離線再生工藝在鑄造廢舊砂工藝處理中的應用

吳 劍，陳 峰 ,劉 穎

（1.江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400；2.蘇美達股份有限公司，江蘇南京 210018；3.中國民用航空華東空管局山東分局，山東濟南 250107）

1 主題意義

在鑄造生產過程中，規模型的生產線通常需要大量的新砂、舊砂和輔助材料作為造型、制芯的工藝用料，而舊砂的用量則占有最大比例。在成型澆注后經落砂產生大量的廢舊砂，在回用過程中需投入大量的人力、物力和財力，又形成大規模的再生砂處理環節。

廢棄處理會造成資源浪費和環境污染，而且近年來已經形成比較嚴重的、有環保問題的、影響企業發展的一個瓶頸。所以，舊砂再生、合理回用已成為企業發展、轉型升級和環保的一個重點，刻不容緩。

舊砂再生回用，從企業綜合效益來講是鑄造生產全過程的重點環節。按現有條件可采用在線再生，亦可采用離線再生，具體取決于企業的工況條件。舊砂再生的目的是使原砂資源再利用，減少廢棄物排放，減少環境污染，并改善作業環境，是一項符合可持續發展的技術措施。

由于鑄造工藝、鑄造材料的不同而存在的再生特性的差異，對研究廢舊砂的再生處理、技術裝備、工藝流程、終端排廢和相關再生技術的處理效果與品質顯得至關重要[1]。

2 流程結構

離線再生工藝是一個有代表性的獨立工藝技術，不影響鑄造生產。其工藝流程通過采用干法+熱法+干法的綜合處理方法，使大量廢、舊砂轉化成高品質的再生回用砂，作為商品去替代原、新砂使用及不同類型的鑄造生產用砂場合。

離線再生工藝適宜獨立的、配套型的中小型企業生產，是一種積極有效的、合理的資源再利用，是降低成本的有效措施。同時，也為鑄造企業的廢舊砂處理，解決了后顧之憂。

2.1 離線再生處理的主要對象

其一，必須對廢舊砂中形狀不一、大小不一、品質不一的砂團塊和燒結物（僵豆）進行有效的破碎、篩分。

其二，必須對廢舊砂中混合的鐵雜物、不同粘結劑的混合物（芯子）進行有效的篩分、磁選和必要的焙燒處理。

其三，合理選擇核心工藝裝備。利用其工藝特征，發揮離線再生工藝裝備的應用優勢，實施環保措施（主要涉及到粉塵、煙氣和有害氣體的擴散與排放）[2]。

2.2 廢舊砂離線再生處理

采用一套干法+熱法+干法處理的獨立綜合再生技術方案，適用于常規舊砂再生的工藝特點，并考慮廢舊砂來源的復雜性。通過干法+熱法+干法的綜合處理使再生砂達到高品質的質量要求，從而使大量廢舊砂通過再生工藝獲得新生[3]。同時，沒有大量的廢棄物排放，對環保要求影響不大。

3 工藝設計

3.1 再生類型選擇

通常砂再生的選擇類型有：干法、濕法、熱法和聯合處理法。一般認為在工藝條件允許的情況下（考慮工廠具備的現有條件），首先選擇干法再生比較經濟合理。有機脂鑄造類型的廢舊砂，可選擇干法+焙燒聯合再生比較適宜。比較復雜的、品質不明的鑄造廢舊砂，宜選擇干法+熱法+濕法聯合處理，可實現良好的砂再生效果。

粘土砂的廢舊砂再生回用，可選擇干法再生，并加大強力搓磨和去灰除塵的處理力度，是比較經濟合理的。主要是針對粘土砂中的燒結物（僵豆）、粉塵，使其在通過強力搓磨破碎后可獲得再生。

其他鐵雜物的處理可通過篩分和多道磁選來分離凈化。砂溫冷卻一般通過空氣對流的熱交換方式降溫（如鼓風與振動沸騰冷卻）比較合理。

還有除塵系統的灰粉處理可采用濕法螺旋攪拌機的擠壓成型方法處理，避免終端的二次污染[2]。

空間外差光譜技術(Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS)是20世紀90年代由DOHI和SUSUKI提出的一種新型空間調制型高光譜分析技術，綜合了光柵和邁克爾遜干涉儀的特點，在窄頻譜范圍能獲取極高的光譜分辨率和信噪比[1-3].與傳統干涉儀相比，空間外差光譜儀憑借超高分辨率、高通量、瞬態探測等優勢，受到國內外廣泛關注，同時光譜儀體型小、功耗低，符合小型化衛星載荷的需求.目前，該技術在大氣微物質成分探測、大氣污染探測、氣象觀測、衛星遙感探測等方面都具有十分重要的應用[4-6].

3.2 工藝設計特點

首先必須強調，由于廢舊砂的復雜性，離線再生處理的工藝過程是一個有針對性的特性處理過程。

（1）工藝流程，必須對廢舊砂進行有效分解破碎（控制顆粒度）、二級磁選（清理鐵雜物）、焙燒（脫膜）、冷卻篩分（選擇顆粒度）、搓磨破碎、去膜去灰、砂凈化。最終實現對復雜廢舊砂團塊的破碎、分解、松散和冷卻。

有機脂類舊砂，對失效的、脆性的、潰散狀的惰性膜達到脫膜、去膜、去灰和圓整的目的[4]。

（2）干法+熱法+干法的綜合再生處理方式，主要利用砂處理設備與核心砂再生設備來實現的一種高溫電阻爐加熱方法。其中包括：破碎篩分設備、輸送設備、焙燒爐、振動沸騰冷卻、強力搓磨再生、二級磁選風選等，最后入庫定量包裝。

整個工藝過程配套組合布袋除塵器系統，構成一個獨立的離線再生工藝單元，若通過自動化控制系統可實現機械化離線生產（見圖1）。

圖1 5～8t/h 廢舊砂離線再生工藝單元一種電阻爐加熱法+干法再生的獨立工藝流程

（3）核心砂再生設備，包括：滾筒破碎篩分機（松散分解）、反擊式破碎機（小塊破碎）、焙燒爐（有機脂分解）、振動沸騰冷卻機、強力搓磨再生機、懸掛式強力磁選機等。

（4）在舊砂通過冷卻后，再生砂進一步的顆粒凈化非常重要。由于再生砂的品質指標之一是砂顆粒凈化要求。在技術條件、制造成本有限的前提下，必須考慮合理的工藝設計方案。

（5）熱法再生一般常用焙燒爐高溫燃燒的手段來實施。焙燒爐燃燒的原料有天然氣、煤氣、輕油等介質，也有燃燒煤、焦的形式，但污染比較嚴重，目前已屬于淘汰的工藝類型。

而天然氣燃燒是目前鑄造行業廣泛應用的工藝手段。但存在的問題是天然氣應用成本高，一般中小型鑄造企業在舊砂再生處理的產量上受到限制（再生量不夠、小規模的狀態），利益成本高（產生1t 合格再生舊砂的價值遠低于所消耗天然氣的市場價值）。一次性砂再生處理設備的投資成本也高。所以，很多業主在技術改造時往往是望而卻步[5]。

4 再生砂的品質特性

4.1 廢舊砂復雜性的分析

（1）常規造型用砂：由0.05～1.0mm 的石英顆粒（通常稱硅砂）所組成，一般小于0.05mm 的石英顆粒稱作為石英粉。

（2）常用耐火材料有耐火粘土（陶土）、鉻砂、鎂砂、鉻鎂砂及其他材料，用于配制大型和重型鑄件以及合金鋼鑄件的型砂，材料燒損為10%左右。

（3）造型材料中，一般再生回用砂用量約占新砂量的30%～50%（每噸鑄件廢舊砂消耗1t）。而廢舊砂中可能存在的復雜物質有鐵雜物、燒結膨潤土（僵豆）、過燒有機脂（脆性膜）、鉻鐵渣、表面活性劑殘留、煤粉、鱗片石墨混合物和操作過程的有機雜物等[6]。

4.2 控制再生砂的質量指標

按鑄造用砂的技術要求，廢舊砂經生產線綜合再生處理后的質量控制，通常選擇幾個主要技術指標：灼燒減量（有機脂砂舊砂再生）、顆粒度分布、酸殘留量（pH 值）、粒度勻整（表面形態）、粉塵含量及砂溫控制等[6]。

（1）經綜合再生處理后的舊砂團塊、顆粒物應徹底解體、砂粒品質均勻圓整，而且凈化舊砂的灰粉和惰性物，使舊砂品質接近原砂性能，在綜合質量指標上符合相關技術要求。但是，舊砂再生不是無限的，隨著再生次數增加，型砂抗拉強度會降低，所以應合理選擇應用場合。

（2）再生焙燒爐溫度控制：廢舊砂焙燒溫度控制在300～400℃為宜，可有效控制有機脂舊砂的脫膜率，溫度不宜過高，會影響成本[7]。

（3）有機脂舊砂的灼燒減量控制在2.0%以下，并保持相對穩定，不然直接影響型砂性能（舊砂焙燒溫度400℃時，灼燒減量值可降至3.0%以下）[8]。

（4）注意實施中應嚴格區分樹脂砂、水玻璃砂、粘土砂等舊砂混合物來源的性質（因其含水量、酸堿度、粉塵及鐵雜物含量等性質不定），并適時檢驗檢測，適時調整生產工藝措施。

5 離線再生技術優勢

目前，國內現有鑄造企業的技術水平和生產能力，還遠遠不能達到鑄造業發展水平的要求，只能滿足一般鑄造工藝水平的狀態。大規模的鑄造生產線、自動化生產線在國內還是少數。在鑄造業群體性的都普遍存在著不同程度的高能耗、環境污染、煙氣排放、廢舊砂隨意排放等問題。

在主題意義中，客觀描述了鑄造車間技術改造和轉型，必須先解決現狀的瓶頸問題，整治工況環境、清理廢舊砂、集中再生處理，以解決企業處理廢舊砂的后顧之憂[5]。

5.1 離線再生處理工藝

離線再生處理工藝是一個集中處理廢舊砂的環保型措施。其利用各企業的廢舊砂進行集中再生處理，既解決了企業對廢舊砂的排放問題，又為企業提供了再生砂在生產中的回用（返銷），降低了企業生產成本。

5.2 離線再生工藝方案

總體布局上首先考慮外部環境與綜合再生處理生產線的平面布置（場地要求不大），以及粉塵排放與除塵器系統、廢舊砂物流輸送、車間生產流程和終端廢棄物處理。

（1）標準工業廠房要求，整體鋼結構廠房、符合通風、采光要求，完成配電設施等。廠房基本滿足通路、通水、通電條件，并調整水循環系統和燃燒系統（煤氣或天然氣）進出管路連接的布局（燃氣工藝時）。

（2）再生處理生產線的技術裝備和除塵設備進行合理選型采購，并注意各成套核心設備、除塵器和非標設備的技術性能、安裝調試及相關物流運送的事項，便于日后的檢修、維護、保養。

（3）有關電氣控制方面應考慮專業設計、專業制造，提供并配置可靠的電氣元器件、數字模擬和網絡監控、檢測技術等[3]。

6 結束語

隨著市場經濟的不斷發展，對鑄造產業和鑄造產品的要求越來越高，各種鑄造工藝技術亦得到不斷提升和普及。然而，由于環境污染和原砂資源問題的突顯，直接影響鑄造產業生態發展的前景。

所以，必須重視砂再生的重要性、必要性和資源再利用的創新發展理念。注重在鑄造工藝裝備研發、單元設計的應用中，圍繞砂再生、砂處理的核心設備進行重點研究與應用。