鑄造舊砂再生新方法、新進展及新期待（續）

樊自田，劉富初，龔小龍，王黎遲

（華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

（續上期）

3 舊砂再生的新方法和新進展

3.1 粘土舊砂再生新方法新進展

常云青等[13]提出了一種粘土舊砂再生系統。該再生系統的再生方法屬于干法機械再生，包括兩級再生：一級離心撞擊式再生和二級渦流摩擦式再生，綜合了離心撞擊和渦流摩擦的再生作用，該再生方法本質上屬于機械摩擦式再生。圖10所示為該粘土舊砂再生系統組成圖。

孫清洲等[14]提出了一種粘土舊砂完全再生用成套設備及其再生方法，該設備包括高溫脆化裝置、脆化舊砂冷卻裝置、多排磨輪再生機、微粉分離裝置、再生砂改性裝置和三回程滾筒；該再生方法是熱法再生、機械再生和化學改性再生的復合，再生成本較高（圖11所示為該再生方法的流程圖）。他們[15]還提出了一種適于粘土再生砂的改性方法，即“將0.05mol/L～5 mol/L濃度的鹽酸、加入粘土再生砂中（加入量為2%～10%）”。經改性處理的粘土再生砂能夠用于混制覆膜砂、熱芯盒砂和冷芯盒砂；該方法不僅降低了粘土完全再生砂的耗酸值，而且可提高型砂的抗拉強度，改善粘土完全再生砂的鑄造工藝性能。

Nestor Cruz等[16]采用氣固流化床對粘土舊砂進行熱法再生回用。測試的最佳再生參數為：氣固流化床的噴孔氣體壓力為550kPa、加熱溫度超過700℃，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%。

綜合來看，已有的粘土舊砂再生方式主要有干法再生和干法-熱法聯合再生。干法再生砂多用于生產線的回用，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。

圖10 粘土舊砂再生系統

圖11 粘土舊砂完全再生方法流程圖

3.2 樹脂舊砂再生新方法、新進展

孫愛琴提出了一種呋喃樹脂自硬砂的處理方法[17]和一種酚醛樹脂自硬砂的處理方法[18]，上述方法屬于濕法再生和化學再生的復合。該復合再生方法包括以下步驟：（1）預處理，分別添加檸檬酸和氨水溶液浸泡、再生舊砂；（2）擦洗再生，將預處理好的舊砂擦洗再生（其中呋喃樹脂舊砂的進料濃度為35%、酚醛樹脂舊砂的進料濃度為33%），將烘干砂進行磁選處理，（磁場強度為0.65T～0.8T）；（3）化學再生，將二次處理砂與混合溶液按重量比（呋喃樹脂砂的為1∶2.3，酚醛樹脂砂的為1∶2.5）的比例混合攪拌，除去懸浮物過濾得到三次處理砂，其中混合液是由硫酸、柴油、烯丙基磺酸鈉、硝酸和水等組成；（4）后處理，將三次處理砂進行水洗、烘干，得到再生砂。該再生方法包括多個工藝過程，再生成本較高。

秦升益等[19]提出了一種酚醛樹脂自硬砂舊砂的再生處理方法，其本質是熱法再生，在堿性酚醛樹脂舊砂中混入質量為其0.2%～2%的粉劑，混合均勻后加熱至 600～800℃進行熱法再生30min～60min。其中所有的粉劑為高價碳酸鹽或者亞硫酸鹽，這類物質在高溫下易分解，能形成其對應的氧化物，這些氧化物加入再生砂中可提高型芯的強度。該再生方法過程較繁瑣，熱法再生和氧化物的添加都會增加再生成本。

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，研發高效熱法再生樹脂舊砂工藝與裝備仍是目前的研究方向。

3.3 水玻璃舊砂再生新方法、新進展

余明偉等[20]提出了一種水玻璃砂舊砂碾磨再生的方法。該方法的原理是采用碾磨濕法再生水玻璃舊砂，利用螺旋洗砂機水洗碾磨后的舊砂、使砂水分離，最后振動脫水或離心脫水。先將鑄造廠落砂后的水玻璃砂舊砂經磁選去掉含鐵雜質，磁選后的舊砂進入石碾機碾壓使砂塊破碎成砂粒，同時加入舊砂質量10%～20%的自來水，使舊砂濕潤；然后調整出料口高度，保持石碾內砂層的厚度為300mm～700mm，舊砂在石碾內碾壓使砂層翻滾，砂粒之間相互磨擦，使砂粒表面水玻璃膜去掉，連續加料，連續出料，使再生砂中的碳酸鈉、醋酸鈉總量小于0.1%；最后將碾磨后的舊砂用螺旋洗砂機水洗，使砂、水分離，并將濕砂進行振動脫水或離心脫水，使濕砂含水量小于5%，加熱烘干后得再生砂。該方法本質上屬于濕法再生水玻璃舊砂。

盧記軍等[21]探討研究了熱水或者高溫水蒸汽濕法再生水玻璃舊砂的可能性，采用高溫水擦洗或水蒸汽蒸淋水玻璃舊砂，然后把再生砂中溶有粘結劑的污水排出，烘干后得到再生砂，以期達到再生效率高、用水量少之目的。對溶有粘結劑的污水進行加熱蒸發濃縮，從而回收水玻璃。該方法是熱、濕法再生水玻璃舊砂，再生時需要耐高溫的再生裝置，對設備要求高且再生成本昂貴。

常云峰等將微波加熱技術、超聲攪拌技術與化學再生相結合，提出了利用微波再生水玻璃舊砂的方法[22]和采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法[23]。微波高效再生水玻璃舊砂的方法是將破碎后的水玻璃舊砂和氫氧化鈉溶液分別依次加入微波反應釜中，攪拌混合均勻；利用微波將微波反應釜升溫至100～200℃，恒溫5min～90min反應后的水玻璃砂和堿液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得到再生砂。超聲技術再生水玻璃舊砂的方法是將水玻璃舊砂放入配制好的氫氧化鈉溶液中，浸泡后將水玻璃舊砂分離，將水玻璃砂放置在清水或質量濃度為0～20%的堿液中，使用頻率為20kHz～200kHz的超聲波超聲 5min～60min，超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，得到水玻璃砂和含有廢渣的廢液，水玻璃砂經洗滌后烘干，得到脫膜率不低于95%的再生砂。以上方法的不足之處是，在再生過程中需要添加強堿液、專用的微波和超聲設備，對設備要求高、再生成本較高。

Stachowicz等[24]提出了一種水玻璃舊砂再生方法，舊砂經破碎、除塵后，加入適量蒸餾水攪動一段時間，再加入一定量的新水玻璃后混砂回用。結果表明，在保證再生砂使用性能的條件下，此再生過程可連續進行3～5次。該方法的原理是利用水玻璃的吸濕性，加入蒸餾水使砂粒表面失水的水玻璃吸水而恢復部分粘結性能，因而只需要再加入較少的新水玻璃即可完成造型。此方法過程簡單，成本低，舊砂可全部回用而不引起環境問題。該方法的不足之處在于再生過程的各個具體參數需隨再生次數調整，且再生次數有限。

本課題組在水玻璃舊砂再生方面開展的主要研究[25～32]：

（1）開展了“冰凍-機械”干法再生水玻璃舊砂的系統研究。研究結果表明，水玻璃舊砂經320～520℃的加熱處理后，可使其再生砂的在粘結性能大為提高，但潰散性惡化嚴重，而經-40℃左右的“冰凍-機械”干法再生的再生砂潰散性很好。與不經加熱處理的普通機械干法再生砂相比-40℃“冰凍-機械”干法再生砂的粘結性強度提高約90%，可使用時間增長了約60%～75%，殘留強度降低20%，潰散性較好[25]。該方法對再生設備要求較高。

（2）探討研究了生物再生水玻璃舊砂的可能性，采用生物技術處理再生水玻璃舊砂濕法再生污水。研究結果表明，谷皮菱形藻可作為生物再生水玻璃舊砂濕法再生污水的硅藻藻種，在較佳的條件下培養7天后，谷皮菱形藻的Na+回收率為49.6%，SiO32-回收率為68.6%，污水的pH值由11.0下降為8.3[26～28]。生物再生水玻璃舊砂是值得期待的理想方法，但其可行性及實用性仍有待進一步研究。

圖12 超聲波濕法再生水玻璃舊砂方法的流程圖

（3）提出了一種超聲波濕法再生水玻璃舊砂的方法，圖12所示為該方法的流程圖[29]。研究結果表明：超聲波可通過機械效應、空化效應和熱效應促進硅酸鈉溶解，提高再生砂的脫膜率；超聲波功率、再生時間、耗水量和再生次數都可以提高再生砂的脫膜率；基于少耗水量濕法再生水玻璃舊砂的目標和高脫膜率的要求，可選取的優化工藝參數如下：超聲功率為800W、再生時間為10min、每次再生的砂水比為1∶0.3、濕法再生3次（即1t舊砂再生總耗水量為0.9t），此時再生砂的脫膜率為90.58%[30]。表4所示為采用該方法再生的水玻璃濕法再生脫膜率測試結果。該再生方法需經多次少水量再生才可使脫膜率達到90%以上。

表4 加水量和再生次數對脫膜率的影響（%）

圖13 滾筒式舊砂濕法再生方法流程圖

（4）發明了一種滾筒式舊砂濕法再生與脫水一體化設備及其使用方法[31]，該再生與一體化設備包括舊砂滾筒濕法再生及脫水機構、加砂加水及排水機構、支撐及傾轉機構和驅動機構，其再生方法流程圖如圖13所示。研究結果表明：采用低速再生、高速離心脫水的工藝可很好地實現水玻璃舊砂的濕法再生和脫水；在700r/min條件下離心脫水90s，再生砂含水量達4.25%，降低了再生砂干燥能耗；再生砂的脫膜率隨著再生轉速的增大先增加后減小，隨著再生時間的增加而增大，隨著耗水量的增大而增大；較優的再生工藝參數如下：一次耗水量30%、再生時間15min、再生轉速84r/min、脫水時間90s，濕法再生3次（即1t舊砂再生總耗水量為0.9t），此時再生砂表面比較光滑、沒有殘留粘結劑膜，再生脫膜率可達90.04%。表5所示為采用該方法再生的水玻璃濕法再生脫膜率測試結果。該方法實現了再生和脫水一體化，經多次濕法再生可使脫膜率達到90%以上。

表5 耗水量和再生次數對脫膜率的影響（%）

（5）提出了一種水玻璃舊砂濕法再生的堿性污水回收方法[32]，該方法的步驟如下：將舊砂和水按一定比例加入再生處理池中進行濕法再生；再生濕砂從池中取出脫水，再多次淋洗、脫水；脫除的高濃度污水經過濾返回到池中做下一批舊砂再生用水，直到池中污水堿度超過2mol/L，抽出池內高濃度堿性污水，經過濾做堿性原料回收；之后將低濃度污水經過濾加入池中彌補抽掉的高濃度污水繼續再生舊砂，重復上述再生過程；多次淋洗、脫水后的再生砂若Na2O含量高于0.05%，則需進行強擦洗再生。圖14所示為該方法的工藝流程圖。

綜上所述，濕法再生水玻璃舊砂具有脫膜率高、舊砂回用率高、再生砂質量好等優勢，目前被認為是最有效的水玻璃舊砂再生方法，但其存在耗水量大、污水處理困難的問題。近年來，少耗水量的濕法再生水玻璃舊砂工藝成為研究的熱點。

圖14 水玻璃舊砂濕法再生的堿性污水回收方法流程圖

4 舊砂再生的發展趨勢

各類舊砂的特征不同，需要采用不同的再生方法與裝備，研究開發適于各類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。筆者認為未來鑄造舊砂再生的發展趨勢如下：

（1）適于各類舊砂或混合舊砂的低成本再生回用工藝方法及設備的開發，以實現所有舊砂的合理再生和綜合利用。

（2）干法（機械）再生相對簡單，要重視熱法、濕法、尤其是多種方法復合再生技術及裝備的研發，應根據不同舊砂的性能特點采用不同的再生方法。

（3）熱法再生的余熱回用、水玻璃舊砂（堿酚醛樹脂舊砂）再生的堿性物質回用、生物再生、超聲波再生、微波再生等新技術及應用，值得關注與期待。

實現綠色鑄造的關鍵之一是舊砂完全回用、再生技術進步。采用先進技術與裝備，實現鑄造廢舊砂（渣）的再生利用、廢水的循環使用、廢氣的凈化排放。這不僅可以較大地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。