但是由于水玻璃舊砂表面的黏結(jié)膜不易溶于水，因此需要在培養(yǎng)箱內(nèi)反復(fù)培養(yǎng)微藻消耗水玻璃，以實(shí)現(xiàn)水玻璃舊砂脫膜率達(dá)到要求，導(dǎo)致了水玻璃舊砂回用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；另外，硅藻的繁殖受環(huán)境影響極大，在自然生長(zhǎng)條件下，硅藻很難發(fā)生水華，無(wú)法達(dá)到對(duì)大量水玻璃進(jìn)行再生的目的?；谝陨?點(diǎn)，建議：1）研究水玻璃舊砂溶液促溶劑，加大水玻璃舊砂表面黏結(jié)膜在水中的溶解度；2）研究與開(kāi)發(fā)水玻璃舊砂生物再生設(shè)備，通過(guò)控制硅藻的生存環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)硅藻的大量繁殖。

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