粘土舊砂濕法再生技術(shù)的研究

孫清洲 ，任文成 ，許榮福 ，楊 宸 ，單寶香 ，韓 勇

（1．山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2．山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250101；3．山東省科學(xué)技術(shù)廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心，山東濟(jì)南 250101）

粘土砂工藝是最常用的砂型鑄造工藝之一，由粘土砂工藝生產(chǎn)的鑄件占到由砂型鑄造工藝生產(chǎn)鑄件的50%以上。據(jù)統(tǒng)計，在粘土砂鑄造生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1噸鑄件將產(chǎn)生1噸廢砂，為此每年將產(chǎn)生大量的粘土砂廢砂，大量粘土廢砂的排放不僅污染了環(huán)境，同時也造成了鑄造砂資源的浪費(fèi)，為此粘土舊砂再生技術(shù)受到了廣大鑄造工作者的關(guān)注。

粘土舊砂再生分為干法再生和濕法再生，其中粘土舊砂干法再生及再生砂改性技術(shù)已在《鑄造粘土舊砂完全再生技術(shù)》[1]及相關(guān)文獻(xiàn)中有較詳細(xì)的介紹[2－6]，而介紹粘土舊砂濕法再生技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)卻較少，為此，以含覆膜砂芯砂粘土砂為研究對象，開展了粘土舊砂濕法再生技術(shù)的試驗研究，以促進(jìn)廣大鑄造工作者對粘土舊砂濕法再生技術(shù)的了解，推動粘土舊砂再生技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1 試驗儀器設(shè)備及材料

試驗用主要儀器及設(shè)備有TG71工業(yè)天平、JD200—3G電子天平、SSD電磁微震篩砂機(jī)、SLX洗砂機(jī)、DHG—9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、XQY—II智能型砂強(qiáng)度儀、S2004高效轉(zhuǎn)子混砂機(jī)、SX2—5—12箱式電阻爐等。

試驗用原砂為河北圍場砂，其主要性能如表1所示。膨潤土為維科膨潤土，吸藍(lán)量為35．6mL，煤粉為山東平度產(chǎn)SMF—Ⅰ型煤粉，濟(jì)南圣泉集團(tuán)公司生產(chǎn)的熱塑性酚醛樹脂、烏洛托品、硬脂酸鈣、冷芯盒樹脂、三乙胺等。

2 粘土舊砂濕法再生工藝的確定

為了研究粘土舊砂濕法再生的工藝路線，本文以含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂為研究對象，分別對“水洗”（再生工藝Ⅰ）、“水洗后焙燒”（再生工藝Ⅱ）、“焙燒后水洗”（再生工藝Ⅲ）三種粘土舊砂濕法再生工藝進(jìn)行了試驗研究。

稱取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g放入SXW渦流式洗砂機(jī)的洗砂杯中，倒入100mL水，擦洗5min后，靜置10min，用虹吸管將污水抽出，如此反復(fù)擦洗4次，用濾紙將砂子濾出，然后放入電熱式干燥箱中在105℃下烘干至恒重，即得到由再生工藝Ⅰ再生的再生砂。將由再生工藝Ⅰ所獲得的再生砂放入SX2—5—12箱式電阻爐中，在600℃溫度下焙燒15min后冷卻至室溫，即可得到由再生工藝Ⅱ再生的再生砂。稱取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g放入SX2—5—12箱式電阻爐中，在600℃溫度下焙燒15min后冷卻至室溫，將砂子放入SXW渦流式洗砂機(jī)的洗砂杯中，倒入100mL水，擦洗5min后，靜置10min，用虹吸管將污水抽出，如此反復(fù)擦洗4次，用濾紙將砂子濾出，然后放入電熱式干燥箱中，在105℃下烘干至恒重即得到由再生工藝Ⅲ再生的再生砂。取由三種濕法再生工藝所獲得的再生砂并分別測試其粒度、耗酸值、含泥量、角形系數(shù)、灼燒減量以及發(fā)氣量，結(jié)果如表2所示。

表1 原砂的主要性能

表2 粘土砂的濕法再生砂主要性能

表3 原砂及粘土砂的濕法再生砂混制覆膜砂的熱態(tài)及常溫抗拉強(qiáng)度

分別取新砂以及由上述三種濕法再生工藝所獲得的濕法再生砂各1000g，在實(shí)驗用覆膜砂混砂機(jī)上制備覆膜砂，并在冷卻至室溫后分別在覆膜砂制樣機(jī)上制備“8”字抗拉強(qiáng)度試樣，然后分別測試其熱態(tài)抗拉強(qiáng)度和常溫抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

對比表1和表2可以看出，由再生工藝Ⅰ所獲得的再生砂其發(fā)氣量高于由新砂和由再生工藝Ⅱ及再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的發(fā)氣量，由于粘土砂濕法再生的目的是將再生砂用于制芯，而砂子的發(fā)氣量大則是制芯所不允許的，因此再生工藝Ⅰ首先在濕法再生工藝中被淘汰。由再生工藝Ⅱ和再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的性能均優(yōu)于新砂，且由再生工藝Ⅱ所獲得再生砂的發(fā)氣量略低于由再生工藝Ⅲ所獲得再生砂的發(fā)氣量。

由表3可以看出，由再生工藝Ⅱ所獲得再生砂混制覆膜砂的室溫抗拉強(qiáng)度高于由再生工藝Ⅲ獲得再生砂和新砂混制覆膜砂的常溫抗拉強(qiáng)度，且采用再生工藝Ⅱ時，在對砂子進(jìn)行焙燒附段，已去除了砂子中的泥分，減少了焙燒砂子的質(zhì)量，和再生工藝Ⅲ相比節(jié)約了能源，綜上所述，再生工藝Ⅱ是適宜的濕法再生工藝路線。但由于這時再生砂的耗酸值仍然較高，為此將濕法再生工藝Ⅱ進(jìn)行了改進(jìn)，在水洗后加酸調(diào)節(jié)再生砂的耗酸值，使其耗酸值降低至5mL以下。故最終確定的粘土砂濕法再生工藝路線為“水洗+酸洗+焙燒”。

3 粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的確定

粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)就是一個對粘土舊砂進(jìn)行擦洗并消除芯砂混入有害影響的過程，本研究中對粘土舊砂的擦洗采用渦流擦選的方式，屬于強(qiáng)力擦洗的一種，不再對擦洗方式展開相應(yīng)研究，因此粘土舊砂濕法再生水洗環(huán)節(jié)工藝參數(shù)主要為洗砂次數(shù)、水砂比、洗砂時間、擦洗機(jī)的轉(zhuǎn)速及改性加酸量的確定。

3.1 粘土舊砂濕法再生擦洗速度的確定

分別取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g，加入洗砂杯中倒入100g清水，分別在SXW渦輪式洗砂機(jī)上以 1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行擦洗，每次擦洗時間為5min，每次擦洗結(jié)束后，靜置10min，然后用虹吸管將污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中水澄清為止，然后將洗砂杯內(nèi)的砂子濾出并烘干至恒重，分別測定每組砂子的含泥量，同時記錄各組的擦洗次數(shù)。其結(jié)果如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速及擦洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表4可以看出，當(dāng)擦洗機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min和1100r/min時，對粘土砂舊砂進(jìn)行5次擦洗所得到再生砂的含泥量低于擦洗機(jī)在1200r/min及以上轉(zhuǎn)速下經(jīng)4次擦洗得到再生砂的泥分含量。當(dāng)擦洗機(jī)的轉(zhuǎn)速為1200r/min、1300r/min和1400r/min時，對粘土砂舊砂進(jìn)行5次擦洗所得到再生砂的含泥量相近，且低于新砂的含泥量。擦洗轉(zhuǎn)速高將會增加轉(zhuǎn)子葉片的磨損，擦洗次數(shù)多將降低生產(chǎn)效率，綜合考慮兩方面因素，粘土砂舊砂濕法再生擦洗機(jī)的適宜轉(zhuǎn)速確定為1200r/min。

3.2 粘土舊砂濕法再生擦洗時間的確定

分別取含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g，加入洗砂杯中，倒入100 g清水在SXW渦輪式洗砂機(jī)上以轉(zhuǎn)速 1200r/min 分別擦洗 3min、4min、5min、6min、7min，靜置 10min，用虹吸管將洗砂杯中的污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中水澄清為止，然后將洗砂杯內(nèi)的砂子濾出并烘干至恒重，測定再生砂的含泥量，同時記錄各組的擦洗次數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同擦洗時間及沖洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表5可以看出，在1200r/min轉(zhuǎn)速下分別對粘土砂舊砂擦洗3min和4min，經(jīng)擦洗5次后所獲得的再生砂泥分含量均高于擦洗時間在5min及以上擦洗4次所獲得再生砂的泥分含量。在1200r/min轉(zhuǎn)速下分別對粘土砂舊砂擦洗5min、6min、7min，經(jīng)4次擦洗后所獲得再生砂的泥分含量基本相等，且擦洗時間短在生產(chǎn)中可以提高再生設(shè)備的生產(chǎn)效率，因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生擦洗的適宜時間確定為5min。

3.3 粘土舊砂濕法再生水砂比的確定

稱取4組含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂100g的試樣，分別加入洗砂杯中，然后按照水和砂子的質(zhì)量比為 0．5:1、1:1、1．5:1、2:1，的比例分別向洗砂杯中加入 50g、100g、150g、200g清水，在 SXW 渦流式洗砂機(jī)上以轉(zhuǎn)速1200r/min進(jìn)行擦洗，每次擦洗時間為5min，然后靜置10min，用虹吸管將洗砂杯中的污水排出，重復(fù)上述操作，直至洗砂杯中的水澄清為止，然后將洗砂杯中的砂子用濾紙濾出并烘干至恒重，分別測定再生砂的含泥量，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同水砂比及擦洗次數(shù)濕法再生砂的含泥量

由表6可以看出，當(dāng)水砂比為0.5∶1對粘土舊砂進(jìn)行第一及第二級擦洗時，由于砂子的泥分含量高，水量太小無法實(shí)現(xiàn)對砂子的擦洗，故對于粘土舊砂的第一級及第二級擦洗這種水砂比不能使用。當(dāng)水砂比為 1∶1、1.5∶1、2∶1 時分別對粘土砂舊砂進(jìn)行4次擦洗后所獲得再生砂的含泥量很接近，且均低于新砂的泥分含量。在水砂比分別為1∶1、1.5∶1、2∶1 時，水砂比為 1∶1 時在擦洗過程中用水量最少，因此，粘土舊砂濕法再生水洗時適宜的水砂比為1∶1。另外，在對粘土砂舊砂濕法再生過程中發(fā)現(xiàn)，對舊砂進(jìn)行三級擦洗后砂子中的泥分含量較低，這時采用0.5∶1的水砂比即可對砂子進(jìn)行擦洗。因此，最終確定粘土舊砂濕法再生水洗過程中適宜的水砂比為前三次1∶1，第四次0.5∶1。

3.4 粘土砂舊砂濕法再生改性加酸量的確定

對粘土舊砂的濕法再生砂進(jìn)行加酸改性的目的就是要降低濕法再生砂的耗酸值，其控制目標(biāo)為將濕法再生砂的耗酸值控制在5mL以下。稱取烘干至恒重的粘土濕法再生砂試樣三個，每個試樣100 g，分別放入燒杯內(nèi)，依次向1至3號試樣中用移液管向燒杯內(nèi)加入0.1mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液2mL、3mL和4mL，分別測定三組再生砂的耗酸值，結(jié)果記錄于表7中。

表7 不同鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液加入量下再生砂的耗酸值

由表7可以看出，當(dāng)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液加入量為4mL時，粘土舊砂的濕法再生的耗酸值為4.4mL，低于鑄造行業(yè)對混制化學(xué)粘結(jié)劑型(芯)砂耗酸值小于5mL的要求，因此，將含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂濕法再生過程中的改性加酸量控制在每100g濕法再生砂加入0.1g/mol鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液4mL。

4 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的確定

4.1 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)溫度的確定

取經(jīng)“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂若干組，加入SX2—5—12箱式電阻爐中分別在 550℃、580℃、600℃、650℃、700℃溫度下焙燒15min，然后在干燥器中冷卻至室溫，并分別測試其灼燒減量及發(fā)氣量。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同焙燒溫度下粘土舊砂濕法再生砂的灼燒減量及發(fā)氣量

由表8可以看出，在對“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂在550～700℃的溫度下進(jìn)行焙燒時，在550～600℃的溫度范圍內(nèi)，隨焙燒溫度的升高再生砂的灼燒減量和發(fā)氣量逐步下降，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到600℃時舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量均達(dá)到了最小值，繼續(xù)升高焙燒溫度，舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量不再降低，說明在600℃焙燒15min的條件下，包裹在舊砂表面的樹脂膜和舊砂中的殘留揮發(fā)分已經(jīng)完全被去除。因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)適宜的溫度為600℃。

4.2 粘土舊砂濕法再生焙燒環(huán)節(jié)時間的確定

取經(jīng)“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂若干組，在SX2-5-12箱式電阻爐 中 以 600℃ 分 別 焙 燒 10min、13min、15min、17min、20min，然后將焙燒后的砂子放入干燥器中冷卻至室溫，分別測試其灼燒減量及發(fā)氣量。結(jié)果如表9所示。

表9 不同焙燒時間下粘土舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量

由表9可以看出，在對“水洗+改性”后烘干的含覆膜砂芯砂粘土舊砂的水洗砂在600℃下分別焙燒10min～20min時，在焙燒時間在10min～15min的范圍內(nèi)，隨焙燒時間的延長舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量逐步下降，當(dāng)焙燒時間達(dá)到15min時舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量均達(dá)到了最小值，繼續(xù)延長焙燒時間，舊砂的灼燒減量和發(fā)氣量不再降低，說明在600℃下焙燒15min，包裹在舊砂表面的樹脂膜和舊砂中的揮發(fā)分已經(jīng)完全被去除。因此，含覆膜砂芯砂粘土舊砂濕法再生焙燒過程適宜的焙燒時間為在600℃下焙燒15min。

5 結(jié)論

（1）粘土舊砂濕法再生適宜的工藝路線為水洗+改性+焙燒。

（2）粘土舊砂濕法再生適宜的工藝參數(shù)為在1200r/min的轉(zhuǎn)速擦洗四次，每次擦洗時間為5min，前三次的水砂比為1∶1，最后一次的水砂比為 0.5∶1。

（3）對水洗后的砂子用鹽酸進(jìn)行改性，其加入量為每100g砂子加入0.1mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液4mL。

（4）焙燒環(huán)節(jié)的適宜溫度為600℃，焙燒15min。

（5）用適宜的工藝路線和工藝參數(shù)對含覆膜砂芯砂粘土砂舊砂進(jìn)行濕法再生，并用再生砂制備覆膜砂，其熱態(tài)抗拉強(qiáng)度為1.246MPa，常溫抗拉強(qiáng)度為1.694MPa，均達(dá)到或超過了由新砂混制覆膜砂的熱態(tài)和常溫抗拉強(qiáng)度。