（材料加工工程专业论文）含冷热芯盒砂粘土旧砂的再生及应用.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 我国的铸造技术已有5 0 0 0 年的历史，其中粘土砂铸造是最常用的三大砂型铸造方 法之一。由于粘土砂铸造生产工艺具有原材料成本低，易于处理，复用性强，储存、运 输方便等优点，即便各种化学粘结剂砂获得广泛应用，粘土砂铸造成形仍是最重要的铸 造生产方法。我国是铸件生产大国，大约有6 0 的铸件为粘土砂铸件，因此每年扔掉大 量的废旧粘土砂，这不仅是对自然资源的巨大浪费，而且对环境也造成了极大污染，为 此_ 丌展粘土旧砂完全再生技术的研究，是降低铸件生产成本、减少环境污染和节约资源 的一项重要措施，对铸造行业的可持续发展具有十分重要的意义。 目前，粘土旧砂再生分为完全再生和不完全再生两种情况。粘土1 日砂不完全再生是 通过再生，去除旧砂中的部分泥分，从而改善旧砂工艺性能的一种再生工艺，这时再生 砂的泥分含量仍然较高，芯砂混入对型砂性能的影响没有得到消除，再生砂仅能重新用 于粘土砂系统以改善旧砂的工艺性能，从而减少铸造生产过程中的新砂加入量和旧砂的 排放量。粘土旧砂完全再生就是通过再生，不但要改善再生砂的粒度分布，而且要使再 生砂中的微粉含量达到等于或低于同种新砂的水平，同时部分或全部消除芯砂混入对型 砂性能的影响，最终将再生砂用于有机粘结剂( 或液态无机粘结剂) 制芯。 本课题采用理论分析和实验研究相结合的方法。在深入了解粘土旧砂再生技术国内 外发展现状的基础上，对粘土旧砂的性质及其再生机理进行了详细分析，并结合课题组 前期的研究基础，确定了粘土旧砂再生技术路线，即采用高温脆化、磨轮再生处理的方 法以去除粘土旧砂表面的粘土膜，然后通过对再生处理后的旧砂进行微粉分离，最终获 得粘土完全再生砂。通过对再生砂常温性能测试，评价高温脆化+ 磨轮再生+ 微分分离的 粘土旧砂再生工艺对含冷( 热) 芯盒砂粘土砂完全再生的可行性；通过对再生砂用于混 制冷( 热) 芯盒砂时的铸造工艺性能的研究，确定再生砂对冷( 热) 芯盒砂工艺的适应 性，并分析影响再生砂性能的因素。 通过对含冷芯盒砂粘土砂体系和含热芯盒砂粘土砂体系的完全再生实验研究，发现 再生砂和同种新砂相比粒度不发生明显变化、角形系数和微粉含量降低、粒形更趋圆整， 但耗酸值提高。 对冷芯盒粘土砂体系粘土完全再生砂用于冷芯盒工艺和热芯盒粘土砂体系完全再 生砂用于热芯盒工艺分别进行试验研究。研究发现由热芯盒粘土砂体系粘土完全再生砂 1 山东建筑大学硕士学位论文 混制的热芯盒砂其热态抗拉强度、常温抗拉强度均低于由同种新砂混制的热芯盒树脂砂 的热态抗拉强度、常温抗拉强度，但仍可满足铸造生产的要求。由冷芯盒粘土砂体系粘 土完全再生砂混制的冷芯盒砂树脂砂的即时抗拉强度值和1 h 抗拉强度值均低于由同种 新砂混制的冷芯盒树脂砂抗拉强度值，但仍可满足铸造生产的要求。 在对原砂和再生砂进行全化学分析的基础上，采用对比排除法对影响再生砂性能的 因素进行了分析，通过x 射线荧光光谱分析、s e m 和e d s 分析相结合的方法进行研究， 发现再生砂砂粒表面残留的死粘土和灰分是影响再生砂耗酸值增加的一个因素，而粘土 旧砂中含有的冷( 热) 芯盒等树脂类芯砂，不会影响再生砂的耗酸值。因此，减少残留 在再生砂砂粒表面残留的死粘土会提高再生砂的工艺性能。 关键字：粘土旧砂，再生砂，完全再生，物相分析，耗酸值 山东建筑大学硕士学位论文 r e c l a m a t i o no fg r e e ns a n dc o n t a i n i n gc o l d b o x ( o rh o t - b o x ) r e s i n s a n da n di t sa p p l i c a t i o n x u r o n g f u ( m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys u n q i n g z h o u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff o u n d r yt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r em o u l d i n gm e t h o d sa le a p p e a r e d a tp r e s e n t ，a l t h o u g ht h ef o u n d r yt e c h n o l o g yh a sal o n gh i s t o r yw h i c hh a sb e e n e x i s t e df o r5 0 0 0y e a r si nc h i n aa n dn o wm a n yk i n d so fc h e m i c a l - b o n d e ds a n da r ed e v e l o p e d v e r yf a s t , t h ec l a y - b o n d e ds a n dc a s t i n gp i d i 阚w h i c hh a sm o l eu n i q u ea d v a n t a g e , i ss t i l l b e c o m eo n eo ft h em o s to d m m o nc a s t i n gp r o c e s su s e di nt h ef o u n d r yi n d u s t r y a sw ek n o w , a l lo v 盯t h ew o r l d , c h i n ah a sb e c o m et h el a r g e s tp r o d u c e ro fc a s t i n g sw h i c ha b o u t6 0 o f c a s t i n g sa r ep r o d u c e db yt h ec l a y - b o n d e ds a n dc a s t i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，t h ep h e n o m e n o n o ft h eg r o w i n gn u m b e ro fu s e dc l a ys a n dt h r o w na w a y , w h i c hh a sc a i l s e dah u g ew a s t eo f n a t u r a lr e s o u r c e sa n da l s om o r ea n dm o r ep o l l u t i o nt oo u re n v i r o n m e n t ，h a sb e c o m eah o t t o p i co v e rt h er e c e n ty e a r f o ri n s t a n c e ，t h e r ei sag r o w i n gt e n d e n c yf o rt h es t u d y i n go nt h e t o t a lr e c l a m a t i o no fu s e dg r e e ns a n d ，w h i c hw i l lc u td o w no v e r a l lp r o d u c t i o nc o s t sa n d p r o t e c te n v i r o n m e n t s ot h ef o u n d r y m a nh a sb e e ns h o w i n ga ni n c r e a s i n gi n t e r e s t e di n r e c l a m a t i o no fu s e dg r e e ns a n d i nab r i c t h es t u d y i n ga n da p p l i c a t i o no nt h eu s e ds a n d r e c l a m a t i o ni sag r e a ts i g n i f i c a n c et os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h ef o u n d r yi n d u s t r y t w os y s t e m so fs a n dr e c l a m a t i o na r ec o m m o n l yu s e da tp r e s e n t o n eo ft h es i m p l e r e c l a m a t i o ns y s t e m si so n et h a tr e c l a i m e dg r e e ns a n dr e t u l t i sb a c ki n t og r e e ns a n d ，b yw h i c h o n l ya - p r o p o r t i o no f t h eb e n t o n i t ea n do t h e rf i n e si sr e m o v e df r o mt h es a n d a n o t h e rr o u t ei 釜 t h a tr e c l a i m e dg r e e ns a n di su s e dt oc a 3 r cs a n d ，b yw h i c ha l lb i n d e r sw e r er u na ta l lr e c l a i m e d s a n da n da tt h es a m eb i n d e ra n dc a t a l y s tl e v e la si nt h en e ws a n dr u n s i no t h e rw o r d 8 ，t h e r e c l a i m e dg r e e ns a n d ，w h i c hh a sal o w e rc l a yc o n t e n tt h a nt h es a m eb a s es a n d ，h a sb e e n r e u s e di nc o r e - m a k i n gp r o c e s s t h em e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sc o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a ls t u d y i n ga r ca d o p t e di n t h i sp a p e r b a s e do nu n d e r s t a n d i n gt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fu s e dg r e e ns a n dr e c l a m a t i o n i i i 山东建筑大学硕士学位论文 t e c h n o l o g yw h i c hi n t r o d u c e da th o m ea n da b r o a d ，t h ep r o p e r t i e so fu s e dg r e e ns a n da n dt h e m e c h a n i s mo fr e c l a m a t i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l c o n s e q u e n t l y , i no r d e rt or e m o v et h e b e n t o n i t ef r o mt h es a n dg r a i n sa n do b t a i nt h er e c l a i m e ds a n d ，c a l c i n a t i o nf o l l o w e db y m e c h a n i c a la t t r i t i o nw a sc h o s e na st h ep r o c e s so fr e c l a m a t i o nw h i c hw a sd e t e r m i n e db y s t u d y i n gb a s e m e n to fo u rs t u d y i n gt e a m t h o u g ht e s t i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f r e c l a i m e d s a n d ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h er e c l a m a t i o np r o c e s si se v a l u a t e d t h ea d a p t a b i l i t yo ft h er e c l a i m e d s a n dw h i c hw e r ea p p l i e dt oc o l d - b o x ( o rh o t - b o x ) r e s i ns a n dp r o c e s si sd e t e r m i n e db y s t u d y i n gi t sf o u n d r yt e c h n o l o g yp e r f o r m a n c e a tl a s t ，t h ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h er e c l a i m e d s a n sp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r eo b t a i n e db yt h er e c l a m a t i o no fg r e e ns a n dc o n t a i n i n g c o l d - b o x ( o rh o t - b o x ) r e s i ns a n d f r o mt h er e s u l t s ，i tc a l l b ef o u n dt h a t , t h eg r a i ns i z z d i s t r i b u t i o na n dt h es h a p ef a c t o ro ft h er e c l a i m e ds a n di s1 1 0s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sw h i c h w e r ec o m p a r e dw i t l lt h eb a s es a n d 1 1 他c l a yc o n t e n td a t ai n d i c a t e st h a tt h er e c l a i m e ds a n d a p p e a r c l e a n e r d u et ot h ep r e s e n c eo fa g g l o m e r a t e d 蛐a n df i n e sr e m o v a ld u r i n g r e c l a m a t i o n t h ea c i dd e m a n dv a l u eo ft h er e c l a i m e ds a n di sh i g h e rt h a nm a to ft h eb a s e s a n d t h ea p p l i c a t i o no fr e c l a i m e ds a n df o rc o l d - b o x ( o rh o t - b o x ) r e s i ns a n dp r o c e s sa r ca l s o s t u d i e d f r o mt h er e s u l t s ，i tc a l lb eo b s e r v e dt h a t , t h et o pv a l u eo ft e n s i l es t r e n g t hi so b t a i n e d f r o mt h ec o r es a n dp r e p a r e d 奶mt h eb a s es a n d i no t h e rw o r d s ，t h et e n s i l es t r e n g t hv a l u eo f c o l d - b o x ( o rh o t - b o x ) r e s i ns a n dp r o c e s sw h i c hp r e p a r e dw i t ht h er e c l a i m e ds a n di sl o w e rt h a n t h a to ft h es t a t eo fb a s es a n d a l t h o u g ht h ef o u n d r yt e c h n o l o g yp e r f o r m a n c eo fc o l d - b o x ( o r h o t - b o x ) r e s i ns a n dp r o c e s sw h i c hw e r ep r e p a r e dw i t ht h er e c l a i m e ds a n di sn o tw r yg o o d ， t h er e c l a i m e ds a n dc a ns t i l lm e e tt h ec a s t i n gp r o c e s sn e e d s h e n c et h er e c l a i m e ds a n da r e s a t i s f a c t o r yf o rt h ec o r e - m a k i n gp r o c e s s m e t h o do fc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，w h i c hi sb a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ec h e m i c a lp h a s e a n a l y s i so ft h eb a s es a n da n dt h er e c l a i m e ds a n d ，i sa d o p t e di i l t h es t u d y i n go nt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h er e c l a i m e ds a n dp r o p e r t i e s t e s tr e s u l t sa r eo b t a i n e db yf l u o r e s c e n tx r a ys p e c t r o s c o p y , s e ma n de d sa n a l y s i s i tc a nb eo b s e r v e dt h a tt h ed e a dc l a ya n dd a s h w h i c hl e f to nt h es a n dg r a i ns u r f a c ei n c r e a s et h ea c i dd e m a n dv a l u eo ft h er e c l a i m e ds a n d ， w h i l et h er e s i nc o r es a n dw h i c hc o n t a i n e do i lt h eu s e ds a n dm a yb en o ta f f e c tn l ea c i d i v 山东建筑大学硕士学位论文 d e m a n dv a l u e t h u s ，i ti sag o o da p p r o a c ht oi m p r o v et h ep c r f o r m a n c 跫o ft h er e c l a i m e ds a n d , b yc o n t r o l l i n gt h ec o n t e n to fd e a dc l a yw h i c hl e f to nt h es a n dg r a i ns u l f a c e k e y w o r d s ：u s e dg r e e ns a n d ，r e c l a i m e ds a n d ，t o t a lr e c l a m a t i o n ，c h e m i c a lp h a s ea n a l y s i s ， a c i dd e m a n dv a l u e v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：日期丝! 嘶 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 ! 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导 师签名： 日期列口。6 自埤日期止 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 粘土旧砂再生的研究意义 根据出土文物考证和文献记载，我国的铸造技术已有5 0 0 0 年的历史，是世界上较 早掌握铸造技术的文明古国之一【粘土砂铸造生产已有悠久的历史，但目前仍然是我 国常用的三大砂型铸造方法之一，在铸造行业获得了广泛的应用。据美国铸造杂志 ( m o d e r nc a s t i n g ) 报道，2 0 0 7 年我国铸件总产量达到3 1 2 7 万吨【2 1 ，是名副其实的世界 铸件生产第一大国，其中绝大部分都是砂型铸件。目前，在砂型铸造生产中主要存在粘 土砂( 即湿型砂) 和化学粘结剂砂两种体系【3 】，但是由于粘土砂铸造生产工艺具有原材 料成本低，易于处理，复用性强，储存、运输方便等优点，即便是在各种化学粘结剂砂 迅猛发展的今天，粘土砂铸造仍然是应用最多的铸造生产方法。 在铸造生产过程中，由于浇注时高温金属液的热作用，使靠近铸型型腔表面的部分 粘土因受到高温金属液的烘烤作用失去结晶水，丧失粘结能力而成为死粘土，这些粘土 一部分以粉状形式混于型砂之中，另一部分则呈陶瓷薄膜牢固地包裹在砂粒表面，严重 影响型砂的性能，使型砂的可塑性、透气性降低，脆性增加；其次，由于受到金属的重 复热作用，有少量的砂粒破碎，其破碎后的微粒也混于旧砂之中，成为旧砂中粉尘的一 部分，进而影响到型砂的性能；另外，大量有机或无机粘结剂芯砂应用于现代铸造生产 中，这些芯砂中有机粘结剂的分解产物也部分混入型砂中，当其含量达到一定的数值之 后，将进一步降低粘土型砂中粘土的活性，使型砂的性能恶化。因此，为了生产出合格 的铸件，各生产企业通过定期或不定期排放部分旧砂，并同时加入新砂的方式来稳定型 砂的性能。 生产实践证明，将性能恶化的粘土旧砂不经过再生而直接用于铸造生产，一方面会 增加型砂的发气量，容易使铸件产生气孔或呛火等铸造缺陷；另一方面经一次浇注后残 存在旧砂表面的粘土膜具有不完整性i 在进行第二次混砂时会在砂粒和新形成的粘结剂 膜之间形成中介层，严重削弱砂型的强度【4 5 1 。因此，对于性能恶化的1 日砂必须经过再 生处理才能恢复其良好的铸造工艺性能。 粘土旧砂再生技术研究的意义表现在如几个方面【4 】： ( i ) 技术方面 粘土旧砂在反复使用过程中，每经过一次循环使用，砂粒都要经受一次金属液的热 冲击，形成部分死粘土，在后续的落砂、破碎、筛分等处理过程中，要经受机械冲击、 山东建筑大学硕士学位论文 磨擦、振动作用而使粘土膜和部分砂粒破碎形成粉尘。而在再生过程中上述粉尘及砂粒 表面的粘土膜将被从旧砂中去除，且所获得的再生砂具有急热膨胀小，热稳定性好、砂 粒粒形更趋圆整、化学稳定性能好、含泥量低等方面的特点【6 ，因此旧砂再生具有技 术上的可行性和良好的应用前景。 ( 2 ) 环境保护方面 随着工业的不断发展，工业污染所造成的危害同益凸显。在传统的机械行业中，尤 其是在铸造生产中由于新技术、新工艺的不断应用，特别是各种树脂砂和水玻璃砂的大 力推广应用，除了砂中粘土、煤粉等粉尘之外，树脂、水玻璃等物质对大气、对地下水 会造成一定程度的污染。对旧砂进行再生处理会在减少废砂排放量、减少对环境污染等 方面为环境保护做出相应的贡献。 ( 3 ) 经济效益方面 砂子的费用是铸件生产成本的重要组成部分。若用再生砂代替新砂或部分代替新砂 使用，可大大降低新砂的消耗，同时减少1 日砂的排放、减少新砂购置费用和废弃砂的排 放费用、节省库房建设及占用费用，因此说旧砂再生处理会获得良好的经济效益。 ( 4 ) 资源保护方面 由于再生砂在一定程度上能够完全代替新砂或部分代替新砂使用，可以大大减少对 日益匮乏的硅砂资源的消耗，在资源保护方面起到积极的作用。 据统计，我国每生产1 吨铸件就要消耗1 吨新砂，而且废弃的型砂都将作为固体废 弃物直接扔掉，若按6 0 的铸件产量是采用粘土砂铸造工艺生产来计算，那么2 0 0 7 年 我国采用粘土砂铸造工艺生产的铸件总量将达到1 8 7 6 万多吨，据此，我国2 0 0 7 年的新 砂用量和废砂排放量将达1 8 7 6 多万吨。随着我国铸件产量的逐年增加，废砂的大量排 放不仅造成对自然资源的巨大浪费，同时也会对自然环境造成严重污染。因此，开展粘 土旧砂再生技术的研究，是降低铸件成本、减少环境污染和节约资源的一项重要举措。 目前，粘土旧砂再生主要有完全再生和不完全再生两种情况。粘土旧砂不完全再生 就是通过再生，去除旧砂中的部分粘土膜及泥分，从而改善旧砂的铸造工艺性能，此时 再生砂中泥分含量仍然较高，芯砂混入对型砂性能的影响没有得到消除，再生砂仅能重 新回到粘土砂系统，以改善旧砂的工艺性能，从而减少铸造生产过程中的新砂加入量和 旧砂的排放量。当铸件生产过程中芯子的数量较多时，由于各种有机粘结剂芯砂的大量 混入，砂处理系统中的旧砂量将逐渐增加并超出砂处理系统所能容纳的砂量，这时必须 经常排出一部分旧砂，以保证砂处理系统的平衡，此时排出的旧砂要想重新回到砂处理 山东建筑大学硕士学位论文 系统，须要经过完全再生处理使其达到可用于有机粘结剂制芯的要求，由此获得的再生 砂称为完全再生砂。粘土旧砂的不完全再生在国内已有多家成功的实例，而粘土旧砂的 完全再生是目前铸造界所亟待解决的热点问题之一，为此开展粘土旧砂完全再生技术的 研究具有重要的现实意义。一 粘土旧砂因其所含芯砂不同而分为多种体系，因此粘土旧砂完全再生不仅要研究相 同体系粘土旧砂的再生及应用问题，而且要研究不同体系粘土旧砂的再生及应用问题。 而含冷( 热) 芯盒砂粘土旧砂的再生及在冷( 热) 芯盒树脂砂中的应用研究就是相同体 系粘土旧砂完全再生研究的重要组成部分。 1 2 粘土旧砂再生的国内外研究现状 1 2 。l 粘土i b 砂再生的国外研究现状 国外粘土旧砂再生始于1 9 1 2 年，迄今己有近百年的历史，从其发展进程大致可分 为四个阶段【3 】。 在旧砂再生技术的发展初期，卡普罗曾发表了铸造厂的废砂的文章，在文中介 绍了一种湿法再生机，旧砂通过这种再生机处理后可以获得8 0 - 9 0 的再生砂【9 1 。早 期的粘土旧砂再生装置主要以湿法水洗搅拌，机械搅拌、辗压或二级筛分为主。在这个 阶段，旧砂再生的对象主要是铸造生产中产生的粘土旧砂，其目的就是通过再生处理以 降低旧砂中的含泥量，使再生砂的性能得到提高并最终用于生产中，但此时获得的再生 砂仍用于粘土砂生产中。 进入2 0 世纪4 0 到5 0 年代，铸造生产者先后研发了机械离心再生、振动再生、抛 丸再生、竖吹式气流再生以及联合式旧砂再生装置，并出现了一些定点生产企业，旧砂 再生设备在铸造生产企业中获得应用；其中机械离心式再生、抛丸再生、竖吹式气流再 生，除可用于有机粘结剂芯砂再生外，同时还用于粘土砂的再生，而这时的再生粘土砂 也仅能用于粘土砂工艺。在此期间，d l l o n g e v i l l e ( 朗格维勒) 和w l h e r t l e y ( 哈里 特) 等1 1 0 1 分别介绍了热法再生理念，并将这一理念应用于生产中，但再生粘土砂只是 有少数成功使用的经验；到1 9 4 6 年e c j e t e r ( 简特) 首次提出了气流再生的理斜1 2 1 ， 使再生方法进一步得到拓展；到1 9 5 3 年，qh c u r t i s ( 柯蒂士) 介绍了旧砂联合再生 系统及其应用，通过湿法与热法联合再生处理去除旧砂中的有机物，这一联合处理方法 具有能够提高型砂抗拉强度的优点，并首次对含有有机粘结剂芯砂的粘土旧砂再生进行 了研究；同年，美国铸造协会的会刊出版了一个专集专门介绍了包括湿法再生、气流再 山东建筑大学硕士学位论文 生、热法及联合再生在内的具有代表性的论文六篇【b 一扪。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着人们环保意识的增强以及新砂价格和运输费用的提高， 对旧砂再生提出了新的要求，在这一阶段气流再生处理方法得到较快发展【l 明；到了2 0 世纪7 0 到8 0 年代，旧砂再生技术有了较大发展，出现了多工序一体化再生处理，再生 设备逐步向单元与系统配套发展；在1 9 7 3 年美国的a c d e nb r e e j e n ( 布里吉) 发表了 旧砂再生技术的过去、现在和将来一文，该文较全面地论述了旧砂再生技术的过去 和现在的发展状况【2 0 】，并把h w z i m n a w o d a ( 吉姆纳乌达) 对旧砂再生系统的介绍进 行了总结，把当时各种旧砂再生技术归纳成有代表性的湿法再生、机械再生、气流再生、 热法再生、湿法与热法联合再生及热法与气流法联合再生的系纠2 i 】；在1 9 7 5 年国际铸 造会议成立了一个委员会，专门研究铸造旧砂再生处理问题【1 9 】；1 9 7 9 年，在德国举行 的第5 届国际铸造博览会( g i f a ) 上展出的各种旧砂再生设备不下2 0 种 2 2 1 。因此，在 这一时期世界各国特别是发达国家的粘土旧砂再生技术都有了较大发展。 2 0 世纪8 0 年代以后是粘土1 日砂再生技术快速发展的时期。1 9 8 2 1 9 8 3 年美国采用 热法与机械法或热法与气流联合再生的方法来处理湿型旧砂，将再生砂全部代替或部分 代替新砂使用，并较成功地应用于制芯；1 9 8 4 年，在第6 届国际铸造博览会( g 泓) 上有3 7 家单位展出了多种旧砂再生设备，使再生设备的品种又有较大的增多；此后由 于各国砂价、运输费用不断上涨，尤其是为了环境保护和生态平衡的需要，纷纷限制固 体废弃物的排放量，这大大地促进了粘土旧砂再生技术的发展；1 9 8 7 年，美国的科学 工作者提出了完全再生( t o t a lr e c l a m a t i o n ) 的概念，指的是用热法与干法联合再生方 法处理湿型砂，使再生砂代替新砂应用于化学粘结剂砂系统；1 9 9 3 年，欧洲有些国家 则提出清洁铸造砂循环的概念，要求重复使用循环旧砂并尽可能减少新砂加入及废砂排 放，从此达到清洁、循环生产的目的，这些新概念的提出都极大地促进了旧砂再生技术 的发展，使粘土旧砂再生技术进入完全再生和不完全再生共存的阶段；1 9 9 4 年，在第8 届国际铸造博览会( g i f a ) 上展出的旧砂再生设备种类更多，同时英、德等国杂志均 发表专论，使粘土旧砂再生更加受到各国的重视。 到了2 0 世纪末，德国k g t 公司开发了粘土旧砂完全再生成套设备并成功应用到实 际生产中【2 3 】；此时新的再生方法不断出现，诸如蒸气压旧砂再生【2 4 】、冷冻1 日砂再生等【2 5 1 ； 同时也出现了专业化1 日砂再生企业，为铸造生产企业提供旧砂再生服务，旧砂再生技术 和装置获得不断的发展。进入2 l 世纪后，出现了一种回转式再生旧砂系统，能有效去 除活的和死的粘土，并且湿型砂经再生后可用于呋喃、酚醛、c 0 2 和壳型粘结剂砂系统， 4 山东建筑大学硕士学位论文 同时也可用作造型面砂【2 6 】。 总的来说，粘土旧砂再生技术的研究国外起步早，无论在工艺研究、理论研究还是 设备开发方面都处于领先地位。 1 2 2 粘土旧砂再生的国内研究现状 在我国，对粘土旧砂再生的研究开始较晚，直到2 0 世纪5 0 年代后期才开展粘土旧 砂气流及湿法再生技术的研究，到2 0 世纪6 0 年代结合水力清砂，尤其水爆清砂的推广 使用，逐渐开发了湿法再生系统【2 7 2 引，在采用水力旋流器为主的湿法再生装置使用成功 的基础上，开发了湿法再生系统【2 9 】：1 9 6 5 年研制出竖吹式气流再生机及机械离心式再 生机，并且成功应用于少数厂家；与此同时，随着树脂砂技术的不断引进，干法再生开 始起步，相继开发出加热沸腾炉设备，再生合脂砂也在个别厂家开发使用【3 0 , 3 1 l 。这一时 期，由于生产中出现的粘土旧砂长期循环使用，导致旧砂含泥量过高的现象屡有出现， 进而引起铸件废品多、质量差等各种问题，这些问题的出现迫切要求1 日砂再生技术的进 一步发展。 2 0 世纪7 0 到8 0 年代，我国从国外引进了成套的树脂砂设备，在此带动下一些铸机 厂和高校、设计院及研究单位开展了于法再生技术的研究并开发了相应的1 日砂再生设 备，如震动破碎机、离心式再生机、震动球磨再生机等，这些设备的出现在一定程度上 改进了旧砂再生中存在的一些问题【3 2 】；2 0 世纪8 0 年代中叶，铸造1 日砂再生工作得到了 国家相关部门的重视，获得了国家自然科学基金的支持，使得粘土1 日砂再生技术获得快 速发展；在1 9 8 4 年我国又成立了旧砂再生专题组，开展了从理论、工艺到设备开发的 实验研究：1 9 8 5 年，在昆明召开了全国第1 次旧砂再生会议；2 0 世纪8 0 年代末以后， 铸造生产工作者先后开发出了气流横吹式再生机、水平逆流式再生机、离心式再生机等 旧砂再生设备并在企业获得应用【3 3 刁6 1 ；1 9 9 5 年，随着我国固体废弃物污染防治法的实 施，进一步推动了我国旧砂再生技术的发展【3 7 1 。 ： 进入2 l 世纪，国内有多家企业推出了粘土1 日砂再生设备，粘土旧砂中的泥分得到 了控制，铸件的表面质量获得了提高【3 8 】，但主要还是实现粘土旧砂的不完全再生，再生 砂的泥分含量较高，仅能重新用于粘土砂系统；2 0 0 5 年1 月，中国一汽集团引进日本 旧砂再生系统，将湿型砂加热到7 0 0 以上进行脆化，然后进行机械再生，再生砂可用 于覆膜砂制芯【3 9 1 ，这样便在国内首次出现了粘土旧砂完全再生；在2 0 0 5 年之前，我国 的粘土旧砂再生基本上为不完全再生，再生粘土砂仅能用于粘土砂系统而不能用于制芯 山东建筑大学硕士学位论文 工艺。 近几年，我们课题组开展了相同体系粘土旧砂完全再生技术的研究及应用工作并得 了山东省科技攻关计划的支持，对于含水玻璃砂、覆膜砂、自硬砂等芯砂的粘土旧砂的 完全再生研究发现，除了自硬砂体系外其余两种体系的再生粘土再生砂均能应用于相应 芯砂的混制；对于不同体系粘土旧砂的完全再生问题也正在研究之中。 总的来说，我国的粘土1 日砂再生工作正逐步受到国家有关部门及铸造企业的重视， 但由于起步较晚，我国的粘土旧砂再生技术无论是对再生技术的研究，还是粘土1 日砂再 生设备的开发，和国外相比存在很大的差距。国内所谓的粘土旧砂再生，大部分仅仅是 通过再生去除掉粘土旧砂中的部分泥分，再生砂只能用作补充粘土砂系统的损耗，是一 种不完全再生，而对于粘土旧砂完全再生技术的研究在我国才刚刚起步，相同体系粘土 旧砂的再生研究还不完善，不同体系粘土旧砂的再生研究还刚刚起步，完全再生技术及 再生装备的研究有待研究并完善，所以说，粘土旧砂完全再生技术的研究还亟待加强和 提高。 1 3 本课题的研究内容 本课题主要是研究含冷( 热) 芯盒树脂芯砂粘土1 日砂的再生、再生砂用于混制冷( 热) 芯盒树脂砂的铸造工艺性能以及影响再生粘土砂性能的因素，其具体内容如下： ( 1 ) 含热芯盒树脂砂粘土砂旧砂再生及再生砂用于热芯盒树脂砂制芯工艺的研究 以围场砂和大林砂混制的含热芯盒树脂砂粘土砂为研究对象，采用高温脆化+ 磨轮 再生+ 微粉分离的再生工艺获得完全再生粘土砂，并对再生砂用于混制热芯盒树脂砂时 的铸造工艺性能进行研究，从而揭示对于该粘土砂体系采用上述再生工艺获得完全再生 砂的可行性以及将再生砂用于混制热芯盒树脂砂时的可行性。 ( 2 ) 含冷芯盒树脂砂粘土旧砂再生及再生砂用于冷芯盒树脂砂制芯工艺的研究 以围场砂和大林砂混制的含冷芯盒树脂砂粘土砂为研究对象，采用高温脆化+ 磨轮 再生+ 微粉分离的处理工艺获得完全再生粘土砂，并对再生砂用于混制冷芯盒树脂砂时 的铸造工艺性能进行研究，从而揭示对于该粘土砂体系采用上述再生工艺获得完全再生 砂的可行性以及将再生砂用于混制冷芯盒树脂砂时的可行性。 ( 3 ) 针对研究过程中出现的再生粘土砂和新砂性能的差异以及由再生粘土砂混制 的冷( 热) 芯盒树脂砂和由新砂混制的冷( 热) 芯盒树脂砂的性能差异，开展深入的研 究工作，探求影响再生砂性能的因素。 矗 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章粘土旧砂的再生方法及型砂的性能检测 2 1 粘土旧砂的性能 粘土砂铸型经浇注、打箱、落砂后所得型砂称为粘土旧砂。粘土型砂主要由石英砂、 粘结剂( 即粘土) 及煤粉等附加物组成，粘土砂铸型在浇注过程中，型腔内表层会受到 高温金属液的强烈热作用，其成分和性能都会发生很大的变化。型砂中的粘土在高温作 用下会失去结晶水，丧失粘结能力而变为死粘土l 州i ：型砂中的煤粉、有机物质等附加 物经高温作用，或烧损、或烧结、或影成微小颗粒和灰分，会影响型砂的性能。型砂中 的砂粒在高温时会发生膨胀，随后逐渐冷却收缩而发生破裂，使砂粒变细变小，破碎的 砂粒增加了型砂中粉尘的古量。这些失效的粘土、灰分以及细小的砂粒可统称为有害粉 尘这些有害粉尘一部分以粉尘状态存在于旧砂中，成为旧砂古泥t 的组成部分一部 分则会包裹在砂粒表面上，形成一层牢固的薄膜，不能用水洗掉而成为砂粒的一部分 这层膜称为情性膜。旧砂经过无数次 循环混制和浇注受热，惰性膜将多层 重复包覆，会使砂粒的直径增大，这 个过程称为鲕化现象( 如图2 1 所 示) 。惰性膜呈现多孔性，这是粘土 中水分受热逃逸和型砂中煤粉等附 加物部分燃烧所造成的，结果使砂粒 密度减小，含水量提高，但是惰性膜 的熔点较低，只有约1 1 5 0 ，当遇到 田21s ) i a - t k 面包覆情挂膜示意田 浇注温度为1 3 5 0 u 以上的金属液时，就会在铸件表面产生粘砂。在循环砂系统中，每 次混砂时都要加入一些新砂和适量的膨润土。新砂可以冲淡旧砂的影响，而膨润土的加 入用于补充被烧损和部分被烧损的膨润土、也用来粘结进入砂系统的新砂和芯砂。这 可在一定阶段保证枯土型砂的铸造工艺性能，但随着粘土旧砂循环使用次数的增加，旧 砂中的泥分会逐渐增加，鲕化现象会进一步增强，铸造工艺性能逐渐恶化，这时的旧砂 只有经过再生处理才能重新使用，否则只能作为固体废弃物扔掉。 在粘土砂铸造生产过程中，特别是在有机粘结剂芯砂大量使用的情况下，总有一部 分芯砂会混入旧砂之中，对型砂的性能带来一定的影响，特别是当芯砂和泥分同时增加 时，型砂的性能会迅速恶化咐】。因此，当旧砂性能恶化时必须通过再生处理的方式消除 山东建筑大学硕士学位论文 泥分及芯砂混入对1 日砂性能的影响。有研究表明，当粘土旧砂受热温度达到7 0 0 以上， 粘土将逐渐失去结晶水而降低其粘结特性，最终成为死粘土。一般情况下，当旧砂中包 括死粘土在内的泥分含量不高时，粘土旧砂可以循环使用，具体采取的步骤是：( 1 ) 在 旧砂循环回用的过程中，加强风选除尘以降低1 日砂中的泥分含量；( 2 ) 每次循环时补充 一定量的新砂来冲淡污染严重的型砂，并补偿被死粘土包裹的那部分不能应用的1 日砂， 这样经一段时间的循环使用后都必须排除一定量的废砂以稳定型砂的质量。粘土旧砂的 再生处理就是把这部分废砂加以再生处理以完全代替或部分代替新砂重新应用到砂处 理系统之中【蛔。 2 2 粘土旧砂的再生机理 粘土旧砂再生的目的就是利用物理或化学的方法剥离砂粒表面的惰性膜及杂质、清 整砂粒表面、圆整砂粒粒度，使旧砂性能基本恢复到原砂的状态。完整的粘土旧砂再生 工艺过程应包括从落砂开始到混砂之前为止的整个旧砂处理过程，一般可将其分为预处 理( 包括落砂、磁选、破碎、筛分等) ，再生处理和后处理( 包括分级处理和砂温调节 等工序) ，三个基本阶段 4 7 j ，其中再生处理阶段是整个工艺过程的关键。在我国，旧砂 预处理技术和设备以及后处理技术和设备是相对成熟的，树脂砂、水玻璃砂的荐生处理 技术及设备发展较快，唯有粘土旧砂再生技术和设备仍处于不断探索和研究之中。 旧砂再生处理的核心是如何经济有效地去除残留在砂粒表面的惰性膜及杂质，其再 生机理可分为物理和化学两种方法。物理方法主要靠机械力将惰性膜去除而达到旧砂再 生的目的，其中起再生作用的机械力可通过抛击、振动、搓擦、砬撞、冲洗等方式获得， 根据这些机理可以设计出多种再生设备。化学方法主要是利用加热的方法，把可燃的有 机惰性膜燃烧掉，或者靠溶剂利用化学反应将惰性膜溶解掉而达再生目的；目前常用的 化学法再生设备主要是热法再生装置。 2 3 常用粘土旧砂的再生方法 依据旧砂的再生机理，在实际工作中铸造工作者开发了多种的旧砂再生设备，可以 分为以下几种类型d 2 3 1 湿法再生 湿法再生是最