砂型鑄造的環境特征及鑄造粘結劑的發展趨勢

樊自田，龍 威，劉富初

（1華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430074；2湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

2013年我國的鑄件產量已超4 000萬t。據不完全統計，我國鑄造每年要產生廢舊砂（廢渣）等固體廢棄物3 000萬～4 000萬t、廢氣300億～600億m3，鑄造行業引起的環境問題十分驚人［1－2］，高質量、少污染、低成本地實現清潔生產和綠色鑄造，一直是鑄造工作者的奮斗目標。

表1為早期報導的來自不同鑄型中的污染物含量測試結果［3－4］。表2和表3為近期王玉玨等總結的國外有關鑄造型砂原材料鑄造熱時產生的揮發性有機物 VOC（Volatile Organic Compound）和危險性空氣污染物 HAP（Hazardous Air Pollutant）的測試報導［5－9］。由于檢測方法不盡相同，得出的檢測數據相差較大。

表1 來自鑄型中的微粒、含苯環化合物和ɑ－苯并芘的污染物總重量［3－4］

表2 煤粉、酚醛樹脂粘結劑、呋喃粘結劑熱解HAP產物構成%［8－9］

表3 砂型鑄造中澆注、冷卻與落砂過程的VOC 與 HAP 排 放因子［8－9］

本文介紹了筆者對典型砂型鑄造方法的環境測評（主要是污染氣體及舊砂再生）研究結果，由此闡述了筆者對鑄造粘結劑的發展趨勢的看法。

1 典型砂型鑄造方法氣體排放物的環境特征研究

為了對比不同型砂種類澆注時排放的氣體種類及數量，筆者以鑄鋼件為例，對生產鑄鋼件的5種典型砂型鑄造方法的氣體污染物成分及相對含量進行了實驗測定。

1.1 實驗測定方法

為了防止澆注后氣體被污染，影響氣體成分和相對含量檢測的準確性，筆者設計了一種砂型鑄造尾氣采集方法［10］。將砂箱放置于密封罩內抽真空，采用反重力澆注，澆注完成后抽取密封罩內的氣體，獲得純凈的鑄造尾氣用于氣體成分及其相對含量檢測，氣體成分和相對含量采用GC－MS氣質聯用儀檢測，測試結果利用CAS化學編號檢索。

1.2 實驗條件及材料

采用鑄鋼ZG35為實驗對象，澆注溫度為1 570～1 600℃，澆注試樣重量為2 000g。為了防止舊砂中的各種摻雜物的影響，型砂采用新砂進行混砂，型砂配比如下。

1）粘土濕型砂（無型芯），2 000g大林砂（40／70目），160g鈉基膨潤土，4gα淀粉添加劑。

2）堿性酚醛樹脂自硬砂：1 000g大林砂（40／70目），30g堿酚醛樹脂，6g六亞甲基四胺固化劑。

3）呋喃樹脂自硬砂：1 000g大林砂（40／70目），10g呋喃樹脂，4g苯磺酸固化劑。

4）CO2吹氣硬化水玻璃砂：1 000g大林砂（40／70目），70g水玻璃。

5）酯硬化水玻璃砂：1 000g大林砂（40／70目），30g水玻璃，3g酯。

1.3 測定結果及分析

對澆注中采集到的氣體進行成分檢測和CAS檢索，測試結果見表4。

表4 五種型砂的實際澆注氣體相對含量表

表4中，通過成分檢測，5種典型砂型鑄造的尾氣中，無機氣體主要包括CO、CO2、H2O等，其中CO的含量較低，在5%以下。有機氣體中，水玻璃砂澆注后產生的毒害性有機氣體含量相對較少，尾氣成分檢測中沒有檢測到苯，甲苯以及苯環類化合物；粘土砂中的毒害性有機氣體相對含量為25.23%，其尾氣中檢測到了約12%相對氣體含量的苯，粘土砂尾氣中苯的產生主要可能是由于型砂添加了工業α淀粉、膨潤土粘結劑在鈉化改性時的添加劑及一些膨潤土礦中雜質物所造成的；兩種樹脂砂的毒害性有機氣體相對含量較高，尾氣中均檢測到了苯、甲苯、二甲苯和帶苯環類有機物，這些毒害性有機氣體主要是因為砂型和型芯中的有機粘結劑熱解而產生的。

2 典型舊砂再生回用性分析

不同的鑄造舊砂呈現出不同的物理和化學特性，其再生回用方法也各有差異，通常應采用不同的再生方法才能獲得符合使用要求的高質量的再生砂。以國內某大型鑄造廠混合廢砂為例，針對工廠送來的多種粘土廢砂和樹脂廢砂，選取兩種造型線上使用最廣的型砂的廢砂進行試驗研究。對2種廢砂樣過6目篩去芯砂和鐵渣等雜物后，分別測試粘土廢砂和樹脂廢砂的含水量、粒度分布、灼燒減量、含泥量和酸堿度（pH值），測試結果見表5。

表5 粘土廢砂和樹脂廢砂的性能測試結果

當前，舊砂再生方法及裝備技術通常是針對單一舊砂進行的，而采用單一的再生方法所處理的“粘土－樹脂”混合廢砂達不到型砂的性能要求。因此，針對“粘土－樹脂”混合廢砂的不同型砂的再生特征，開發基于“濕法－熱法”的復合再生方法，對粘土廢砂采用濕法再生，對樹脂廢砂采用熱法再生，利用熱法再生砂的熱量烘干濕法再生砂，達到混合廢砂的高質量低成本再生回用之目的［11］。

試驗中，樹脂廢砂再生處理溫度600℃、700℃和800℃，再生時間30min。不同溫度下的樹脂廢砂再生性能見表6，其中酸堿度pH值為砂樣熱法再生后，在自來水（pH值7.40）中浸泡后測試得到。

表6 不同溫度下的樹脂廢砂再生性能測試結果

將干法預處理后的粘土廢砂樣進行濕法再生，濕法再生次數為4次，分別測試砂水比例分別為1∶1、1∶1.5和1∶2的砂樣再生效果，測試性能為含泥量、灼燒減量、粒度分布和酸堿度，測試結果見表7。

表7 不同砂水比例濕法再生砂樣性能變化

將熱法再生溫度為800℃，熱／濕再生砂混合比例為1∶2.5的熱法與濕法再生砂混合，混合后的再生砂含水量可以達到企業的標準，混合再生砂的性能和造型后的抗拉強度性能（造型配比：1 000g再生砂＋0.6%固化酯＋3%堿酚醛樹脂）見表8。

表8 復合再生混合再生砂性能

從上述的“粘土－樹脂”混合廢舊砂的再生回用可以看出，采用新的復合再生回用方法，混合廢舊砂再生回用后的再生砂完全可以達到企業的生產標準。

3 鑄造粘結劑的發展趨勢

3.1 少污染無機粘結劑大量采用

目前，有機粘結劑在鑄造工業中應用較大，具有生產產量大、能耗小、鑄件表面質量和尺寸精度高、換模速度快、便于柔性化生產等諸多優點，但是，有機粘結劑存在著環境污染重、生產成本高等突出缺點，少污染、高質量、低成本的無機粘結劑的大量使用是鑄造生產的一個趨勢。

水玻璃粘結劑具有不燃燒、耐高溫、資源豐富、成本低廉、不析出各種有毒氣體和冷凝物、不污染作業環境和鑄造工裝等許多優點。水玻璃砂不僅作業環境好，而且改善鑄件質量和降低生產成本，備受鑄造工作者的重視和青睞，被認為是21世紀最有可能實現綠色鑄造的型砂。德國HA化學公司和ASK化學公司分別開發了Cordis系列和Inootec系列的新型改性水玻璃砂工藝、國內華中科技大學樊自田等人開發了新型改性水玻璃成功，應用于批量化的鑄造生產，在環境、質量和經濟等方面都取得了令人滿意的效果，為水玻璃無機粘結劑在高效、復雜、高質量的鑄造生產中的應用開辟了一條新路。因此，水玻璃無機粘結劑的大量鑄造應用，對于減少鑄造行業的污染，實現綠色鑄造具有重大的社會效益和經濟價值，水玻璃無機粘結劑在鑄造生產中的應用發展前景十分廣闊［12］。

近年來，國內外研究人員對水溶性的動物蛋白質粘結劑應用于鑄造生產開展了研究，國外已有動物膠粘結劑應用的報導［9－10］。水溶性動物蛋白質具有無毒害、強度高、原料豐富、成本低廉等優點，開發水溶性動物蛋白質粘結劑在鑄造生產中的應用，將有利于降低鑄件生產成本，提高企業經濟效益。目前，國內水溶性動物蛋白質做鑄造粘結劑還沒有產品投入市場，主要在實驗室研究［13－14］。

總之，在我國鑄件產量逐年增加的情況下，少污染無機粘結劑的大量使用將有效降低鑄造業帶來的環境污染，具有重大的社會效益和經濟價值，對于實現綠色鑄造具有重大理論與實際意義。

3.2 低成本無排放的舊砂再生回用技術

我國每年產生的鑄造舊砂超過3000萬t，一些大型鑄造企業年排放鑄造廢舊砂都在10萬t以上，廢舊砂的丟棄造成了硅砂資源的大量浪費，同時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我國迫切需要解決的問題，對于我國鑄造產業的綠色可持續發展具有重大意義。

目前，低成本無排放的舊砂再生回用技術研究主要包括舊砂再生新技術和高效再生設備的開發。舊砂再生新技術主要是針對目前現有的干法、濕法、熱法再生技術多只針對單一舊砂的現狀，開發基于混合廢舊砂的復合再生方法，如“干法－濕法”、“干法－熱法”、“干法－濕法－熱法”等復合再生新技術，利用復合再生技術低成本、高質量、無二次排放的再生回用廢舊砂［15］。

舊砂再生回用技術中，濕法再生和熱法再生后的再生砂質量高，可代替新砂使用，因此，廢舊砂再生的高效再生設備的開發主要針對濕法再生設備、熱法再生設備和基于舊砂復合再生原理的“濕法－熱法”復合再生設備。如開發高效濕法再生設備（包括高效濕法再生機（含連續式、間隔式再生機））、濕砂脫水設備、水砂分離、污水處理等關鍵設備；開發高溫熱法再生爐（110～150℃低溫烘干爐、300～350℃中溫加熱爐、700～800℃高溫焙燒爐）等，高溫爐余熱利用技術及方法，構建高效、低成本的舊砂熱法再生回用成套技術與設備系統；構建高效混合廢舊砂復合再生設備生產線及各式濕法、熱法再生設備的連接方式，實現大量混合鑄造廢舊砂的低成本再生回用。

3.3 存在的問題及發展方向

隨著科技的進步，綠色鑄造技術獲得了長足的發展，但不論是少污染鑄造用無機粘結劑還是低成本無排放的舊砂再生回用技術都存在著一些問題［14－15］。

水玻璃粘結劑在鑄造上的應用越來越多，但是水玻璃砂也存在著舊砂潰散性差、再生回用困難，濕法再生水玻璃砂的堿性污水回用等問題制約著水玻璃砂的發展。酯硬化水玻璃砂技術的發展，使得水玻璃舊砂的潰散性和再生回用問題得到了一些解決，但距離完全解決水玻璃舊砂再生問題還有一段距離。近年來，將微波硬化技術應用于水玻璃砂鑄造上，使得水玻璃砂中的水玻璃加入量進一步降低，提高了水玻璃砂的潰散性和再生回用性，微波硬化水玻璃砂技術的發展使得水玻璃砂實現綠色鑄造又邁進一大步。

鑄造單一舊砂的再生回技術成熟度較高，但是針對目前企業普遍存在的混合廢舊砂的再生回用技術尚不成熟，低成本、高質量、無二次排放的舊砂再生回用技術仍是未來鑄造廢舊砂資源化再生利用的重要發展方向。

4 結束語

目前，砂型鑄造仍然是我國鑄造生產的主要方式。砂型鑄造中的廢舊砂的低成本再生回用、鑄造尾氣的少排量無害化排放都對鑄造粘結劑提出了更高的要求。國家提出的鑄造業可持續發展及21世紀的綠色清潔生產方式促使鑄造工作者設計和開發使用安全無公害的綠色鑄造用粘結劑。新型綠色鑄造粘結劑的開發和生產應用，對于加速我國鑄造生產清潔化的進程和傳統產品的更新換代，從源頭上根除鑄造生產中的環境污染，降低生產成本和提高鑄件產量，都具有重要的現實意義。

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