旧砂再生方案的试验研究

旧砂再生方案的试验研究

近年来，中国的铸造产量一直是世界排名第一的。2011年，铸造产量达到4000万吨，其中80%以上的铸造通过砂浆精制。当前,我国每生产1t合格铸件,要排放旧砂1t以上,可见,旧砂是一项巨大的浪费,同时,旧砂中含有包括苯类物质、呋喃、NaOH、KOH等大量污染物,会随着雨水流入地表不断渗入地下,污染地下水,给人类的生产、生活造成潜在的危害。随着世界各国对环保的重视,旧砂的排放受到严格限制。旧砂再生利用是铸造业发展的必然趋势,笔者针对砂型铸造产生废砂的再生问题进行探讨。1树脂砂的再生方法铸造产生的旧砂可分为3部分:树脂砂(包括制芯用的树脂砂)、湿型粘土砂、造型后的旧砂(包括树脂砂和粘土砂)。对于单一的树脂砂,其再生利用方式较为简单,采用“热法焙烧+筛分(除尘)”即可。目前,最大量的旧砂为混合砂(粘土砂+树脂砂),其再生的方式、成本及效率是目前研究的重点,图1是混合旧砂再生的一般工艺流程。根据旧砂再生后的应用情况,可以将再生方法分为机械法再生、热法再生和热法+机械法再生3种。1.1研磨和制芯再生砂以欧洲GEMCO公司的机械法再生为例,机械法再生的设备原理如图2所示,其再生设备及其内部结构如图3、图4所示,该设备的工作原理是通过外给料轮与内非金属摩擦轮逆向旋转对旧砂进行研磨,其中摩擦轮寿命为4320h。以CLEANERS075为例,每批次处理旧砂750kg,再生时间约为25~30min(根据再生砂的情况而定),每天可以处理旧砂30t,再生砂回收率约为87%。再生砂可以作为新砂加入到型砂中用于制芯。在制芯时,新旧砂配比为:70%~80%再生砂+20%~30%新砂。单纯的机械法再生的缺点为:再生的效率比较低,对砂粒的磨损和破坏程度高,再生后产生的粉尘和细砂粒中有机成分仍然存在,无法实现无害化排放;优点是旧砂再生的设备简单,占地面积小,成本比较低。1.2表征热法再生砂旧砂再生的热法研究开展较早,在日本、美国都有应用。对于树脂砂,采用热法焙烧可实现旧砂的再生,其各项指标在某些程度上优于新砂;对于混合旧砂(芯砂+粘土砂),采用“热法+机械法”再生,目前也取得了一些进展。粘土旧砂再生前的酸耗值较高,对冷芯树脂影响很大,这部分砂再生时不仅要降低酸耗值,还要去除附着在砂粒表面的氧化物。热法焙烧的作用在于:通过焙烧,不仅将旧砂中的有机物燃烧掉,还可将砂粒表面粘附的粘土“脆化”,便于之后的机械法去除[3~4]。焙烧时要控制好温度,避免在焙烧过程中使砂粒表面“陶瓷化”。热法焙烧的关键在于焙烧炉,这也是控制热法再生砂成本的重点,再生砂的焙烧炉大体分为溢流型焙烧炉和贯流型焙烧炉。从图5所示的2种焙烧炉的工作原理以及图6所示的砂流动层温度的控制情况来看,贯流型焙烧炉要优于溢流型焙烧炉。目前的旧砂再生系统实现了旧砂集中处理、管道送料、扬尘控制;焙烧炉节能高效,实现了远程在线监控;再生过程对废气进行了控制,余热还可再利用;处理过程中产生的粉尘及细料还可用作建筑材料。美国某公司的热法再生设备布置如图7所示,由图7可见,废砂由一个速度可变的低速给料器送进热砂再生炉后进行煅烧,温度在732~899℃,最后的处理温度取决于铸造废砂的特性。焙烧后的砂经冷却-擦洗-筛分(除尘)后,成为再生砂。湿法再生是最早应用于实际生产的再生方法,适用于水溶性粘结剂旧砂的再生,通过水力冲洗及在冲洗过程中砂粒间及砂粒和设备间的搓擦和碰撞,去除砂粒表面的粘结剂膜,以达到旧砂再生的目的。对于采用水溶性粘结剂的旧砂,如水玻璃粘结剂旧砂或粘土砂旧砂,采用湿法再生效果较好,微粉及水溶性附着物去除率高,砂粒破碎损失少,可以获得质量近似于新砂的再生砂,是一种很好的旧砂完全再生方法。但其缺点是砂需要干燥,同时需附加一套污水处理装置,设备比较庞大,基建投资和运行费用高,而且污水、污泥处理比较麻烦,随着铸造工艺和技术的发展,这种再生方法已很少被采用。2再生砂与原砂配比对砂芯质量的影响笔者公司主要生产汽车发动机铸件,采用粘土砂造型线,绝大部分砂芯采用冷芯机制芯[5~6]。铸件落砂时有大量溃散砂芯流入到旧砂中,形成混合型旧砂,如果不进行砂再生,不仅造成资源浪费,而且丢弃的旧砂堆放既占场地,又污染环境,若将其运出厂区,还会产生大量的运输费用。因此,迫切需要解决混合型旧砂的再生问题。笔者公司的旧砂由芯砂(主要为冷芯)和粘土砂组成,因此,采取热法焙烧+机械研磨的方法进行再生砂处理,利用3t/h贯通式焙烧炉热法再生,采用图2所示的机械研磨机进行机械研磨,再生砂的回收率为80%,得到的再生砂与新砂的各项检测结果对比如表1所示,新砂和再生砂的表面状况如图8、图9所示。由图8、图9可见,再生砂的热膨胀系数比新砂低,且再生砂粒形更圆整,但从表1可见,再生砂的酸耗值高于新砂。笔者公司对冷芯砂的配比标准为向原砂中加入1.4%的树脂,其冷芯瞬时强度在0.8~1.0MPa,24h时强度为1.7~1.8MPa。根据生产要求,准备在原砂中混入一定量的再生砂,以达到标准要求,为此,在树脂加入量仍为1.4%的情况下,设计出4种再生砂与原砂的配比方案,检测结果如表2所示。由表2可见,虽然采用全部再生砂所制的冷芯强度没有达到公司标准,但按生产的工艺流程生产的20箱(40件)气缸体曲轴箱砂芯,在制芯、烘干、浇注、清理过程中未见异常(如图10和图11)。因此,采用热法+机械法的混合砂再生方案,可以有效解决旧砂再生后制冷芯的问题,而且由表2可见,再生砂与原砂的配比为3:1时,可以得到很好的效果。3铸造企业旧砂再生技术对于单纯的树脂砂再生,方法比较简单。对于大多数铸造企业来说,解决混合型旧砂的再生问题是当务之急,采用热法+机械法再