鑄造舊砂再生回用技術現狀及進展

龍 威，樊自田

（華中科技大學，湖北武漢 430074）

鑄造舊砂再生回用技術現狀及進展

龍 威，樊自田

（華中科技大學，湖北武漢 430074）

本文對近5年來鑄造舊砂再生回用技術研究及應用的進展進行了概述。對目前廣泛使用的再生回用技術、設備的研究及應用進行了分析。認為鑄造廢舊砂的再生回用是鑄造工業實現綠色可持續發展的必然要求，低成本高效率地再生回用鑄造舊砂是鑄造技術進步的重要方向。

鑄造舊砂，再生利用，綠色鑄造，可持續發展，低成本再生

1 引言

鑄造行業是制造業中的基礎行業，各行業的發展都離不開鑄件[1]。2010年我國年產鑄件約3500萬噸，是世界第一鑄造大國。但我國每噸鑄件生產要排放廢舊砂約1噸，年排放鑄造廢舊砂3000多萬噸，資源消耗和環境污染都十分驚人。一些大型鑄造企業年排放鑄造廢舊砂都在10萬噸以上，而在企業排放大量鑄造廢舊砂的同時，企業需向生產線補充等量的新砂以維持生產線運行，每年全國由此造成的新砂采購成本和運輸成本達百億元，給企業帶來巨大的經濟負擔，也給我國的資源和環境帶來巨大壓力。因此，鑄造廢舊砂的處理和回收再利用已成為當前迫切需要解決的問題，這對我國鑄造產業的綠色可持續發展具有重大的實際意義。

本文針對目前廣泛使用的粘土砂、水玻璃砂和樹脂砂在鑄造生產中產生的舊砂的再生回用技術進行分析展望。

2 粘土舊砂的再生回用

粘土砂被廣泛的用于鑄鐵、鑄鋼生產中，其產生的廢舊砂量也是最多，約占整個鑄造產量的80%以上。目前，粘土舊砂的再生回用方法主要包括干法機械再生和干－熱聯合再生，干法再生后的砂子多直接用于生產線的回用，干－熱聯合再生法再生后的砂子可用于制備芯砂。

重慶某造型材料公司[2]結合國內外再生設備技術，自主研發了間歇式燃燒焙燒爐和機械再生裝置。采用低溫焙燒原理，利用熱砂排熱加熱流動空氣和利用殘留碳素燃燒產生的二次熱源進行焙燒，利用焙燒反應余熱和冷卻熱砂余熱對舊砂進行預加熱，使熱能得到充分利用。該工藝技術的舊砂回收率達68%～90%，再生砂灼熱減量≤0.2%，再生砂質量較好，可以用于制備覆膜砂、熱芯盒呋喃樹脂砂和冷芯盒樹脂砂等。但采用間歇式燃燒焙燒爐和機械再生的干－熱法聯合再生工藝導致粘土舊砂再生成本偏高，其推廣應用受到一定的限制。

乜忠利[3]等介紹了常州市某公司與有關單位研制開發的CRG舊砂再生機。該再生機系離心機械式，在高速旋轉軸下帶有葉輪，形成強烈軸向氣流，吹動向下流動的流砂，粉塵通過上方除塵口排出，達到舊砂再生目的，舊砂去泥率30%～60%，回用率＞90%。山東時風集團[4]采用CRG粘土砂再生系統對舊砂進行再生，再生砂的含泥量、有效煤粉含量和有效膨潤土含量較之舊砂分別降低了40.6%、39.3%和47.3%，再生砂代替部分新砂直接用于粘土砂生產線循環取得了較好的效果，鑄件廢品率降低近1%；認為CRG粘土砂再生設備系統可以降低企業的廢舊砂排放量和生產成本。

R.Danko[5]通過系統的方法分析廢舊砂的再生工藝，介紹了舊砂再生時砂粒干法機械摩擦去泥的能量模型。它的理論基礎是Rittinger對粉碎物料的假設，即砂粒破碎能耗與破碎后砂粒的新生表面積成正比，外部輸入的能量越多，再生砂的粒度越細，砂子的去泥率、除塵率越高。但粒度偏細的砂子并不利于再生砂的循環使用，在粘土舊砂再生時，可以根據企業的舊砂再生要求，對舊砂使用Rittinger系數進行計算，優化干法再生過程，控制能耗成本，獲得符合使用要求的高質量再生砂。

Nestor Cruz[6]等采用氣固流化床對粘土舊砂進行再生回用。試驗表明，當氣固流化床的噴孔氣體壓力為550kPa，加熱溫度超過700℃時，再生砂質量較好，再生砂中有機物含量接近0，舊砂表面的殘留膨潤土去除率較高，再生砂的有效膨潤土含量為2%左右，再生過程中的舊砂損耗量小于14%。采用氣固流化床對粘土舊砂進行再生回用，其熱法再生和干法再生綜合成本為0.023（US$/kg），低于新砂0.04～0.14（US$/kg）的采購成本，再加上舊砂的一些輔助成本，認為該工藝具有較好的經濟適用性。

綜合來看，目前粘土舊砂的再生方式主要有干法再生和干法－熱法聯合再生。干法再生砂多直接用于粘土砂的生產線循環回用；干法－熱法聯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。因此研究開發新型高效粘土舊砂再生方法及裝備，實現大量粘土廢舊砂低成本再生回用是目前綠色鑄造技術研究的方向。

3 水玻璃舊砂的再生回用

水玻璃砂被認為是21世紀最有可能實現綠色鑄造的砂型，被廣泛應用于鑄鋼件生產中。近年來，隨著水玻璃砂的廣泛應用，水玻璃舊砂的再生回用方法和技術也得到了長足的發展。

樊自田[7]等分析了酯硬化水玻璃舊砂多次再生使用后，其Na2O較大升高，潰散性顯著下降，生產厚大鑄型時硬透性變差出現蠕變現象的原因。認為研究開發適于干法再生水玻璃砂的改性水玻璃，對再生砂實施表面處理，對舊砂進行高脫膜率的再生等，是解決酯硬化水玻璃砂多次再生使用后潰散性惡化問題的主要措施。

王繼娜[8－9]等提出了“冰凍－機械”再生水玻璃舊砂新方法。通過試驗測試了“冰凍－機械”再生水玻璃舊砂的優化工藝參數，可獲得43%高再生脫膜率；利用自然條件實施室外溫度約－15℃自然冰凍，脫膜率可達32.8%，較之干法再生的脫膜率提高71.3%。因此，認為“冰凍－機械”再生具有濕法與干法綜合優勢，具有實用意義。

張培根[10]提出的水玻璃廢砂再生系統，包括舊砂破碎設備、一級和二級濕法再生設備及污水處理設備、濕砂脫水設備及烘干設備。采用兩級濕法再生工藝，Na2O的去除率高；得到的再生砂質量也好，可直接代替新砂作面砂或單一砂使用；并且耗水量小，同時污水處理后可循環使用或達標排放。

李樹楨[11]等研發了一種水玻璃舊砂回轉振動研磨濕式再生機，其結構包括鋼螺旋橡膠復合彈簧、機架、外筒體、內筒體、陶瓷磨球和振動電機等。據介紹該再生設備的水消耗量較少。

汪華方[12]等最近提出了生物再生水玻璃舊砂的設想。它利用硅藻依賴污水中鈉離子、硅酸根離子而繁殖的特性，在濕法強堿性污水中創造適宜的條件培養經過耐堿馴化的硅藻，快速生長的硅藻大量消耗堿性污水中的硅酸根離子和鈉離子，使污水的堿性大大降低。生物再生使用的硅藻在自然條件下快速生長，硅藻處理后的再生污水可用于舊砂再生生產線循環使用或直接排放，再生后獲得的硅藻可用作于飼料、墻面材料、生物柴油和芯片等。生物再生水玻璃舊砂方法的可行性及效果有待進一步驗證。

綜合來看，目前水玻璃舊砂的再生回收，多采用濕法再生和“干法＋熱法”聯合再生。“干法＋熱法”聯合再生砂可用于背砂或單一砂循環，但需嚴格控制循環砂中的Na2O含量；濕法再生水玻璃舊砂的效率高、再生砂質量好，再生砂可以100%代替新砂使用，但需較好解決污水污泥處理回用問題。“冰凍－機械”再生方法具有濕法再生與干法再生的綜合優勢，可利用北方的寒冷天氣進行舊砂再生，較大降低了水玻璃濕法再生時的水耗量和再生成本。在濕法再生的基礎上，研究開發高效無二次污染的水玻璃舊砂再生新型工藝及設備系統仍是解決水玻璃舊砂再生難題的關鍵。

4 樹脂舊砂的再生回用

樹脂砂的種類較多，包括呋喃自硬樹脂砂、酚醛自硬樹脂砂、熱硬樹脂砂、冷（氣）硬樹脂砂等，可用于生產高質量的鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁等各類零件。研究及實踐表明，呋喃樹脂自硬舊砂采用干法再生可以獲得滿意的再生效果，實現循環使用，也可以采用熱法再生；堿酚醛自硬樹脂舊砂需要采用“干法＋熱法”聯合再生和濕法再生；而熱硬或冷硬樹脂砂只能采用高溫熱法再生。

孫清州[13]等介紹了自硬樹脂砂熱法再生原理及沸騰式再生裝置。認為熱法再生是有機粘結劑自硬樹脂砂的一種完全再生方法，在樹脂舊砂進行熱再生的同時，對砂子具有改性作用。與新砂相比，熱再生砂的角形系數、發氣量、熱膨脹性均有所降低，粒形趨園整，砂子集中度、型砂抗拉度提高，熱再生砂較之新砂具有更優良的鑄造工藝性能，具有很好的回收再利用價值。

陳宗明[14]等介紹了一種以煤氣為燃料的覆膜砂熱法再生工藝及其裝置。以煤氣發生爐產生的低壓熱煤氣作沸騰式焙燒爐的熱源取代焦炭或柴油，研制成1t/h～1.5t/h沸騰式熱法再生裝置，再生1t舊砂消耗煤炭約為70kg，與液體燃料（柴油、煤油或重油等）相比，具有一定的環保和節能優勢。

朱旭東[15]介紹了由“鑄造用砂焙燒爐”和“立式螺旋沸騰冷卻器”組成的自硬樹脂砂“熱法+機械”柔性再生線，生產率0.5t/h～30t/h。可以根據使用要求，采取不同的加熱溫度，連續或間隙性啟動焙燒爐，使舊砂經過加熱焙燒或直接進入機械再生裝置，可滿足不同季節下的砂溫冷卻要求，達到節省燃料的目的。

Peter Wagner[16]等認為機械式再生是一種經濟、高效的再生冷硬樹脂砂的方法，冷硬樹脂砂幾乎可以全部再生，而熱法再生僅應用于特殊的領域。他們介紹了一種帶有回流冷卻器的再生設備和帶有冷卻流化床/篩選機的再生裝置，主要由落砂柵架和振動破碎機構成。該方法可獲得較高質量的再生樹脂砂，實用價值較大。

S.Fiore[17]等對意大利北部的一家鑄造工廠的多種冷芯盒樹脂舊砂再生工藝進行了研究。通過對Teksid鑄造車間500噸型砂的測試，對干法處理和干法+熱法處理這兩種方法的效率進行了對比。認為干法+熱法這種處理方法對于Teksid鑄造車間冷芯盒鑄造產生的舊砂是最佳的再生方法之一。

綜合來看，為了獲得可用于芯砂的再生砂，樹脂類舊砂的再生通常采用熱法或者干法－熱法聯合再生方法，但由于高溫（＞700℃）熱法再生的能耗大、成本高，研發高效熱法再生工藝與裝備仍是目前熱點問題。呋喃自硬樹脂舊砂的再生生產線及再生設備目前是比較成熟的，在實際生產中獲得廣泛的應用；而酚醛自硬樹脂舊砂的低成本、無污染再生問題仍有很多工作要做。

5 混合廢舊砂的再生回用

在諸多種類的鑄造舊砂中，以粘土舊砂為主混合舊砂（粘土－樹脂舊砂、粘土－水玻璃舊砂等）占多數，低成本再生多種混合舊砂一直是鑄造舊砂再生的難點之一。

樊自田[18]等提出了一種鑄造混合廢舊砂的低成本再生回用新方法。即先將混合舊砂盡量分類，分別將適于濕法再生的舊砂和適于熱法再生的舊砂進行濕法再生和熱法再生；然后兩部分再生砂按照一定比例混合，利用熱法再生砂的熱量加熱烘干濕法再生砂，最后經調濕、調溫，得到再生回用砂。該方法避免了在單一的濕法再生工藝中再生砂后期烘干所需的能源消耗和在單一的熱法再生工藝中再生砂冷卻時的熱量浪費，降低了能源消耗和舊砂再生成本，是一種頗有應用前景、適用于大量鑄造混合廢舊砂的低成本、高質量的再生回用新方法。

重慶某公司[19]CZS鑄造廢砂再生生產線及裝置采用熱法再生或熱法機械再生的方式，對鑄造后的樹脂砂廢砂或粘土砂廢砂進行再生處理，然后作為粘土砂或樹脂砂兩種用途的原砂使用。使用結果顯示CZS鑄造廢砂再生生產線對于混合廢舊砂的再生處理具有一定的效果。

趙洪仁[20]等調訪了國內八個單位，調研對象都是對熱法再生處理樹脂類有機粘結劑砂有較成熟經驗的單位與設備，認為粘土混合砂再生作造型砂代替新砂使用也已有成熟的設備，但對汽車內燃機等大量采用新砂作有機砂芯的廠，芯砂不斷混入型砂，使循環型砂砂量大增，必須大量排出才能保持平衡。他們認為把混合砂再生作芯砂代替新砂是個難題，國外雖有成功的經驗，但國內則急待解決。

目前，國內外的舊砂再生技術基本上都是針對單一型砂進行的，而對于混合廢舊砂的再生回用則沒有很成熟的技術。由于目前國內外很多企業產生的廢舊砂均為混合廢舊砂，所以研制開發低成本、高性能的混合廢舊砂再生技術、設備及系統，是實現企業節能減排和我國鑄造產業綠色化生產的緊迫要求與必然趨勢。

6 鑄造廢砂資源化綜合再利用技術[21-24]

除了鑄造工廠直接再生回用鑄造廢舊砂外，鑄造廢砂資源化綜合再利用技術也得到了很大發展。根據廢舊砂的物化性質和其它綜合因素,鑄造廢砂可以做如下幾方面的資源化綜合再利用。

（1）用鑄造廢砂制造聚合物基復合材料。以鑄造廢砂為顆粒增強材料、以熱塑性廢塑料為基體，通過砂粒表面活化、共混復合、成型等工序制造廢棄物復合材料，具有砂的剛度和硬度，又具有聚合物材料的韌性和可加工性，可在很多領域內替代鋼材、木材、塑料、水泥、橡膠等產品。

（2）用鑄造廢砂制造硅酸鹽基復合材料。利用廢砂加入爐渣、尾礦、粉塵等主要原料，添加適量的活性激發劑，經混料、壓制養護而成的一種具有較好性能的建筑材料，可制建筑承重磚和空心磚，是大量解決工業廢料的一條有效途徑。

（3）用鑄造廢砂制造高強度燒結材料。水玻璃砂表面的惰性膜是呈網狀結構的聚合硅酸鈉。以水玻璃廢舊砂為主要原料，添加少量的廢玻璃和適量的添加劑，形成以核心顆粒為骨架，結晶玻璃為基體的復合結構材料，具有高硬度、高強度，可裝飾性等性能。

（4）用鑄造廢砂制造輕型發泡材料。鑄造廢砂中含有高溫發氣的物質，在高溫條件下，將被分解而最終形成CO2。將水玻璃廢舊砂、沖天爐爐渣、天然礦物、石粉按一定比例配合，焙燒制成發泡塊，這種發泡塊加工性能好，可切割，且發泡中其發泡狀態是獨立氣泡，在水中具有不滲透的特點。

（5）制造隔音隔板材料。將廢砂、發泡苯乙烯廢料、舊輪胎、石粉、水泥以及添加劑，用砌塊成型機械制成隔板材料，具有好的隔音防振性能。

7 結束語

鑄造廢舊砂是鑄造企業的寶貴資源，完全再生回用鑄造廢舊砂不僅可以較大節約鑄造企業的生產成本，還可以大大減少鑄造生產帶來的排放污染，是鑄造工業實現綠色可持續發展的必然要求。各類舊砂的特征不同，需要采用不同的再生方法與裝備，研究開發適于各種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進步的重要內容與方向，對保護環境也具有重要意義。

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New Development of Research and Application on Foundry Used Sand Reclamation and Reuse Technology

LONG Wei，FAN ZiTian
（Huazhong Universityof Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

The research and application of foundry used sand reclamation and reuse technology in last 5 years have been summarized.The research of the reclamation and reuse technology of the foundry old sand of varieties with extensive use at present have been analyzed,resulting in that the necessary requirements for foundry industry in realization of green sustainability should be met by reclamation and reuse of the foundry old sand while the important trend of casting technological progress be in low cost and high efficient technology of reclamation and reuse.

Foundry used sand;Reclamation and reuse;Green casting;Sustainable development

TG231.5;

A；

1006－9658（2012）02－0001-5

國家自然科學基金資助項目（編號51075163）

2011－12－29

稿件編號：1200－001

龍威(1982－),男,博士后,研究方向：造型材料研究及其質量控制