廢棄粘土濕型砂的再生處理

中國鑄造協(xié)會顧問 李傳

鑄造生產(chǎn)中，粘土濕型砂造型工藝仍然是應用最廣、生產(chǎn)量最多的工藝，特別是在鑄鐵件的生產(chǎn)中，用其生產(chǎn)的鑄件約占總量的85%。

表面看來，采用粘土濕型砂工藝過程中，回收的舊砂可以經(jīng)砂處理后循環(huán)使用。實際上，經(jīng)多次循環(huán)使用后，由于反復受到高溫的作用，型砂的實際構成逐漸發(fā)生變異，從而影響鑄件的質(zhì)量，這樣，就不得不將其替換下來。年產(chǎn)量相同的鑄造廠，采用粘土濕型砂工藝時，其廢棄砂的排放量一般都比采用樹脂自硬砂工藝的多得多。

大量廢棄砂的排放，一方面造成環(huán)境污染，另一方面也增大了硅砂資源開發(fā)的壓力。

2011年，我國鑄鐵件的總產(chǎn)量為3047萬t，其中采用粘土濕型砂工藝生產(chǎn)的鑄鐵件約2500萬t，僅在鑄鐵方面，我國每年產(chǎn)生的廢棄砂可能就不下1500萬t。

汽車行業(yè)是采用粘土濕型砂生產(chǎn)鑄鐵件的大戶，也是廢棄砂排放的大戶。各工業(yè)國家汽車行業(yè)的鑄造廠，三十多年前就很重視廢棄砂再生和循環(huán)使用的問題，一些大型鑄造廠早就裝設了砂再生設備，這方面的研究工作也從未間斷。

近十多年來，我國鑄造行業(yè)發(fā)展很快，為了體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方針，廢棄砂再生處理日益受到重視。目前，已有生產(chǎn)廢棄粘土濕型砂再生設備的廠家，一些大型鑄造廠都配置了用于廢棄粘土濕型砂的再生設備，同時，也出現(xiàn)了為多家鑄造廠集中處理廢棄砂的企業(yè)?？傮w上，形勢是十分喜人的，但是，我們在這方面的研究、開發(fā)工作仍然是不夠的，自主創(chuàng)新成果很少，希望鑄造行業(yè)的同仁今后對此予以更多的關注。

一、粘土濕型砂廢棄砂的特點

粘土濕型砂的主要組分是硅砂，粘接劑是膨潤土和水，此外還加有煤粉、淀粉等附加材料。型砂經(jīng)循環(huán)使用后，實際的構成相當復雜，除上述主要組分外，還有因受熱而失去粘結能力的死粘土、煤粉熱分解后殘留的灰分、硅砂碎屑，以及含鐵、鋁等成分的復合硅酸鹽。因此，砂粒表面附著物的燒結溫度可低到1100℃左右。貼近鑄件的砂粒，澆注后受高溫作用，就會形成變質(zhì)燒結層。型砂經(jīng)多次循環(huán)使用后，就逐步形成了多層變質(zhì)燒結層，這也就是型砂中的“易熔組分”。

不太厚的變質(zhì)燒結層能改善砂粒的形貌，還能減輕因硅砂相變膨脹而導致的鑄件缺陷，是有益的。在正常情況下，以舊砂為主配制的型砂，性能和使用效果往往優(yōu)于全部用新砂配制的型砂。如型砂循環(huán)使用的時間太長，變質(zhì)燒結層越來越厚，型砂中易熔組分的量很大，就會導致鑄件產(chǎn)生表面粗糙、粘砂等缺陷，這樣的型砂就應該予以替換。

當然，廢棄砂砂粒的表面上還有由活性粘土、煤粉、淀粉之類添加劑和水分混合而成的粘結膜。

砂粒表面的這些附著物的量很大，在廢棄砂中一般都在20%以上，如圖1所示。

要使砂粒表面的附著層完全剝落是很不容易做到的，粘土濕型砂再生處理的難度比一般的樹脂粘結砂大得多。而且，鑄造廠排放的廢棄濕型砂中，還混有不同數(shù)量、不同品種的芯砂，如冷芯盒砂、熱芯盒砂、殼芯砂等，使情況更為復雜。

同時，目前對再生砂清潔度的要求日益嚴格，不僅要適于配制型砂，而且應該能夠用于冷芯盒、熱芯盒、殼芯等工藝制芯。

二、廢棄砂再生處理的方式

廢棄砂再生就是將砂粒表面上殘留的粘結膜、變質(zhì)燒結層等附著物脫除，得到清潔的砂粒。目前，廢棄砂再生的方式主要是三種：最基本的方式是機械再生；對于某些在砂粒表面附著比較牢固而又具親水性的附著物，可以采用濕法再生方式；對于某些在砂粒表面附著比較牢固而在高溫下可以燃燒掉，或可使之脆化的附著物，則可采用焙燒再生的方式。

1.機械再生

機械再生是借助于外力的作用使砂粒表面的附著物剝落，是廢棄砂再生的主要環(huán)節(jié)。單一的機械再生設備自不必說，就是采用濕法再生或焙燒再生，也都不能沒有機械作用。

機械再生對砂粒的作用，主要是通過撞擊、摩擦、研磨等方式實現(xiàn)的，如圖2所示。

實際上，任何機械再生設備都不可能只有某種單一的作用，往往是以某種作用為主，還兼有其他種作用。

以下，就一些重要的機械再生裝置作簡單的介紹。

（1）以撞擊為主的機械再生裝置 20世紀50年代，美國國家工程公司就開發(fā)了氣流再生設備，曾一度廣泛應用于世界各國。其作用機制是：使高速氣流攜帶砂粒上升，撞擊一固定的擋板。由于上升氣流的作用，擋板下方會貼附一層砂，上升砂粒主要撞擊的是砂層，而擋板的磨損則不太嚴重。

粗看起來，是以撞擊作用為主，實際上，攜帶砂粒的氣流在管道內(nèi)運動的過程中，管壁處砂粒的流速低于中心部分，而且還有渦流作用，砂粒之間產(chǎn)生的摩擦對再生效果有重要的作用。實際應用于生產(chǎn)的裝置可以由多個這樣的單元組成。

氣流再生的優(yōu)點是沒有太強烈的機械撞擊，再生過程中砂粒的破碎很少。其缺點是能耗高，目前已很少應用。

日本太洋鑄機株式會社生產(chǎn)的RC型離心撞擊式砂再生裝置，20世紀80～90年代采用者也不少，圖3是這種再生裝置的一個單元，舊砂進入后，由高速旋轉(zhuǎn)的葉輪1（2000r/min）將其拋向耐磨擋板2，砂粒與檔板產(chǎn)生多次碰撞，當然，砂粒在運動過程中的互相摩擦也起很重要的作用。

生產(chǎn)中采用的再生裝置，可以由多個單元自上而下地串聯(lián)組成。

（2）以摩擦為主的機械再生裝置 日本鑄造株式會社研制的轉(zhuǎn)筒式再生機，剝離附著物主要是由砂粒之間的摩擦實現(xiàn)的。其再生作用如圖4所示。

舊砂進入再生裝置后，最初，由于離心力的作用，在轉(zhuǎn)筒內(nèi)形成積砂，此積砂層隨轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)。此后進入的舊砂，因重力和離心力的作用，與轉(zhuǎn)筒中的積砂產(chǎn)生強烈的摩擦，使砂粒表面的附著物剝落。砂粒然后再進入固定環(huán)，再次與固定環(huán)中的積砂摩擦。

再生裝置可以由若干單元串聯(lián)組成。

除此以外，也有多種借助于振動使砂粒之間相互摩擦，使砂粒表面的覆蓋物剝離的裝置。

（3）以研磨為主的機械再生裝置 目前，這類機械再生裝置主要有滾壓輪加壓式和旋轉(zhuǎn)磨輪式兩種。

滾壓輪加壓式舊砂再生裝置是日本新東公司研制的，其裝置如圖5所示。

主體工作部件是一個內(nèi)壁鑲嵌有陶瓷襯的轉(zhuǎn)盤和一對陶瓷質(zhì)的滾壓輪。轉(zhuǎn)盤由電動機驅(qū)動。滾壓輪則由其與轉(zhuǎn)盤內(nèi)壁之間砂層的摩擦作用而旋轉(zhuǎn)，不需動力。滾壓輪對砂層的壓力，由控制裝置底部的液壓缸予以調(diào)定，以適應不同的再生要求。再生砂從裝置底部卸出后，再經(jīng)流化床脫除粉塵。

據(jù)報道，這種裝置的再生效果優(yōu)于轉(zhuǎn)筒式再生裝置，可用于粘土濕型砂和堿性酚醛樹脂自硬砂的再生。

旋轉(zhuǎn)磨輪式砂再生裝置，在歐洲、日本都有應用，其結構如圖6所示。

主要工作部件是高速旋轉(zhuǎn)的專用磨輪。磨輪的外面有一同軸的多葉片刮板輪，作與磨輪方向相反的低速旋轉(zhuǎn)。刮板刮起的砂粒自磨輪的上方撒向磨輪，由磨輪的作用使砂粒表面的附著層剝落。粉塵自上方抽取，再生砂自下方卸出。

據(jù)日本的報道，這種裝置的再生效果也很好，可用于粘土濕型砂和堿性酚醛樹脂自硬砂的再生。但是，意大利泰克西公司的鑄鐵廠前幾年曾將這種裝置用于粘土濕型砂的再生處理，生產(chǎn)性試驗的結果表明，如果只采用單一的機械再生處理，效果也并不很好，再生砂不能適應制芯的要求。

2.濕法機械再生

濕法機械再生是將舊砂加水后予以強烈地攪拌、擦洗，以脫除其表面的附著物，對于以親水性膨潤土為粘結劑的型砂，應該說是可行的。

美國早在1940年前后，就采用這種方法對廢棄的粘土濕型砂進行再生處理。那時，型砂中沒有以樹脂為粘結劑的芯砂混入，也不要求將再生砂用于制芯，廢棄砂經(jīng)再生處理后主要用于型砂，對于改善型砂質(zhì)量應該說是大有裨益的，早期，其他國家采用的也不少。

但是，只用濕法擦洗再生，很難完全脫除砂粒表面的變質(zhì)燒結層，不能適應當前對再生砂質(zhì)量的要求，而且，處理含大量泥漿的廢水也是一個不容忽視的問題。

近期，泰克西公司在其生產(chǎn)性試驗中，在濕法擦洗的基礎上，增加一次硫酸清洗，結果再生砂的質(zhì)量可以滿足制芯的要求。雖然泥漿、廢水的處理比較麻煩，但是，砂再生的成本低于焙燒-機械聯(lián)合再生，這種改進措施是可以借鑒的。

此外，第一次擦洗后泥漿中的活性膨潤土和顆粒料的再利用，也是值得關注的，他們已將此項目列為研究、開發(fā)的課題。

3.焙燒－機械聯(lián)合再生

對于廢棄的粘土濕型砂，目前我國已有一些企業(yè)采用焙燒-機械聯(lián)合再生的方式處理。其工藝流程是：先將待處理廢砂經(jīng)焙燒，冷卻后再進行機械再生處理。由于并不是在加熱狀態(tài)下進行再生處理，不宜稱之為“熱法機械再生”。

焙燒處理的作用是：使待處理砂中殘留的活性膨潤土喪失粘結能力；除去砂中殘留的煤粉及其他有機物質(zhì)；使砂粒表面的變質(zhì)燒結層脆化。焙燒溫度通常是800℃左右。如焙燒溫度太高，粘土就可能被燒結于砂粒表面，反而不利于此后的機械再生處理。

在焙燒裝置的設計方面，則應注意充分利用型砂中所含煤粉和其他有機物的熱能。

由于篇幅所限，在焙燒－機械聯(lián)合再生工藝方面只說兩個問題。

（1）焙燒前的預處理 國外的研究開發(fā)工作表明：采用焙燒-機械聯(lián)合再生工藝時，在焙燒前將干燥的待處理砂進行一次低強度的摩擦再生處理是非常有益的。

這種預處理的作用是分離待處理砂中殘留的活性膨潤土，從而可以提高焙燒后脫除變質(zhì)燒結層的工效。而且，分離出的細粉中活性膨潤土的含量相當高，可以回收、利用，國外也已將其列為研究、開發(fā)的課題。

（2）焙燒裝置的改進 早期采用的焙燒裝置是傳統(tǒng)的豎爐、回轉(zhuǎn)爐之類，熱效率低，爐內(nèi)溫度也不均勻。

也有人采用直接在攪拌機中用燒嘴加熱的方式，既可以加熱，又有機械摩擦的作用，如德國Eirich公司生產(chǎn)的逆流攪拌式熱再生就是一例。但是，為保持設備的正常運轉(zhuǎn)，焙燒溫度不能超過400℃，這一點制約了其推廣應用。

流態(tài)化焙燒爐也稱沸騰床焙燒爐，由于其加熱均勻，燃料利用率高，且設備維修簡單，是當前廣泛采用的焙燒裝置。

在使用流態(tài)化焙燒爐的條件下，日本鋼管接頭公司作了一項很好的改進，如圖7所示。

圖7a是通常使用的流態(tài)化焙燒爐，其缺點如下：一是爐內(nèi)砂粒的溫度不勻，難以保持最適宜的焙燒溫度；二是焙燒砂的顯熱未能利用，而且使此后砂冷卻作業(yè)的負擔重；三是熱效率低，燃料耗量多。

圖7b是改進后的流態(tài)化焙燒爐，改進主要有兩點：一是在底部裝有對流熱交換器，利用焙燒砂的顯熱加熱鼓入的空氣，由熱空氣使砂粒流態(tài)化，促進爐內(nèi)溫度的均勻，并節(jié)省燃料；二是舊砂經(jīng)分散器分布于爐內(nèi)，與爐內(nèi)原有的熱砂很易混勻，升溫快，焙燒效果好。

改進的焙燒爐，特別適合規(guī)模較小的鑄造廠采用。

三、廢棄粘土濕型砂再生工藝方案的選取

目前，廢棄粘土濕型砂的再生，已經(jīng)是鑄造業(yè)必須面對的課題。一般說來，比較適用的是焙燒-機械聯(lián)合再生和濕法擦洗再生兩種工藝。但是，采用這兩種方式，設備都比較復雜，投資額也較大，適合于具有多條生產(chǎn)線的大型企業(yè)（如大型汽車鑄鐵件生產(chǎn)廠家）。

產(chǎn)業(yè)集群化的鑄造工業(yè)園區(qū)、鑄造企業(yè)較集中的地區(qū)，可以設立專業(yè)化的砂處理廠。

單一機械再生，設備比較簡單，投資額也不大，如果不要求將再生砂用于制芯，在選用功能較好設備的條件下，也是可以采用的。

總體方案選定后，還要根據(jù)主要鑄件產(chǎn)品的特點、制芯工藝、芯砂混入量，以及廢棄砂處理量等具體情況，確定工藝流程的安排和設備的選用，務求經(jīng)濟、實用。