鑄造舊砂再生新方法、新進展及新期待

樊自田，劉富初，龔小龍，王黎遲

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

鑄造是資源消耗和環(huán)境污染非常大的傳統(tǒng)行業(yè)，給中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了巨大的挑戰(zhàn)。我國已經(jīng)是世界上第一鑄造大國，2016年各類鑄件總產(chǎn)量達4720萬噸。其中，80%以上的鑄件是通過砂型鑄造生產(chǎn)的，通常每生產(chǎn)1t合格鑄件、就會產(chǎn)生1t左右的舊砂。大量的舊砂如得不到再生回用而廢棄，不僅是對資源的極大浪費，而且還會產(chǎn)生粉塵污染和固體廢棄物污染，給環(huán)境帶來巨大的危害[1－4]。

鑄造生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是綠色清潔生產(chǎn)，為了實現(xiàn)砂型鑄造的綠色清潔生產(chǎn)，舊砂的全部再生回用是關(guān)鍵[5，6]?！惰T造行業(yè)“十三五”技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》[7]的第十四章《造型材料》中指出“舊砂再生是減少新砂用量，降低生產(chǎn)成本，提高鑄件質(zhì)量和保護自然環(huán)境的最有效方法之一”。

本文概述了現(xiàn)有舊砂再生方法的特點及其適用性，對不同種類舊砂（粘土舊砂、樹脂舊砂、水玻璃舊砂和混合舊砂）再生方法的應(yīng)用情況進行了歸納總結(jié)，重點介紹了近年來國內(nèi)外舊砂再生技術(shù)研究及應(yīng)用的新方法和新進展、并對這些舊砂再生新方法及其特點進行了綜合評價，就鑄造舊砂再生技術(shù)的發(fā)展趨勢闡述了作者的觀點。

1 現(xiàn)有舊砂再生方法及適用性

根據(jù)舊砂再生原理的不同，舊砂再生方法分為干法再生、濕法再生、熱法再生和化學(xué)再生四大類[1－3,5－9]。

1.1 干法再生及其特點

干法再生是利用空氣或機械的方法將舊砂粒加速至一定的速度，靠舊砂粒與金屬構(gòu)件間或砂?；ハ嘀g的碰撞、摩擦作用再生舊砂。干法再生的設(shè)備簡單、成本較低，但不能完全去除舊砂粒上的殘留粘結(jié)劑、再生砂的質(zhì)量不太高。干法再生的形式多種多樣，有機械式、氣力式和振動式等，但干法再生原理都是“碰撞—摩擦”，碰撞—摩擦的強度越大，干法再生的去膜效果越好，同時砂粒的破碎現(xiàn)象也加劇。除此之外，舊砂的性質(zhì)、砂鐵比等對干法再生效果也有很大影響。圖1所示為舊砂干法再生的流程示意圖。

1.2 濕法再生及其特點

濕法再生是利用水的溶解、擦洗作用及機械攪拌作用，去除舊砂粒表面的殘留粘結(jié)劑、鹽、酯等水溶性物質(zhì)。對某些舊砂（如水玻璃舊砂），其再生質(zhì)量好，舊砂可全部回用；但濕法再生的系統(tǒng)較大、成本較高（需對濕再生砂進行烘干），有污水處理回用問題。圖2所示為舊砂濕法再生流程示意圖。

1.3 熱法再生及其特點

熱法再生是通過焙燒爐將舊砂加熱到一定溫度，以脆化、分解或燒掉舊砂顆粒表面殘留的粘結(jié)劑，熱法再生適用于可燃的有機粘結(jié)劑砂（如樹脂舊砂）。根據(jù)再生過程中加熱溫度的不同，可以分為低溫熱法再生（320～450℃）和高溫熱法再生（700～900℃）。低溫熱法再生通常和干法再生組合使用，低溫加熱的目的是使粘結(jié)劑膜由韌性變?yōu)榇嘈?，然后對舊砂進行干法再生將脆性膜去除；高溫熱法再生是將舊砂加熱到粘結(jié)劑膜的燃點，使其完全燃燒。

熱法再生工藝還可以起到改性砂子的作用，使再生砂具有比新砂更加優(yōu)良的性能。但是熱法再生會產(chǎn)生廢氣，而且能源消耗大、成本高。

1.4 化學(xué)再生及其特點

化學(xué)法再生通常是指向舊砂中加入某些化學(xué)試劑（或溶劑），把舊砂與化學(xué)試劑（或溶劑）攪拌均勻，借助化學(xué)反應(yīng)來去除舊砂中的殘留粘結(jié)劑和有害成分，使舊砂恢復(fù)或接近新砂的物理化學(xué)性能。目前該再生方法應(yīng)用較少。

2 不同種類舊砂再生方法的應(yīng)用

目前常用的型砂有粘土砂、樹脂砂和水玻璃砂等。其舊砂的性能和要求不同，需采用不同的再生方法實現(xiàn)舊砂再生。各種舊砂用不同再生方法的效果如表1所示[5,8,9]。

表1 各種舊砂用不同再生方法的效果

圖1 舊砂干法再生流程示意圖

圖2 舊砂濕法再生流程示意圖

2.1 粘土舊砂的再生

粘土砂鑄造大量用于鑄鐵件、小型鑄鋼件生產(chǎn)中，占鑄造產(chǎn)量的70%～80%，其產(chǎn)生的廢舊砂量最多。目前，粘土舊砂的再生回用方法主要包括干法機械再生、干—熱聯(lián)合再生和濕法再生，干法再生后的砂子多直接用于生產(chǎn)線的回用、干—熱聯(lián)合再生法和濕法再生后的砂子可用于制備芯砂[8-10]。

2.1.1 粘土舊砂干法回用再生

干法回用再生常用的是機械摩擦式（國內(nèi)）和氣流沖擊式（國外）再生設(shè)備，其目的是除去舊砂中的死粘土、灰塵（泥）等，獲得回用砂。其中機械摩擦和氣流風選的再生方法簡單、易行，具有較好的再生效果。

離心摩擦式再生機是國內(nèi)應(yīng)用較多的再生設(shè)備，其工作原理如圖3所示。再生力主要是來自再生轉(zhuǎn)盤的離心摩擦力，故而稱作離心摩擦式再生機。再生轉(zhuǎn)盤將砂粒拋至邊緣產(chǎn)生摩擦，然后上行至固定環(huán)的砂流與在轉(zhuǎn)角上的積砂產(chǎn)生摩擦，被拋至頂面又產(chǎn)生一次撞擊摩擦。由于砂粒在回轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈形成密相產(chǎn)生砂層與砂粒相互摩擦，再流向外圈固定環(huán)，在內(nèi)部也形成砂層，使得砂粒在兩部分均形成砂層，導(dǎo)致砂粒間多次摩擦，提高了再生效果。該類再生機對質(zhì)量較差的原砂不易發(fā)生破碎，對具塑性膜舊砂也有較好的再生效果。

圖3 離心摩擦式工作原理

氣流沖擊式再生機是國外應(yīng)用較多的再生設(shè)備，其工作原理如圖4所示。利用氣流使舊砂加速至一定速度，依靠砂粒與金屬構(gòu)件沖擊或砂粒相互間的摩擦作用再生舊砂，具有結(jié)構(gòu)簡單、除塵效果好、可多級并聯(lián)使用等優(yōu)點，但也有能耗和噪音較大等問題。

圖4 氣流沖擊式工作原理

2.1.2 粘土舊砂高溫熱法再生

高溫熱法（800℃）再生粘土舊砂、再經(jīng)干法摩擦再生除塵，得到的再生砂性能可接近新砂，但成本較高，將該工藝與覆膜砂制備結(jié)合起來，可克服高溫熱再生的缺點，具有一定的優(yōu)勢。由于熱法能耗大，近年來開發(fā)的裝置均采取節(jié)能措施，即將焙燒爐排出的廢氣用來預(yù)熱加入的砂和已排出熱砂通過冷空氣吸收其熱量變?yōu)闊釟饬鬟M入焙燒爐。圖5所示為熱法再生焙燒爐[2]。

2.1.3 粘土舊砂的濕法再生

目前主要采用多級濕法實現(xiàn)粘土舊砂的再生，圖6所示為二級濕法再生舊砂工藝流程圖。

本課題采用不同再生方法對玉柴機器股份公司的粘土舊砂進行再生處理，表2所示為不同再生方法對砂樣性能的影響。

由表2可知，新砂、舊砂、干法再生砂、3次濕法再生砂和熱法再生砂的耗酸值均遠超過標準值，其中舊砂的耗酸值最大（48.7ml）；3次濕法再本上沒有殘留的粘結(jié)劑膜，熱法再生砂表面仍然存在一些高溫加熱作用下未被分解的粘結(jié)劑膜。

圖5 熱法再生焙燒爐

圖6 二級濕法再生舊砂工藝流程圖

圖7 砂粒表面形貌圖

表2 不同再生方法的砂樣性能測試結(jié)果

表3所示為型砂的性能對比表。由表可知：3次濕法再生粘土舊砂，具有成本較低、再生質(zhì)量良好以及適于大量生產(chǎn)的優(yōu)勢。

2.2 樹脂舊砂的再生

樹脂砂的種類較多，包括呋喃自硬樹脂砂、酚醛自硬樹脂砂、熱硬樹脂砂、冷（氣）硬樹脂砂等，可用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁等各類零件。研究及實踐表明，呋喃樹脂自硬舊砂采用干法再生可以獲得滿意的再生效果，實現(xiàn)循環(huán)使用，也可以采用熱法再生；堿酚醛自硬樹脂舊砂需要采用“干法＋熱法”聯(lián)合再生和濕法再生；而熱硬或冷硬樹脂砂只能采用高溫熱法再生[7-9]。

2.2.1 呋喃自硬樹脂舊砂

呋喃樹脂包覆在砂粒表面形成一層脆性膜，通常采用干法再生可將其去除。砂擦磨器通過砂粒之間、砂粒與擦磨器葉片以及內(nèi)襯板之間的碰撞、搓擦從而完成再生。目前常用機械干法再生呋喃自硬樹脂舊砂，技術(shù)較為成熟。

圖8所示為離心撞擊式再生的工作原理，其工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的離心力的作用，將加入的舊砂粒流拋向撞擊環(huán)，經(jīng)幾次撞擊后向下拋出，此過程中舊砂粒相互撞擊、摩擦，使得舊砂表面的惰性膜被脫除而再生。

圖9所示為多功能破碎再生機，它集破碎、再生、篩分、冷卻、螺旋輸送向上排出、去除金屬雜物及除塵等多種功能于一體，是一種高效率的再生設(shè)備。振動破碎式再生機的再生力相對較弱，對舊砂的脫膜率相對較低，適于再生具有脆性殘留膜的自硬呋喃樹脂舊砂。目前中小企業(yè)應(yīng)用較多。

2.2.2 堿酚醛自硬樹脂舊砂

堿酚醛樹脂是由甲醛和苯酚縮合而成的有機粘結(jié)劑，可燃、溶于水，在砂粒表面形成韌性膜，它與酯硬化水玻璃舊砂的一些特征相似，其舊砂再生方案也與水玻璃舊砂的再生方案相近。目前有兩種推薦的再生方案：（1）熱法+干法復(fù)合再生方法：中溫加熱（＞300℃）后再干法再生，可做單一砂或背砂循環(huán)使用；（2）多級濕法擦洗再生方法：再生砂性能可接近新砂，其應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵是污水處理、循環(huán)使用。

2.3 水玻璃舊砂的再生

圖8 離心撞擊工作原理

圖9 振動破碎摩擦再生機

水玻璃砂被認為是最有可能實現(xiàn)綠色鑄造的砂型，被廣泛應(yīng)用于鑄鋼件生產(chǎn)中，但水玻璃舊砂再生困難也得到了國內(nèi)外鑄造工作者的一致認同。目前，水玻璃舊砂的再生回用多采用濕法再生和“干法＋熱法”聯(lián)合再生?！案煞ǎ珶岱ā甭?lián)合再生砂可用于背砂或單一砂循環(huán)，但需嚴格控制循環(huán)砂中的 Na2O含量；濕法再生水玻璃舊砂的效率高、再生砂質(zhì)量好，再生砂可以100%代替新砂使用，但需較好解決污水污泥處理回用問題[1,8,9]。

“干法回用、濕法再生”的方案，已被許多學(xué)者所接受?！案煞ɑ赜谩笔侵笇εf砂破碎、去磁、篩分后，通過機械手段使砂粒之間、砂粒與設(shè)備之間進行低強度的碰撞、摩擦，除塵、冷卻等處理后，再生砂可作背砂使用；“濕法再生”利用了水玻璃易溶于水的特性，在水的沖洗、機械的攪拌作用下，粘附在砂粒表面的粘結(jié)劑膜會脫落，得到的再生砂性能接近新砂，可以完全替代新砂作單一砂或面砂使用[1]。

相比其他再生方法，水玻璃舊砂濕法再生效果最好，但是產(chǎn)生的污水中含有較多的NaOH和硅酸膠體，具有強堿性，能長時間穩(wěn)定地以懸浮狀態(tài)存在于水中，難以處理。在濕法再生的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)高效無二次污染的水玻璃舊砂再生新型工藝及設(shè)備系統(tǒng)仍是解決水玻璃舊砂再生難題的關(guān)鍵。

2.4 混合舊砂的再生

實際砂型鑄造生產(chǎn)過程中，鑄造舊砂是含多種粘結(jié)劑的混合舊砂。在諸多種類的鑄造混合舊砂中，以粘土舊砂為主的混合舊砂（粘土-樹脂舊砂、粘土-水玻璃舊砂等）占多數(shù)，低成本再生多種混合舊砂一直是鑄造舊砂再生的難點之一。

目前，國內(nèi)外的舊砂再生技術(shù)基本上都是針對單一型砂進行的，而對于混合廢舊砂的再生回用則沒有很成熟的技術(shù)。由于目前國內(nèi)外很多企業(yè)產(chǎn)生的廢舊砂均為混合廢舊砂，所以研制開發(fā)低成本和高性能的混合廢舊砂再生技術(shù)、設(shè)備及系統(tǒng)，是實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排和我國鑄造產(chǎn)業(yè)綠色化生產(chǎn)的緊迫要求與必然趨勢。

樊自田等[10，11]提出了一種鑄造混合廢舊砂的低成本再生回用新方法。即先將混合舊砂盡量分類，分別將適于濕法再生的舊砂和適于熱法再生的舊砂進行濕法再生和熱法再生；然后兩部分再生砂按照一定比例混合，利用熱法再生砂的熱量加熱烘干濕法再生砂，最后經(jīng)調(diào)濕、調(diào)溫，得到再生回用砂。該方法避免了在單一的濕法再生工藝中再生砂后期烘干所需的能源消耗和在單一的熱法再生工藝中再生砂冷卻時的熱量浪費，降低了能源消耗和舊砂再生成本，是一種頗有應(yīng)用前景、適用于大量鑄造混合廢舊砂的低成本、高質(zhì)量的再生回用新方法。

孫清洲等[12]對含不同樹脂芯砂的粘土舊砂再生，進行了研究。認為：與同種新砂相比，經(jīng)過“700℃高溫脆化+機械再生+微粉分離”獲得的含樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂，粒度不發(fā)生明顯變化、角形系數(shù)和含泥量低、耗酸值高；由含熱芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的再生砂混制熱芯盒樹脂砂時，其鑄造工藝性能低于由新砂混制熱芯盒樹脂砂的鑄造工藝性能；由含覆膜砂芯砂粘土砂的再生砂混制覆膜砂時，其鑄造工藝性能基本達到了由新砂混制覆膜砂的鑄造工藝性能；以鹽酸水溶液為改性劑對含熱芯盒樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂進行改性，可提高再生砂的鑄造工藝性能，其適宜改性工藝為“化學(xué)改性+烘干+機械搓擦+風選”，由化學(xué)改性砂混制熱芯盒樹脂砂的熱態(tài)和常溫抗拉強度高于同種新砂。（未完待續(xù)）