鑄造舊砂再生新方法、新進(jìn)展及新期待（續(xù)）

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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

（續(xù)上期）

3 舊砂再生的新方法和新進(jìn)展

3.1 粘土舊砂再生新方法新進(jìn)展

常云青等[13]提出了一種粘土舊砂再生系統(tǒng)。該再生系統(tǒng)的再生方法屬于干法機(jī)械再生，包括兩級(jí)再生：一級(jí)離心撞擊式再生和二級(jí)渦流摩擦式再生，綜合了離心撞擊和渦流摩擦的再生作用，該再生方法本質(zhì)上屬于機(jī)械摩擦式再生。圖10所示為該粘土舊砂再生系統(tǒng)組成圖。

孫清洲等[14]提出了一種粘土舊砂完全再生用成套設(shè)備及其再生方法，該設(shè)備包括高溫脆化裝置、脆化舊砂冷卻裝置、多排磨輪再生機(jī)、微粉分離裝置、再生砂改性裝置和三回程滾筒；該再生方法是熱法再生、機(jī)械再生和化學(xué)改性再生的復(fù)合，再生成本較高（圖11所示為該再生方法的流程圖）。他們[15]還提出了一種適于粘土再生砂的改性方法，即“將0.05mol/L～5 mol/L濃度的鹽酸、加入粘土再生砂中（加入量為2%～10%）”。經(jīng)改性處理的粘土再生砂能夠用于混制覆膜砂、熱芯盒砂和冷芯盒砂；該方法不僅降低了粘土完全再生砂的耗酸值，而且可提高型砂的抗拉強(qiáng)度，改善粘土完全再生砂的鑄造工藝性能。

Nestor Cruz等[16]采用氣固流化床對(duì)粘土舊砂進(jìn)行熱法再生回用。測(cè)試的最佳再生參數(shù)為：氣固流化床的噴孔氣體壓力為550kPa、加熱溫度超過(guò)700℃，再生砂質(zhì)量較好，再生砂中有機(jī)物含量接近0，舊砂表面的殘留膨潤(rùn)土去除率較高，再生砂的有效膨潤(rùn)土含量為2%左右，再生過(guò)程中的舊砂損耗量小于14%。

綜合來(lái)看，已有的粘土舊砂再生方式主要有干法再生和干法-熱法聯(lián)合再生。干法再生砂多用于生產(chǎn)線的回用，干法-熱法聯(lián)合再生砂可用于制備冷芯砂和熱芯砂，但由于粘土舊砂熱法再生的加熱溫度通常很高（700℃以上），故再生成本較高。因此，研究開(kāi)發(fā)新型高效粘土舊砂再生方法及裝備，實(shí)現(xiàn)大量粘土廢舊砂低成本再生回用是目前綠色鑄造技術(shù)研究的方向。

圖10 粘土舊砂再生系統(tǒng)

圖11 粘土舊砂完全再生方法流程圖

3.2 樹(shù)脂舊砂再生新方法、新進(jìn)展

孫愛(ài)琴提出了一種呋喃樹(shù)脂自硬砂的處理方法[17]和一種酚醛樹(shù)脂自硬砂的處理方法[18]，上述方法屬于濕法再生和化學(xué)再生的復(fù)合。該復(fù)合再生方法包括以下步驟：（1）預(yù)處理，分別添加檸檬酸和氨水溶液浸泡、再生舊砂；（2）擦洗再生，將預(yù)處理好的舊砂擦洗再生（其中呋喃樹(shù)脂舊砂的進(jìn)料濃度為35%、酚醛樹(shù)脂舊砂的進(jìn)料濃度為33%），將烘干砂進(jìn)行磁選處理，（磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.65T～0.8T）；（3）化學(xué)再生，將二次處理砂與混合溶液按重量比（呋喃樹(shù)脂砂的為1∶2.3，酚醛樹(shù)脂砂的為1∶2.5）的比例混合攪拌，除去懸浮物過(guò)濾得到三次處理砂，其中混合液是由硫酸、柴油、烯丙基磺酸鈉、硝酸和水等組成；（4）后處理，將三次處理砂進(jìn)行水洗、烘干，得到再生砂。該再生方法包括多個(gè)工藝過(guò)程，再生成本較高。

秦升益等[19]提出了一種酚醛樹(shù)脂自硬砂舊砂的再生處理方法，其本質(zhì)是熱法再生，在堿性酚醛樹(shù)脂舊砂中混入質(zhì)量為其0.2%～2%的粉劑，混合均勻后加熱至 600～800℃進(jìn)行熱法再生30min～60min。其中所有的粉劑為高價(jià)碳酸鹽或者亞硫酸鹽，這類(lèi)物質(zhì)在高溫下易分解，能形成其對(duì)應(yīng)的氧化物，這些氧化物加入再生砂中可提高型芯的強(qiáng)度。該再生方法過(guò)程較繁瑣，熱法再生和氧化物的添加都會(huì)增加再生成本。

綜合來(lái)看，為了獲得可用于芯砂的再生砂，樹(shù)脂類(lèi)舊砂的再生通常采用熱法或者干法-熱法聯(lián)合再生方法，但由于高溫（＞700℃）熱法再生的能耗大、成本高，研發(fā)高效熱法再生樹(shù)脂舊砂工藝與裝備仍是目前的研究方向。

3.3 水玻璃舊砂再生新方法、新進(jìn)展

余明偉等[20]提出了一種水玻璃砂舊砂碾磨再生的方法。該方法的原理是采用碾磨濕法再生水玻璃舊砂，利用螺旋洗砂機(jī)水洗碾磨后的舊砂、使砂水分離，最后振動(dòng)脫水或離心脫水。先將鑄造廠落砂后的水玻璃砂舊砂經(jīng)磁選去掉含鐵雜質(zhì)，磁選后的舊砂進(jìn)入石碾機(jī)碾壓使砂塊破碎成砂粒，同時(shí)加入舊砂質(zhì)量10%～20%的自來(lái)水，使舊砂濕潤(rùn)；然后調(diào)整出料口高度，保持石碾內(nèi)砂層的厚度為300mm～700mm，舊砂在石碾內(nèi)碾壓使砂層翻滾，砂粒之間相互磨擦，使砂粒表面水玻璃膜去掉，連續(xù)加料，連續(xù)出料，使再生砂中的碳酸鈉、醋酸鈉總量小于0.1%；最后將碾磨后的舊砂用螺旋洗砂機(jī)水洗，使砂、水分離，并將濕砂進(jìn)行振動(dòng)脫水或離心脫水，使?jié)裆昂啃∮?%，加熱烘干后得再生砂。該方法本質(zhì)上屬于濕法再生水玻璃舊砂。

盧記軍等[21]探討研究了熱水或者高溫水蒸汽濕法再生水玻璃舊砂的可能性，采用高溫水擦洗或水蒸汽蒸淋水玻璃舊砂，然后把再生砂中溶有粘結(jié)劑的污水排出，烘干后得到再生砂，以期達(dá)到再生效率高、用水量少之目的。對(duì)溶有粘結(jié)劑的污水進(jìn)行加熱蒸發(fā)濃縮，從而回收水玻璃。該方法是熱、濕法再生水玻璃舊砂，再生時(shí)需要耐高溫的再生裝置，對(duì)設(shè)備要求高且再生成本昂貴。

常云峰等將微波加熱技術(shù)、超聲攪拌技術(shù)與化學(xué)再生相結(jié)合，提出了利用微波再生水玻璃舊砂的方法[22]和采用超聲技術(shù)再生水玻璃舊砂的方法[23]。微波高效再生水玻璃舊砂的方法是將破碎后的水玻璃舊砂和氫氧化鈉溶液分別依次加入微波反應(yīng)釜中，攪拌混合均勻；利用微波將微波反應(yīng)釜升溫至100～200℃，恒溫5min～90min反應(yīng)后的水玻璃砂和堿液過(guò)濾分離，水玻璃砂經(jīng)洗滌后烘干，得到再生砂。超聲技術(shù)再生水玻璃舊砂的方法是將水玻璃舊砂放入配制好的氫氧化鈉溶液中，浸泡后將水玻璃舊砂分離，將水玻璃砂放置在清水或質(zhì)量濃度為0～20%的堿液中，使用頻率為20kHz～200kHz的超聲波超聲 5min～60min，超聲后的水玻璃砂與廢液過(guò)濾分離，得到水玻璃砂和含有廢渣的廢液，水玻璃砂經(jīng)洗滌后烘干，得到脫膜率不低于95%的再生砂。以上方法的不足之處是，在再生過(guò)程中需要添加強(qiáng)堿液、專(zhuān)用的微波和超聲設(shè)備，對(duì)設(shè)備要求高、再生成本較高。

Stachowicz等[24]提出了一種水玻璃舊砂再生方法，舊砂經(jīng)破碎、除塵后，加入適量蒸餾水?dāng)噭?dòng)一段時(shí)間，再加入一定量的新水玻璃后混砂回用。結(jié)果表明，在保證再生砂使用性能的條件下，此再生過(guò)程可連續(xù)進(jìn)行3～5次。該方法的原理是利用水玻璃的吸濕性，加入蒸餾水使砂粒表面失水的水玻璃吸水而恢復(fù)部分粘結(jié)性能，因而只需要再加入較少的新水玻璃即可完成造型。此方法過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低，舊砂可全部回用而不引起環(huán)境問(wèn)題。該方法的不足之處在于再生過(guò)程的各個(gè)具體參數(shù)需隨再生次數(shù)調(diào)整，且再生次數(shù)有限。

本課題組在水玻璃舊砂再生方面開(kāi)展的主要研究[25～32]：

（1）開(kāi)展了“冰凍-機(jī)械”干法再生水玻璃舊砂的系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，水玻璃舊砂經(jīng)320～520℃的加熱處理后，可使其再生砂的在粘結(jié)性能大為提高，但潰散性惡化嚴(yán)重，而經(jīng)-40℃左右的“冰凍-機(jī)械”干法再生的再生砂潰散性很好。與不經(jīng)加熱處理的普通機(jī)械干法再生砂相比-40℃“冰凍-機(jī)械”干法再生砂的粘結(jié)性強(qiáng)度提高約90%，可使用時(shí)間增長(zhǎng)了約60%～75%，殘留強(qiáng)度降低20%，潰散性較好[25]。該方法對(duì)再生設(shè)備要求較高。

（2）探討研究了生物再生水玻璃舊砂的可能性，采用生物技術(shù)處理再生水玻璃舊砂濕法再生污水。研究結(jié)果表明，谷皮菱形藻可作為生物再生水玻璃舊砂濕法再生污水的硅藻藻種，在較佳的條件下培養(yǎng)7天后，谷皮菱形藻的Na+回收率為49.6%，SiO32-回收率為68.6%，污水的pH值由11.0下降為8.3[26～28]。生物再生水玻璃舊砂是值得期待的理想方法，但其可行性及實(shí)用性仍有待進(jìn)一步研究。

圖12 超聲波濕法再生水玻璃舊砂方法的流程圖

（3）提出了一種超聲波濕法再生水玻璃舊砂的方法，圖12所示為該方法的流程圖[29]。研究結(jié)果表明：超聲波可通過(guò)機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)促進(jìn)硅酸鈉溶解，提高再生砂的脫膜率；超聲波功率、再生時(shí)間、耗水量和再生次數(shù)都可以提高再生砂的脫膜率；基于少耗水量濕法再生水玻璃舊砂的目標(biāo)和高脫膜率的要求，可選取的優(yōu)化工藝參數(shù)如下：超聲功率為800W、再生時(shí)間為10min、每次再生的砂水比為1∶0.3、濕法再生3次（即1t舊砂再生總耗水量為0.9t），此時(shí)再生砂的脫膜率為90.58%[30]。表4所示為采用該方法再生的水玻璃濕法再生脫膜率測(cè)試結(jié)果。該再生方法需經(jīng)多次少水量再生才可使脫膜率達(dá)到90%以上。

表4 加水量和再生次數(shù)對(duì)脫膜率的影響（%）

圖13 滾筒式舊砂濕法再生方法流程圖

（4）發(fā)明了一種滾筒式舊砂濕法再生與脫水一體化設(shè)備及其使用方法[31]，該再生與一體化設(shè)備包括舊砂滾筒濕法再生及脫水機(jī)構(gòu)、加砂加水及排水機(jī)構(gòu)、支撐及傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其再生方法流程圖如圖13所示。研究結(jié)果表明：采用低速再生、高速離心脫水的工藝可很好地實(shí)現(xiàn)水玻璃舊砂的濕法再生和脫水；在700r/min條件下離心脫水90s，再生砂含水量達(dá)4.25%，降低了再生砂干燥能耗；再生砂的脫膜率隨著再生轉(zhuǎn)速的增大先增加后減小，隨著再生時(shí)間的增加而增大，隨著耗水量的增大而增大；較優(yōu)的再生工藝參數(shù)如下：一次耗水量30%、再生時(shí)間15min、再生轉(zhuǎn)速84r/min、脫水時(shí)間90s，濕法再生3次（即1t舊砂再生總耗水量為0.9t），此時(shí)再生砂表面比較光滑、沒(méi)有殘留粘結(jié)劑膜，再生脫膜率可達(dá)90.04%。表5所示為采用該方法再生的水玻璃濕法再生脫膜率測(cè)試結(jié)果。該方法實(shí)現(xiàn)了再生和脫水一體化，經(jīng)多次濕法再生可使脫膜率達(dá)到90%以上。

表5 耗水量和再生次數(shù)對(duì)脫膜率的影響（%）

（5）提出了一種水玻璃舊砂濕法再生的堿性污水回收方法[32]，該方法的步驟如下：將舊砂和水按一定比例加入再生處理池中進(jìn)行濕法再生；再生濕砂從池中取出脫水，再多次淋洗、脫水；脫除的高濃度污水經(jīng)過(guò)濾返回到池中做下一批舊砂再生用水，直到池中污水堿度超過(guò)2mol/L，抽出池內(nèi)高濃度堿性污水，經(jīng)過(guò)濾做堿性原料回收；之后將低濃度污水經(jīng)過(guò)濾加入池中彌補(bǔ)抽掉的高濃度污水繼續(xù)再生舊砂，重復(fù)上述再生過(guò)程；多次淋洗、脫水后的再生砂若Na2O含量高于0.05%，則需進(jìn)行強(qiáng)擦洗再生。圖14所示為該方法的工藝流程圖。

綜上所述，濕法再生水玻璃舊砂具有脫膜率高、舊砂回用率高、再生砂質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，目前被認(rèn)為是最有效的水玻璃舊砂再生方法，但其存在耗水量大、污水處理困難的問(wèn)題。近年來(lái)，少耗水量的濕法再生水玻璃舊砂工藝成為研究的熱點(diǎn)。

圖14 水玻璃舊砂濕法再生的堿性污水回收方法流程圖

4 舊砂再生的發(fā)展趨勢(shì)

各類(lèi)舊砂的特征不同，需要采用不同的再生方法與裝備，研究開(kāi)發(fā)適于各類(lèi)舊砂低成本高效率地再生回用方法、工藝及裝備是鑄造技術(shù)進(jìn)步的重要內(nèi)容與方向。筆者認(rèn)為未來(lái)鑄造舊砂再生的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）適于各類(lèi)舊砂或混合舊砂的低成本再生回用工藝方法及設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)所有舊砂的合理再生和綜合利用。

（2）干法（機(jī)械）再生相對(duì)簡(jiǎn)單，要重視熱法、濕法、尤其是多種方法復(fù)合再生技術(shù)及裝備的研發(fā)，應(yīng)根據(jù)不同舊砂的性能特點(diǎn)采用不同的再生方法。

（3）熱法再生的余熱回用、水玻璃舊砂（堿酚醛樹(shù)脂舊砂）再生的堿性物質(zhì)回用、生物再生、超聲波再生、微波再生等新技術(shù)及應(yīng)用，值得關(guān)注與期待。

實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的關(guān)鍵之一是舊砂完全回用、再生技術(shù)進(jìn)步。采用先進(jìn)技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)鑄造廢舊砂（渣）的再生利用、廢水的循環(huán)使用、廢氣的凈化排放。這不僅可以較大地節(jié)約鑄造企業(yè)的生產(chǎn)成本，還可以大大減少鑄造生產(chǎn)帶來(lái)的排放污染，是鑄造工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求。