粘土舊砂濕法再生技術(shù)的研究

孫清洲 ，任文成 ，許榮福 ，楊 宸 ，單寶香 ，韓 勇

（1．山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250101；2．山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，山東濟南 250101；3．山東省科學(xué)技術(shù)廳機關(guān)服務(wù)中心，山東濟南 250101）

粘土砂工藝是最常用的砂型鑄造工藝之一，由粘土砂工藝生產(chǎn)的鑄件占到由砂型鑄造工藝生產(chǎn)鑄件的50%以上。據(jù)統(tǒng)計，在粘土砂鑄造生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1噸鑄件將產(chǎn)生1噸廢砂，為此每年將產(chǎn)生大量的粘土砂廢砂，大量粘土廢砂的排放不僅污染了環(huán)境，同時也造成了鑄造砂資源的浪費，為此粘土舊砂再生技術(shù)受到了廣大鑄造工作者的關(guān)注。

粘土舊砂再生分為干法再生和濕法再生，其中粘土舊砂干法再生及再生砂改性技術(shù)已在《鑄造粘土舊砂完全再生技術(shù)》[1]及相關(guān)文獻中有較詳細的介紹[2－6]，而介紹粘土舊砂濕法再生技術(shù)的相關(guān)文獻卻較少，為此，以含覆膜砂芯砂粘土砂為研究對象，開展了粘土舊砂濕法再生技術(shù)的試驗研究，以促進廣大鑄造工作者對粘土舊砂濕法再生技術(shù)的了解，推動粘土舊砂再生技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1 試驗儀器設(shè)備及材料

試驗用主要儀器及設(shè)備有TG71工業(yè)天平、JD200—3G電子天平、SSD電磁微震篩砂機、SLX洗砂機、DHG—9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、XQY—II智能型砂強度儀、S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機、SX2—5—12箱式電阻爐等。

試驗用原砂為河北圍場砂，其主要性能如表1所示。膨潤土為維科膨潤土，吸藍量為35．6mL，煤粉為山東平度產(chǎn)SMF—Ⅰ型煤粉，濟南圣泉集團公司生產(chǎn)的熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品、硬脂酸鈣、冷芯盒樹脂、三乙胺等。

2 粘土舊砂濕法再生工藝的確定

為了研究粘土舊砂濕法再生的工藝路線，本文以含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂為研究對象，分別對“水洗”（再生工藝Ⅰ）、“水洗后焙燒”（再生工藝Ⅱ）、“焙燒后水洗”（再生工藝Ⅲ）三種粘土舊砂濕法再生工藝進行了試驗研究。

稱取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g放入SXW渦流式洗砂機的洗砂杯中，倒入100mL水，擦洗5min后，靜置10min，用虹吸管將污水抽出，如此反復(fù)擦洗4次，用濾紙將砂子濾出，然后放入電熱式干燥箱中在105℃下烘干至恒重，即得到由再生工藝Ⅰ再生的再生砂。將由再生工藝Ⅰ所獲得的再生砂放入SX2—5—12箱式電阻爐中，在600℃溫度下焙燒15min后冷卻至室溫，即可得到由再生工藝Ⅱ再生的再生砂。稱取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g放入SX2—5—12箱式電阻爐中，在600℃溫度下焙燒15min后冷卻至室溫，將砂子放入SXW渦流式洗砂機的洗砂杯中，倒入100mL水，擦洗5min后，靜置10min，用虹吸管將污水抽出，如此反復(fù)擦洗4次，用濾紙將砂子濾出，然后放入電熱式干燥箱中，在105℃下烘干至恒重即得到由再生工藝Ⅲ再生的再生砂。取由三種濕法再生工藝所獲得的再生砂并分別測試其粒度、耗酸值、含泥量、角形系數(shù)、灼燒減量以及發(fā)氣量，結(jié)果如表2所示。

表1 原砂的主要性能

表2 粘土砂的濕法再生砂主要性能

表3 原砂及粘土砂的濕法再生砂混制覆膜砂的熱態(tài)及常溫抗拉強度

分別取新砂以及由上述三種濕法再生工藝所獲得的濕法再生砂各1000g，在實驗用覆膜砂混砂機上制備覆膜砂，并在冷卻至室溫后分別在覆膜砂制樣機上制備“8”字抗拉強度試樣，然后分別測試其熱態(tài)抗拉強度和常溫抗拉強度，結(jié)果如表3所示。

對比表1和表2可以看出，由再生工藝Ⅰ所獲得的再生砂其發(fā)氣量高于由新砂和由再生工藝Ⅱ及再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的發(fā)氣量，由于粘土砂濕法再生的目的是將再生砂用于制芯，而砂子的發(fā)氣量大則是制芯所不允許的，因此再生工藝Ⅰ首先在濕法再生工藝中被淘汰。由再生工藝Ⅱ和再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的性能均優(yōu)于新砂，且由再生工藝Ⅱ所獲得再生砂的發(fā)氣量略低于由再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的發(fā)氣量。

由表3可以看出，由再生工藝Ⅱ所獲得再生砂混制覆膜砂的室溫抗拉強度高于由再生工藝Ⅲ獲得再生砂和新砂混制覆膜砂的常溫抗拉強度，且采用再生工藝Ⅱ時，在對砂子進行焙燒附段，已去除了砂子中的泥分，減少了焙燒砂子的質(zhì)量，和再生工藝Ⅲ相比節(jié)約了能源，綜上所述，再生工藝Ⅱ是適宜的濕法再生工藝路線。但由于這時再生砂的耗酸值仍然較高，為此將濕法再生工藝Ⅱ進行了改進，在水洗后加酸調(diào)節(jié)再生砂的耗酸值，使其耗酸值降低至5mL以下。故最終確定的粘土砂濕法再生工藝路線為“水洗+酸洗+焙燒”。

3 粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的確定

粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)就是一個對粘土舊砂進行擦洗并消除芯砂混入有害影響的過程，本研究中對粘土舊砂的擦洗采用渦流擦選的方式，屬于強力擦洗的一種，不再對擦洗方式展開相應(yīng)研究，因此粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)工藝參數(shù)主要為洗砂次數(shù)、水砂比、洗砂時間、擦洗機的轉(zhuǎn)速及改性加酸量的確定。

3.1 粘土舊砂濕法再生擦洗速度的確定

分別取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g，加入洗砂杯中倒入100g清水，分別在SXW渦輪式洗砂機上以 1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min的轉(zhuǎn)速進行擦洗，每次擦洗時間為5min，每次擦洗結(jié)束后，靜置10min，然后用虹吸管將污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中水澄清為止，然后將洗砂杯內(nèi)的砂子濾出并烘干至恒重，分別測定每組砂子的含泥量，同時記錄各組的擦洗次數(shù)。其結(jié)果如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速及擦洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表4可以看出，當(dāng)擦洗機的轉(zhuǎn)速為1000r/min和1100r/min時，對粘土砂舊砂進行5次擦洗所得到再生砂的含泥量低于擦洗機在1200r/min及以上轉(zhuǎn)速下經(jīng)4次擦洗得到再生砂的泥分含量。當(dāng)擦洗機的轉(zhuǎn)速為1200r/min、1300r/min和1400r/min時，對粘土砂舊砂進行5次擦洗所得到再生砂的含泥量相近，且低于新砂的含泥量。擦洗轉(zhuǎn)速高將會增加轉(zhuǎn)子葉片的磨損，擦洗次數(shù)多將降低生產(chǎn)效率，綜合考慮兩方面因素，粘土砂舊砂濕法再生擦洗機的適宜轉(zhuǎn)速確定為1200r/min。

3.2 粘土舊砂濕法再生擦洗時間的確定

分別取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g，加入洗砂杯中，倒入100 g清水在SXW渦輪式洗砂機上以轉(zhuǎn)速 1200r/min 分別擦洗 3min、4min、5min、6min、7min，靜置 10min，用虹吸管將洗砂杯中的污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中水澄清為止，然后將洗砂杯內(nèi)的砂子濾出并烘干至恒重，測定再生砂的含泥量，同時記錄各組的擦洗次數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同擦洗時間及沖洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表5可以看出，在1200r/min轉(zhuǎn)速下分別對粘土砂舊砂擦洗3min和4min，經(jīng)擦洗5次后所獲得的再生砂泥分含量均高于擦洗時間在5min及以上擦洗4次所獲得再生砂的泥分含量。在1200r/min轉(zhuǎn)速下分別對粘土砂舊砂擦洗5min、6min、7min，經(jīng)4次擦洗后所獲得再生砂的泥分含量基本相等，且擦洗時間短在生產(chǎn)中可以提高再生設(shè)備的生產(chǎn)效率，因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生擦洗的適宜時間確定為5min。

3.3 粘土舊砂濕法再生水砂比的確定

稱取4組含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g的試樣，分別加入洗砂杯中，然后按照水和砂子的質(zhì)量比為 0．5:1、1:1、1．5:1、2:1，的比例分別向洗砂杯中加入 50g、100g、150g、200g清水，在 SXW 渦流式洗砂機上以轉(zhuǎn)速1200r/min進行擦洗，每次擦洗時間為5min，然后靜置10min，用虹吸管將洗砂杯中的污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中的水澄清為止，然后將洗砂杯中的砂子用濾紙濾出并烘干至恒重，分別測定再生砂的含泥量，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同水砂比及擦洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表6可以看出，當(dāng)水砂比為0.5∶1對粘土舊砂進行第一及第二級擦洗時，由于砂子的泥分含量高，水量太小無法實現(xiàn)對砂子的擦洗，故對于粘土舊砂的第一級及第二級擦洗這種水砂比不能使用。當(dāng)水砂比為 1∶1、1.5∶1、2∶1 時分別對粘土砂舊砂進行4次擦洗后所獲得再生砂的含泥量很接近，且均低于新砂的泥分含量。在水砂比分別為1∶1、1.5∶1、2∶1 時，水砂比為 1∶1 時在擦洗過程中用水量最少，因此，粘土舊砂濕法再生水洗時適宜的水砂比為1∶1。另外，在對粘土砂舊砂濕法再生過程中發(fā)現(xiàn)，對舊砂進行三級擦洗后砂子中的泥分含量較低，這時采用0.5∶1的水砂比即可對砂子進行擦洗。因此，最終確定粘土舊砂濕法再生水洗過程中適宜的水砂比為前三次1∶1，第四次0.5∶1。

3.4 粘土砂舊砂濕法再生改性加酸量的確定

對粘土舊砂的濕法再生砂進行加酸改性的目的就是要降低濕法再生砂的耗酸值，其控制目標(biāo)為將濕法再生砂的耗酸值控制在5mL以下。稱取烘干至恒重的粘土濕法再生砂試樣三個，每個試樣100 g，分別放入燒杯內(nèi)，依次向1至3號試樣中用移液管向燒杯內(nèi)加入0.1mol/L的鹽酸標(biāo)準溶液2mL、3mL和4mL，分別測定三組再生砂的耗酸值，結(jié)果記錄于表7中。

表7 不同鹽酸標(biāo)準溶液加入量下再生砂的耗酸值

由表7可以看出，當(dāng)鹽酸標(biāo)準溶液加入量為4mL時，粘土舊砂的濕法再生的耗酸值為4.4mL，低于鑄造行業(yè)對混制化學(xué)粘結(jié)劑型(芯)砂耗酸值小于5mL的要求，因此，將含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂濕法再生過程中的改性加酸量控制在每100g濕法再生砂加入0.1g/mol鹽酸標(biāo)準溶液4mL。

4 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的確定

4.1 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)溫度的確定

取經(jīng)“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂若干組，加入SX2—5—12箱式電阻爐中分別在 550℃、580℃、600℃、650℃、700℃溫度下焙燒15min，然后在干燥器中冷卻至室溫，并分別測試其灼燒減量及發(fā)氣量。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同焙燒溫度下粘土舊砂濕法再生砂的灼燒減量及發(fā)氣量

由表8可以看出，在對“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂在550～700℃的溫度下進行焙燒時，在550～600℃的溫度范圍內(nèi)，隨焙燒溫度的升高再生砂的灼燒減量和發(fā)氣量逐步下降，當(dāng)焙燒溫度達到600℃時舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量均達到了最小值，繼續(xù)升高焙燒溫度，舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量不再降低，說明在600℃焙燒15min的條件下，包裹在舊砂表面的樹脂膜和舊砂中的殘留揮發(fā)分已經(jīng)完全被去除。因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)適宜的溫度為600℃。

4.2 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)時間的確定

取經(jīng)“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂若干組，在SX2-5-12箱式電阻爐 中 以 600℃ 分 別 焙 燒 10min、13min、15min、17min、20min，然后將焙燒后的砂子放入干燥器中冷卻至室溫，分別測試其灼燒減量及發(fā)氣量。結(jié)果如表9所示。

表9 不同焙燒時間下粘土舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量

由表9可以看出，在對“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂在600℃下分別焙燒10min～20min時，在焙燒時間在10min～15min的范圍內(nèi)，隨焙燒時間的延長舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量逐步下降，當(dāng)焙燒時間達到15min時舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量均達到了最小值，繼續(xù)延長焙燒時間，舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量不再降低，說明在600℃下焙燒15min，包裹在舊砂表面的樹脂膜和舊砂中的揮發(fā)分已經(jīng)完全被去除。因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生焙燒過程適宜的焙燒時間為在600℃下焙燒15min。

5 結(jié)論

（1）粘土舊砂濕法再生適宜的工藝路線為水洗+改性+焙燒。

（2）粘土舊砂濕法再生適宜的工藝參數(shù)為在1200r/min的轉(zhuǎn)速擦洗四次，每次擦洗時間為5min，前三次的水砂比為1∶1，最后一次的水砂比為 0.5∶1。

（3）對水洗后的砂子用鹽酸進行改性，其加入量為每100g砂子加入0.1mol/L的鹽酸標(biāo)準溶液4mL。

（4）焙燒環(huán)節(jié)的適宜溫度為600℃，焙燒15min。

（5）用適宜的工藝路線和工藝參數(shù)對含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂進行濕法再生，并用再生砂制備覆膜砂，其熱態(tài)抗拉強度為1.246MPa，常溫抗拉強度為1.694MPa，均達到或超過了由新砂混制覆膜砂的熱態(tài)和常溫抗拉強度。