湿型旧砂的再生处理.doc

湿型旧砂再生处理的评述于震宗（清华大学机械工程系，北京 100084） 摘要：湿型旧砂进行再生处理的目的是要减少原砂消耗量和废砂排除量。有些铸造工厂采取较简单的再生方法将旧砂的泥分降低，从而保持型砂泥分含量稳定。另一种铸造工厂生产多砂芯铸件，为了减少旧砂溢流量，将旧砂深度再生处理后用于代替原砂混制树脂砂芯用砂。凡是含有钠化膨润土的旧砂不可用高温焙烧再生方法，否则不适合制备热芯盒和冷芯盒砂芯。 关键词：旧砂再生；型砂含泥量；壳芯；热芯盒砂芯；冷芯盒砂芯 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：A Review on the Reclamation of Used Green Molding SandYU, Zhenzong(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: The aim of used sand reclamation is to decrease the base sand requirement and the waste sand displacement. Some foundry shops are using rather simple equipments to reduce the clay content of used sand, for stabilizing the clay content of green molding sand. Other foundries with a great quantity cores reclaim the used sand to substitute the new sand making cores, to reduce the overflowing used sand. The used sand containing sodium carbonate cannot be thermal reclaimed with high temperature, since its alkaline property is unsuitable to make hot box and cold box cores. Key words: Reclamation of used sand; Clay content of molding sand; Shell core; Hot box core; Cold box core 湿砂型铸造工厂在混制型砂和芯砂时，需要加入原砂、膨润土、煤粉和淀粉等材料，从而不可避免地需要扔掉近似量的废砂。换句话说，向砂系统加入多少东西，就大致需要排出多少东西。在我国，废砂对环境和人们的生活带来很大影响，已逐渐形成公害。在国外的一些工业化国家中，很多铸造工厂近处堆积废砂的废料场地都已堆满，必须花费高昂运输费用将废砂运送到远处。此外，不少国家的环保条例越来越严格。为了保护水源，对固体废弃物的成分有专门限制，废料场不但收费而且需上税。结果是扔掉一吨废砂比买进一吨原砂还贵的多。我国目前的环保规定还比较宽松，对于远离大型城市的中小铸造厂可能暂时还没有遇到抛弃废砂的困难，而大型铸造工厂大多早已感到废砂堆积场地不足的问题。 湿型铸造工厂的废砂中有一部分是在生产过程中形成的微细砂粒、粉尘和掺有杂物的垃圾。这些废料需要扔掉或另寻利用途径，并且也应当尽量减少这些废料的生成量。此外，废砂的主要组成物是旧砂。铸造工厂应当尽量减少旧砂的丢弃量，如果能将旧砂经过再生处理达到或接近原砂的品质，就可以大幅度地减少废砂排除，同时也减少原砂的购买量。对降低铸件生产成本和环境保护都有极为显著的效果。 对湿型旧砂进行再生处理有两种不同的目的和办法：旧砂再生后用于混制湿型砂；以及旧砂再生后混制芯砂。以下将分别进行讨论。1. 湿型旧砂再生用于混制湿型砂（无砂芯和少砂芯铸造工厂） 在无砂芯和少砂芯铸造工厂中，混制湿型砂时加入原砂的目的是补充砂粒损失（包括铸件粘附型砂，落砂和过筛去除的砂块、砂粒破碎形为的粉尘以及被清扫的垃圾等损失），另一目的是需要保持型砂含泥量稳定，也可以冲淡型砂中灰分。型砂的泥分主要成分为有效的活性膨润土和煤粉，也包括无效的灰分，例如被烧损死黏土和煤粉，砂粒破碎形成的粉尘，混砂批料带入的灰分等。在使用优质混砂材料、良好砂处理设备和工艺的单一砂中小铸铁件机械化铸造工厂中，型砂（不是旧砂）含泥量大多在1113。但是在某些生产类似铸件的工厂中，型砂含泥量可能高达16以上，有的甚至高达20或更高。因而型砂透气性低和湿度高，含水量在5以上，甚至高达78。使用高含水量型砂容易使铸件形成气孔、爆炸粘砂、呛火、浇不足、冷隔等缺陷。这种高含含泥量的形成原因可能是由于混砂原材料中的原砂为未经水洗去泥的当地“毛砂”，本身的含泥量多，混砂时将泥分带入型砂中。所用黏土为劣质膨润土，黏结性和热稳定性差；煤粉品质差，含有大量煤矸石粉末。需要加大这两种材料的加入量。另外，所用混砂机保养维修不当，混砂时间不足，膨润土的黏结力未能充分发挥，也需增多加入量。很多工厂缺少旧砂的除尘系统，或者通风管道被尘土堵塞不起除尘作用，以致回用旧砂含泥量越来越高。 为了降低型砂泥分，需要在混砂时加入多量原砂来稀释新增添的泥分。稳定型砂泥分含量所需的原砂加入量是可以大体估算出来的，希望其量不超过为弥补砂粒损失的加入量，否则型砂泥分会超出预期控制范围。 例如某铸造工厂的单一型砂要求含泥量15%，只有少量砂芯，落砂时溃散砂芯混入旧砂量可不计。砂系统中没有除尘装置。混砂所加原砂为当地砂（含泥量3%，含水量2%）。为了弥补砂粒损失，原砂加入量10%。混砂时由扣除水分的原砂带进型砂的泥分： 3(1002) 10= 0.294% 加入的膨润土品质较差，吸蓝量只有25ml，含水量10%。混砂加入量3%才能使型砂强度达到要求。混砂时由扣除水分的膨润土进入型砂的泥分： (10010)3= 2.7%。 煤粉品质相当差，挥发分只有25%，灰分20%，含水量5%，为了防止铸件表面粘砂，混砂批料中加入煤粉2%。由扣除水分的煤粉带入型砂中的泥分： (1005)2= 1.9%。 三种材料新带入泥分量合计：0.2942.71.9 = 4.894%。 使新带入泥分在混好型砂中也达到含泥量15的水平，需加入不含水、不含泥分的原砂量： 折合含泥含水原砂：32.63/(10.020.03) = 34.35% 需要稳定型砂含泥量的原砂加入量已经远远超过实际加原砂量的10，结果是型砂中的含泥量越来越高和失去控制。型砂的各种性能越来越差，铸件废品率逐渐增高。 在上述情况下，要想型砂含泥量不会更加增多，很多工厂采取的办法有：分别采用面砂和背砂，混制面砂的批料多加新砂（可能高达50或更多）。个别工厂如某汽车件铸钢工厂，每月将所用单一砂完全扔掉，然后用全新砂重新混砂。这必然增多废砂量，而且造成型砂性能剧烈波动和难以控制。图1 竖吹式气流冲击式旧砂再生机原理示意图 从上世纪50年代起国外就开始关心对湿型旧砂进行再生处理，将一部分湿型旧砂的泥分降低，掺入型砂中来避免型砂泥分过份提高和减少稀释泥分所需新砂量。虽然水洗方法能够有效地洗掉砂粒上的泥分，但设备占地面积大，耗水量多，污水和污泥难以处理和清除而极少采用。通常认为适合应用的再生设备为气流冲击法。例如美国Simpson公司的竖吹气流再生装置（见图1），旧砂顺加速管迅速上升打向冲击靶，将砂粒上包覆的黏土膜部分地去除。有一铸造厂使用结果为去泥率为30左右，配制单一型砂的配比为再生砂20，旧砂80，新砂只用于配制芯砂。再生处理前需要使旧砂干燥，否则再生脱泥效果差1。我国有人开发出气横吹流再生设备，比竖吹再生装置功率小，占地面积小，对旧砂水分要求宽，去泥率可达4060。有多家工厂采用2，原理示意图见图2。图2 横吹式气流冲击式旧砂再生机原理示意图 国内外有很多铸造工厂选用优质混砂原材料，靠良好的除尘设备，加入稳定总砂量的原砂已然足够使型砂泥分限制在允许范围内，无需特意再生湿型旧砂代替原砂用于混制湿型砂。例如某一使用单一砂挤压造型铸铁中小件工厂，无砂芯，无沸腾冷却装置。型砂要求含泥量保持在13。混砂批料加入优质膨润土0.6，其含水量10。煤粉也是优质的（含水量5），加入量0.2。原砂为经简单擦洗内蒙砂，含水2，含泥0.5，加入量6用来补足砂粒损失。混砂时新加入膨润土和煤粉带入型砂的泥分如下： 原砂扣除含水量2%，含泥量为0.5%，加入量为6%，带入型砂泥分为： 0.5%(1002)6% = 0. 0294% 膨润土扣除含水量10%，混砂加入量0.6%，带入型砂泥分： (10010)% 0.6% = 0. 54% 煤粉扣除含水量5%，混砂加入量0.2%，带入型砂中泥分： (1005)%0.2 % = 0.19% 三者合计带入泥分：0.0294%0.54%0.19% = 0.7594%。 为了使新增泥分达到同样的型砂含泥量13%，需要不含水、不含泥分的原砂冲淡量： 折合含泥含水原砂：5.842/(10.020.005) = 5.991%并未超过加入的原砂量6%，型砂的含泥量能够保持为稳定状态，不会越来越高。一般具有运行良好的旧砂除尘系统，可能从旧砂中再去除泥分0.51左右。假如砂系统中有沸腾冷却装置，即使膨润土、煤粉加入量稍多些也不会使型砂含泥量超过规定。如果生产中还有少量带有树脂砂芯铸件，则新砂加入量还可以相应降低。总之，对以上所述的铸造工厂不必考虑采用专门的再生机处理旧砂。2. 湿型旧砂再生用于芯砂（多砂芯工厂） 一些多砂芯的铸造工厂更加关心的是溃散砂芯流入旧砂中，其量已经超过补足砂粒损失和平衡泥分的需要。以汽车发动机铸造工厂为例，需用大量原砂制树脂砂芯。使旧砂量超过砂系统的容纳量。为了保持型砂系统中砂量平衡，只扔掉芯头、清理和清扫的废砂、以及除尘细粉是不够的，必须排除掉大致等量的旧砂成为废砂。最方便扔掉的是高密度造型落砂时不易破碎的砂块。这些砂块远离铁液烘烤，是未经烧损的品质最好的旧砂。 据文献报道，美国通用汽车公司在北美的铸造工厂每年购入原砂65万吨。原来所用的西密歇根沙丘已然枯竭。就近的废砂堆积场已满，必须将废砂运至远处抛弃，而且政府的法规使丢弃废砂的费用大大增高。买新砂价格每吨1020，将每吨废砂送至远处扔掉则需3085。美国依里诺州1991年统计220家铸造厂一年生成废砂80万吨，其中92.3为湿型砂的废砂。州当局警告不久就没有抛弃废砂地可用3。德国KHD铸造厂生产曲轴箱和汽缸头等铸件，使用冷芯盒砂芯和壳芯。以其中两种铸件为例，第一种在落砂时有90%的砂芯流入旧砂中，占砂箱中旧砂量的6.7%，另一种有70%的砂芯流入旧砂中，占旧砂量的16.0%4。Mettmann铸造厂8种铸件的芯砂流入量占相应砂型中旧砂量的0.144.25%5。我国第一汽车公司第二铸造厂三种汽缸体铸件落砂时，一部分芯头被筛除掉，大约有砂芯重量的80%溃散流入旧砂中，占砂箱中旧砂量分别为1.96%、3.25%和4.4%6。每生产5万吨汽缸体铸件就要消耗掉5.5万吨砂芯。除少量芯头直接做为废砂丢掉外，绝大部分混入旧砂中。逐渐积累致使砂库容纳不下，必须随时排掉一些旧砂成为废砂7。其他汽车发动机铸造工厂也遇到类似问题8。 近年来国内外一些多砂芯铸造工厂认为解决上述困难的办法是将湿型旧砂再生处理后代替原砂用于制芯。在树脂自硬砂车间中旧砂再生技术已经成熟，通过擦磨和冲击再生都能将旧砂上包覆的树脂膜清除到允许范围。但是多砂芯湿砂型工厂的旧砂中不仅含有相当多的膨润土，也还含有树脂粘结剂以及一些其它有机物质。这些砂粒的包覆物与大多数砂芯粘结剂不相容。因此需要采用专门的再生方法除掉。很多国外的铸造工厂进行了大量试验研究工作，认为最有效再生方法有两类：2.1 热机械再生法 美国Sheppard铸造厂是一家生产灰铁、球铁和蠕墨铸铁变速箱、阀门、转向节铸件的中等工厂。湿型砂中含怀俄明膨润土810，煤粉5。从1989年建成湿型砂再生系统（见图3），旧砂先经破碎机、磁选、677和816两级旋转滚筒加热炉，焙烧时间约40min。然后由气力输送擦磨管、带冲击靶板分选器剥除表面粘土膜。以前用New Jersey原砂制冷芯盒砂芯，改用100再生砂代替原砂后，冷芯盒砂黏结剂量1.25的即时抗拉强度为用原砂的120。混砂后停放1 h的抗拉强度能达到不停放原砂的80，再生砂中掺入25原砂的强度还能改善。也用再生砂制酚醛树脂热芯盒砂芯，再生砂抗拉强度为原砂的120140。用来制呋喃自硬砂芯，1 h抗拉强度为原砂的86，掺入25原砂有所改善。还用于脲脘树脂自硬砂芯，用弱催化剂0.8，24h抗拉强度为原砂的949。通用汽车公司1994年在Saginaw的可锻铸造厂建成一套用湿型旧砂热机械再生系统。其中包括回转破碎，磁选，760沸腾煅烧去除黏结剂，冷却，擦磨和除去粉尘。再生砂适用于各种黏结剂砂芯。北美通用汽车公司的各铸造厂预计采用再生砂制芯后可以减少原砂用量75以上3。很多铸造工厂将再生砂用于制壳芯都取得成功，强度都超过用新砂制壳芯。其原因为再生砂经过擦磨使砂粒变得形状圆整光滑，又去除了微细颗粒。在加热砂粒覆膜时，酚醛树脂黏度较高，不会向砂粒表面残留的黏土层渗透和起不良反应10。图4 离心冲击法再生机原理示意图图3 Sheppard铸造厂旧砂热机械法再生系统 但是欧洲和日本有些工厂发现使用热机械法再生砂制冷芯盒、热芯盒砂芯的效果并不像北美工厂那样成功。旧砂焙烧温度过高和时间过长会将膨润土烧结在砂粒上成为坚硬烧结层，随后的擦磨处理难以完全去掉。采用热机械法再生砂制冷芯盒砂芯的可使用时间短，强度不够高，树脂量需增为23倍，或者需掺加50新砂。热芯盒砂芯需加促进剂才能改善强度1115。我国长春第一汽车厂也遇到同样问题。2005年1月建成废砂再生线，先加热到700以上烧去有机物，再打磨砂粒去除表面烧结膜。每年可处理6000吨废砂。再生后含泥量0.2%，一部分用于混制覆膜砂，强度提高10以上。但再生砂的耗酸值高达20mL以上（按标准应5mL），难以制热芯盒和冷芯盒砂芯 7。2.2 不焙烧再生法 由于上述原因，有些铸造工厂不采取旧砂高温焙烧再生方法，只将旧砂烘干或低温焙烧，然后进行机械再生。常用的再生方法有以下几种：气流冲击法：靠气流带动旧砂在管子中高速运动，使砂粒受到擦磨，并向靶板冲击使砂粒包覆膜脱离作用。原理与图3所示的气流擦磨管和冲击靶类似，但不高温焙烧。离心冲击法：靠高速旋转的离心力向靶环冲击，原理示意图见图4所示。如果砂粒运动速度过低，则冲击力不足，包覆的膜不易脱落；速度过高则砂粒容易破碎，影响回收率。离心擦磨法：利用离心力使砂粒彼此间挤压擦磨而使表面覆盖膜脱落。优点为砂粒破碎少，表面被覆物剥离效率高，有粒形改良效果，管理容易，磨损部件少，保养容易，但能源消耗高。原理示意图见图5。国外将离心冲击法和离心擦磨法的再生机统称为旋转再生机（Rotary Reclaimer），大多采取多段组合串联形式13，典型再生系统示意图见图6。图5 离心擦磨法再生机原理示意图 日本有多篇资料介绍不焙烧法和低温焙烧法的实用情况，再生砂不但可用于制覆膜砂，而且可用于混制冷芯盒等树脂芯砂。例如日本钢管继手公司月产可锻铸铁和球铁件约2000吨，使用壳芯约400吨。将湿型旧砂沸腾加热到400后，使用旋转再生机擦磨处理，覆膜砂抗弯强度比用新砂高2014。自动车铸物公司每月生产铸件约3900吨，使用砂芯约750吨，其中冷芯盒砂芯占70，壳芯占22，自硬砂芯8。所用再生机为离心力擦磨和离心力冲击多段组合式，处理速度3 t/h，处理段数18段。要求再生砂酸耗值10 mL，含泥量1.0，含水量30kg/cm2，可使用时间60min15。高周波铸造公司1985年起用旋转再生机处理湿型旧砂，6段再生后灼减量为0.7，pH值7.2。用于制冷芯盒砂芯，树脂加入量1.41.6，混砂1 h后砂芯抗压强度20kg/cm216。旋转砂轮擦磨法：将旧砂落在高速旋转的砂轮上，对砂粒的包覆物擦磨掉。图6 离心擦磨再生系统示意图 荷兰的De Globe铸造工厂是一家多砂芯铸造厂，每吨铁液需用424kg砂芯。超出砂系统容量的溢流砂量大约有25，便用型砂清洁机（Sand-Cleaner）进行砂轮擦磨再生处理（示意图见图7）。旧砂用沸腾床烘干，使含水量从约2降到0.2左右，去除铁粒和过筛后经砂轮再生处理。再生机内有一只沿水平轴旋转的磨轮，外圈有慢速旋转的叶轮不断将砂送到磨轮，使砂粒上的坚硬膨润土剥离。再生砂每日生产率达60 t。供冷芯盒用再生砂灼减量0.40.5，活性黏土0.50.7，泥分0.10.3，电导率50100S/cm，pH值910。多角筛分离的砂芯团块也破碎回用。冷芯盒芯砂配比中再生砂占78，砂芯团块破碎砂占12，再加10新原砂以补充砂粒损失。芯砂的树脂加入量只增多15178。日立金属公司真岗工场用旋转再生机处理湿型旧砂后又加上砂轮擦磨达到泥分0.35，灼减量0.51，酸耗值10mL，pH值8.25。用于冷芯盒的再生砂配合比可达到8018。图7 De Globe铸造厂砂轮擦磨再生机示意图 为什么美国应用热机械法再生湿型旧砂用于冷、热芯盒制芯取得成功，而日本、欧洲和我国铸造工厂不能用高温焙烧法再生旧砂？笔者认为其原因是我国、日本和欧洲铸造工厂的湿型砂粘结剂为钙基膨润土中加入了3.54%Na2CO3的钠化膨润土。碳酸钠是一种高温熔剂，能够减低膨润土的熔点，高温焙烧使膨润土膜较牢固地包覆砂粒表面，机械再生过程中不易剥落。而且砂粒外残留黏土膜中残留的的Na2CO3和被交换出来的CaCO3受热反应成为Na2O和CaO。遇到水会成为NaOH和Ca(OH)2，都具有极强碱性，不利于冷、热芯盒砂的固化。而美国汽车件铸造工厂生产一般铸件混砂所用黏土为钙基膨润土和天然钠基膨润土各占一半混合使用，生产汽缸体和缸盖的黏土为2/3天然钠基膨润土和1/3钙基膨润土。按照美国铸钢学会规定天然钠基膨润土的碳酸盐含量不超过0.7%，旧砂焙烧后的表面残留膨润土不会呈现强碱性，不影响混制出冷、热芯盒砂芯的固化。3 分别落砂： 德国有些人提出大批量生产汽车件等产品铸造厂可以采用分别落砂的办法：铸件冷却后敞开上型，取出带有砂芯的铸件单独落砂，所得砂子主要是已被烧枯的溃散砂芯和少量附着型砂，可以用擦磨方法进行再生处理。然后与不超过20的新原砂混合用来制芯，不必增加树脂加入量即可得到同样砂芯强度。留在砂箱中的砂子只含少量砂芯，经破碎、过筛、磁选后就可用于制备湿型砂，可以减少溃碎砂芯对型砂性能的不利影响19,20。分别落砂的优点是大大地减少新原砂消耗量和废砂丢弃量，但是要求车间的布置和设备安装进行调整。这种改变对于新建工厂是容易的，但已在生产使用中的铸造工厂可能需要克服一些困难。目前采用这种砂芯单独落砂方法的铸造工厂数量虽然较少，对于多砂芯铸造厂可能是个发展方向。4 结论 从节约资源，减少危害环境和降低生产成本考虑，湿型铸造工厂应当尽量减少原砂消耗量和废砂排除量。无砂芯或只有少量砂芯的湿型铸造厂选用优质原材料和有效的除尘系统可以无需再生旧砂就可以保持型砂含泥量稳定。多砂芯湿型铸造厂则应再生旧砂用于混制芯砂。热机械再生方法适用于使用天然钠基和钙基膨润土的铸造工厂。我国和欧、日等国所使用的钠化膨润土含有较多的碱性物质，应当采取不焙烧或低温焙烧的机械再生处理方法，制得各种砂芯的强度与用原砂基本相同或更高。对于新建的多砂芯铸造工厂，按照砂型与砂芯分别落砂的办法能够使旧砂再生大为简化。参考文献：1 Wenninger C E. 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