水玻璃旧砂的再生技术进展

水玻璃旧砂的再生技术进展

水玻璃砂是制造和应用最广泛的三大砂之一。它与另外两大型砂——粘土砂、树脂砂相比,具有明显的优势,也有其显明的缺点。与粘土砂比较,水玻璃砂具有:型砂流动性好、易紧实、劳动强度低,操作简便、能耗低、劳动条件好,型(芯)尺寸精度高、铸件质量好、铸件缺陷少等优点。与树脂砂比较,水玻璃砂又具有:成本低、生产现场无毒无味、劳动条件好等优势。水玻璃砂的主要缺点是:旧砂溃散性差、落砂清理困难,旧砂再生回用性差、旧砂废弃容易造成环境污染,型(芯)砂的吸湿性较强、贮放稳定性较差等。水玻璃砂铸造工艺成本低、操作简单为许多工厂企业所喜爱,其环境友好更被许多专家学者认为是21世纪铸造工业绿色清洁生产的希望,但关键之一是要解决水玻璃旧砂再生的难题。1干法再生砂块的残留物对其重复使用的影响大量实践和研究结果表明,水玻璃旧砂具有如下的性能特点[2~4]:(1)水玻璃旧砂粒上的残留粘结膜在高温浇注后不能燃烧分解,而是形成一种低熔点的硅酸钠胶牢固地粘附在砂粒表面,使采用干法再生(对旧砂粒进行机械碰撞、摩擦处理)时该类旧砂的脱膜率较低。(2)旧砂块破碎后,旧砂粒表面上的残留硅酸钠胶、盐等具有很强的吸湿性,使得该类旧砂很易回潮、其干法再生的效果较差,干法再生前对旧砂进行加热预处理可提高干法再生的除膜效果。(3)水玻璃旧砂粒表面上的残留物(残留水玻璃粘结剂、盐、酯等)溶于水,故湿法再生水玻璃旧砂的效果好。(4)再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、残留酯、盐等对再生砂的性能(强度、可使用时间等)具有巨大影响,去除上述残留物是旧砂再生的主要任务。与新砂的性能相比较,水玻璃再生砂(尤其是普通干法再生砂)的可使用时间缩短、再粘结强度降低,其原因还未彻底查明。由于水玻璃再生砂(或旧砂)的残留粘结剂中,除了含有残留水玻璃外,还有残留酯、盐等多种物质,这些物质与新加入的水玻璃或硬化剂作用,可能涉及到复杂的表面化学与催化化学现象,还有待于进一步深入研究。水玻璃旧砂的再生方法有干法再生和湿法再生。2水玻璃厂旧砂的湿再生技术2.1湿法再生机组上世纪六、七十年代,曾在我国的许多工厂被广泛采用(目前仍有一些工厂在使用)的水玻璃旧砂湿法再生系统是将水力清砂或水瀑清砂工艺与旧砂的湿法再生结合起来,组成水玻璃砂工艺的“水力清砂-湿法再生系统”和“水瀑清砂-湿法再生系统”。上述湿法再生系统的湿法再生主机为旋流式湿法再生机(或称水力旋流器),如图1所示。其工作原理为:砂水混合物(含砂量为10%~15%),以一定的压力和速度从进浆管切向流入旋流式湿法再生机筒体内,沿圆筒及圆锥体内壁形成高速旋流。砂粒在离心力作用下克服砂浆中水的粘性形成的阻力而趋于器壁,与此同时砂粒与器壁、砂粒与砂粒之间产生强烈的摩擦作用,使砂粒表面的泥尘被洗刷、残留粘结剂膜被剥落。泥尘和微粒随旋转上升的水流从处于中心部位的溢流管中逸走;砂粒则沿器壁螺旋下沉,呈浓缩砂浆(含砂量为70%~80%)状态从排砂口排出。上述湿法再生系统的特点是:生产量大、与水力清砂和水瀑清砂结合使用,湿法再生的效率不高。但总体来讲,设备系统庞大、能耗大、耗水量大,再生设备的磨损较严重、脱膜率不太高(Na2O的去除率为50%~60%),自然沉淀污水使水循环的效果不够理想。2.2湿法再生的特点上世纪九十年代末,由我国自行研制开发的新型水玻璃旧砂湿法再生工艺及设备系统的流程如图2所示,主要由旧砂破碎设备、湿法再生设备、砂水分离及脱水设备、污水处理设备、湿砂烘干设备等组成。该系统具有如下优点:(1)采用强擦洗湿法再生设备结构,Na2O的去除率高:两级强擦洗湿法再生Na2O的去除率为85%~95%;单级湿法再生,Na2O的去除率为70%~80%。(2)湿法再生砂的质量好,可代替新砂作面砂或单一砂使用。(3)湿法再生的耗水量小,每吨再生砂耗水2~3t;污水经处理后可循环使用或达标排放。单级湿法再生设备布置如图3所示。它由湿法再生机、砂水分离机、湿砂脱水机三台设备组成(也可由湿法再生机、砂水分离机两台设备组成,采用其它脱水设备去除湿砂中的水分)。该再生系统的工作过程为:经破碎磁选后的水玻璃旧砂与清水按一定的比例(砂水质量比为1:1~1:1.5)混合,并以一定的流量连续进入湿法再生机体内再生;经一定时间的再生后(再生时间的长短取决于砂水混合物的流量和再生机的容积),砂水混合物从湿法再生机内卸出,进入砂水分离机中进行砂水分离;来自砂水分离机的湿砂再经湿砂脱水设备初步脱水后,进入下一级湿法再生或被直接送入湿砂池存放等待烘干使用。3旧水玻璃砂的干燥再生系统3.1热反应对水玻璃旧砂再生效果的影响(1)水玻璃粘结剂(膜)经不同温度加热后的变化笔者曾将酯硬化水玻璃倒入小坩埚内进行不同温度的加热试验。试验方法为:将一定量的水玻璃与有机酯一起按10:1的质量比例混合均匀,然后倒入多个小坩埚内硬化;硬化48h后倒去小坩埚中的残留液(水及酯等),再将小坩埚放入干燥瓶中;数天后,将装有完全硬化并干燥的水玻璃粘结剂的小坩埚,分别在120℃、220℃、320℃、420℃、520℃、620℃下加热保温,观察小坩埚中水玻璃粘结剂的变化。结果发现,经不同温度加热保温20min后的水玻璃粘结剂的结构变化很大,如图4所示。经120℃加热后的粘结剂膜与未加热的粘结剂膜相比变化不大,粘结剂膜仍具有弹塑性;经220℃、320℃加热后的粘结剂膜,体积明显膨胀,变成了“多孔海绵状”结构的白色物质,且加热温度越高、孔隙率越大(这可能是粘结剂中的结晶水或有机物受热挥发所致);当加热温度高于420℃后(420℃、520℃、620℃),粘结剂膜变成了玻璃状物质(颜色由420℃的褐黑色变为620℃的灰白色,玻璃状结构可能是由于硬化的水玻璃受高温后熔化的结果)。因此,不同受热温度的水玻璃旧砂,具有不同的再生难易程度。采用干法再生时,受热220℃以下或420℃以上的水玻璃旧砂都具有较大的再生脱膜难度。(2)旧砂受热温度对干法再生去膜率的影响不同受热温度下,干法再生对水玻璃旧砂中残留Na2O的除去效果见图5所示。从图5中可以看出,水玻璃旧砂在受热220~320℃时,干法再生的脱膜效果较好(水玻璃旧砂的残留Na2O含量与经干法再生后其残留Na2O含量之差较大),而受热温度较低(小于120℃)或较高(大于420℃)时,其干法再生的脱膜效果较差。由于旧砂的受热温度与铸型(芯)的砂铁比、铸件的浇注温度、铸件浇注后的保温时间等因素有密切关系,减少砂铁比、提高浇注温度、延长铸件浇注后的保温时间,都可提高旧砂的受热温度。3.2干法再生水玻璃旧砂加热使用试验从原理上讲,各种干法再生设备系统都可用于水玻璃旧砂的再生,只是再生脱膜率的高低问题。由于水玻璃旧砂粒上的残留粘结剂与砂粒的结合力较为牢固,通常需要有较大再生强度(即碰撞力和摩擦力)的再生机(逆流式再生机、多级机械离心式再生等),才能迫使残留粘结剂从原砂粒上剥离下来。考虑到水玻璃旧砂表面残留粘结剂的吸湿性和受低温作用的旧砂表面残留粘结剂的可塑性,在干法再生设备系统中,再生前安排了对旧砂进行加热烘干是必要的。但我们的研究结果表明,干法再生前对水玻璃旧砂进行不同温度的加热,对水玻璃再生砂的性能具有很大影响。表1所示为不同的预热温度对干法再生砂性能的影响,从中可以看出,干法再生砂的性能与其旧砂的加热温度有很大的关系。粘结强度随加热温度增加而增加;受热温度为320℃时,干法再生砂的可使用时间和再粘结强度大大增长,接近新砂;而低温加热(120℃、220℃)对再生砂的可使用时间的延长帮助不大。(2)干法再生水玻璃旧砂的最佳加热温度区国外有些设备制造商提出采用高温(600~800℃)热法再生水玻璃旧砂,主要是将树脂旧砂热法再生设备引用到水玻璃旧砂的再生中,但由于大部分残留水玻璃粘结剂的不可燃性,因此远远达不到树脂旧砂热法再生(能完全去除残留树脂粘结剂膜)的效果。高温(600~800℃)热法再生水玻璃旧砂,可以除去残留水玻璃粘结剂的有机物成分、结晶水等物质,使再生砂上的残留水玻璃粘结剂钝化(即大大降低残留水玻璃粘结剂对再粘结可使用时间的影响),但高温热法再生的残留水玻璃粘结剂的去除率并不高。因为,当加热温度高于400℃时,残留粘结剂变成玻璃状物质,牢固地与原砂粒结合在一起,有的与原砂粒熔为一体,故较难从原砂粒表面剥离。此时,再生砂的再粘结强度和可使用时间虽然可能接近新砂,但高温热法再生水玻璃旧砂的能耗高、热砂的冷却麻烦,再生砂重复使用后耐火度下降。因此,实际生产中很少采用。我们认为,干法再生水玻璃旧砂的最佳加热温度区间应为:320~400℃。此时,残留粘结剂膜的去除率高、残留酯等有机物对再生砂的有害作用也基本被消除(再生砂的可使用时间、再粘强度接近新砂),且与高温热法再生比较,能耗低、热砂冷却方便。(3)干法再生砂作单一砂使用时,型砂溃散性下降现象由于水玻璃旧砂中残留粘结剂膜与原砂粒的结合力较高,通常干法再生水玻璃旧砂的去膜率都较低,普通干法再生为5%~15%,加热后干法再生20%~35%。因此,再生砂循环使用后的残留粘结剂的积累增加是必然的。实践和研究表明,干法再生砂多次循环使用后,型砂的溃散性和耐火度都较大下降。我们将破碎的旧砂经320℃烘干后,再进行干法再生,用这种干法再生砂进行重复浇注试验(每次循环时加入20%的新砂),发现随着循环次数的增加,再生砂的溃散性恶化(即再生砂的残留强度大大提高)[5~6]。测试结果如图6所示。多次循环使用后的干法再生水玻璃砂,作单一砂或面砂时,其型砂的表面强度(或稳定性)有所下降,型砂的耐火性降低(体现在铸件表面的麻点缺陷增多),型腔表面的吸湿性增加、铸型的硬透性降低,与新砂相比铸件落砂清理更困难。4玻璃旧砂再生方案及比较4.1干法再生水玻璃砂使用的工艺措施(1)由于干法再生水玻璃旧砂的脱膜率低(10%~30%)、干法再生砂的再粘结强度低和可使用时间短,所以干法再生水玻璃砂通常只能做背砂使用。即使水玻璃旧砂通过高温加热(>320℃)后干法再生,可使其再生砂的粘结强度和可使用时间达到单一砂(或面砂)的使用要求,但因循环使用会使型砂的溃散性有恶化趋势、型砂的耐火度也较大地降低,干法再生水玻璃砂作单一砂(或面砂)使用也不是最好的方案。假如要采用“加热+干法再生”方案,一定要每次都加入一定量的新砂,以维持生产平衡。(2)作背砂使用的水玻璃干法再生砂,由于对其脱膜率和耐火度的要求不高,因此没有必要对旧砂粒进行过分强烈的碰撞摩擦作用以及追求高的除膜率,只要求背砂具有一定的粘结强度和可使用时间就可满足其使用要求。旧砂干法再生的机理是对旧砂粒的机械碰撞摩擦作用,以除去旧砂粒表面的残留粘结剂膜,但强烈的机械碰撞摩擦作用是以砂粒的破碎为代价的。(3)对水玻璃旧砂块进行去磁、破碎、低强度的碰撞摩擦作用、筛分、除尘等干法回用处理过程(或普通的干法再生),使水玻璃旧砂块变成砂粒、脱膜率为10%~20%,辅之水玻璃模数的调整和其它工艺措施,可使水玻璃回用砂达到作背砂的使用要求。(4)当需要再生砂作面砂或单一砂使用时,较好的方法是对水玻璃旧砂进行高效率的湿法再生,以获得高的脱膜率(大于90%),使再生砂的各项性能接近新砂。4.2水玻璃旧砂处理根据使用的要求不同,水玻璃旧砂的再生有如下三种(较佳的)供选择的方案[7~8]:(1)采用“面砂—背砂”制的工厂,可对水玻璃旧砂进行干法回用处理,脱膜率为10%~30%,面砂(新砂)加入量为20%~30%,辅之其它工艺措施;约20%的废砂被丢弃;(2)采用单一砂的工厂,必须对水玻璃旧砂进行湿法再生,使脱膜率达85%~95%,污水经处理后循环使用或无害排放;新砂加入量约5%~15%,用砂量基本平衡。(3)水玻璃旧砂处理的理想方法是“干法回用、湿法再生”。即:采用方案(1)的回用处理方法,实现“面砂—背砂”制生产;约20