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1、R11 国内铸造旧砂的产生现状及其种类1.1 铸造旧砂的现状我国是一个铸造大国,随着国民经济的高速发展,到2009年我国铸件年产量已达到3530万吨,居世界铸件产量的榜首。我国又是一个造型材料的消耗大国,因为,80%以上铸件来自砂型铸造,由于我国造型时砂铁比较大,一般来说,每生产1t合格铸件可产生约1.21.4t废砂,每年排放的铸造废砂可达3000多万吨。如此大量的排放铸造废砂,必将占据很多废砂场地。随着我国各种有机、无机粘结剂的广泛应用,致使废砂中含有的有害成分越来越多,例如有机树脂粘结剂的废砂中残留的醛、酚、苯、钾、异氰、硫化物等,无机粘结剂废砂中残留的碱、酚等有害的成分。含有这类有害成分
2、的废砂,排放后经过雨水浸蚀,其有害成分将污染江河湖泊,甚至污染生活水源。尤其是水玻璃砂的强碱性和树脂砂中含有的异氰、酚类等成分,造成的公害更为严重。近年来,随着人们环保意识的不断增强,国家对环境保护执法力度的加大,排污费用的增加,都迫使铸造厂对旧砂进行再生回用。1.2 铸造旧砂的种类粘土湿型砂作为一种造型材料生产中小型铸件,是一种历史悠久的造型工艺方法,在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天,它在铸造业中仍占有非常重要的地位,至今一直是砂型铸造使用中的主要造型方法,据统计占所有铸件产量的60%以上,其适用范围之广,耗用量之大,是任何其他造型材料都不能与之比拟的。特别是近年来高压造型、射压造型、气冲造型
3、、静压造型及无震击真空加压造型等湿型砂新工艺的出现,使粘土湿型砂的应用前景更加广阔。但是,粘土砂在使用过程中,经反复高温铁液的热冲击,其粘土膜会变性而成为死粘土,失去粘结能力,在实际生产应用中,只能靠定量加入新砂,并同时淘汰旧砂来改善型砂的性能。大量排放旧砂必然会造成资源浪费和环境污染。近40年来,随着产品结构的复杂化、精确化和生产的批量化、高效化,树脂芯砂粘结剂在湿型砂中得到了广泛的采用,不仅使铸造行业的面貌大为改观,也为制造业如汽车行业的发展提供了必要的条件。但是,在浇注后落砂时总有部分树脂芯砂(如壳芯砂、冷芯盒砂等)进入湿型粘土旧砂中,使之成为含有树脂芯砂的粘土混合旧砂。虽然这种树脂芯砂
4、的数量很少,但随着型砂的反复循环使用,势必造成粘土旧砂中树脂芯砂含量的增加,导致型砂质量的下降。随着我国机械工业产品质量的升级和出口铸件需求的增加而进一步促进了铸件市场的扩大,国内越来越多的铸造厂家选择化学自硬砂工艺取代粘土砂工艺,这对于提高铸件的表面质量和尺寸精度、降低废品率低,扩大适用范围、减轻工人的劳动强度和改善工作环境,起到积极的作用。目前,应用于铸造生产的化学自硬砂有:呋喃树脂自硬砂、酯硬化碱性酚醛树脂砂和酯硬化水玻璃砂等。呋喃树脂自硬砂主要用于铸铁件,而酯硬化碱性酚醛树脂砂和酯硬化水玻璃砂主要用于铸钢件,造型制芯都是采用单一型砂,浇注和落砂后得到的也是单一旧砂。近年来,也出现水玻璃
5、砂造型和树脂砂制芯的复合工艺,浇注和落砂后使之成为含有树脂芯砂的水玻璃混合旧砂,虽然树脂芯砂的数量不多,但经过反复回用,势必会导致型砂质量的下降。由此可知,由于化学自硬砂造型制芯工艺的应用,使得我国铸造旧砂的成分日趋复杂化,可根据其粘结摘要: 本文对我国铸造旧砂的排放现状及其种类进行了描述,并从技术、经济和环保等方面,分析了铸造旧砂的再生回用对于提高铸件质量、降低生产成本、节约矿产资源、改善铸造生产的作业环境和促进铸造业的积极发展作用,还根据大量试验和生产应用的结果提出了对不同的铸造旧砂合理再生方法的选用原则和方法,对我国铸造旧砂再生的今后发展提出了几点展望。关键词: 铸造旧砂;再生技术;进展
6、;展望我国铸造旧砂再生技术的进展及其应用 熊鹰吴长松(重庆长江造型材料集团公司 电话:023-68256374 传真:023-68257631)R2剂的不同,将铸造旧砂分为如下两类:单一铸造旧砂:湿型粘土旧砂、水玻璃旧砂、碱性酚醛树脂旧砂和呋喃树脂旧砂等。混合铸造旧砂:含树脂芯砂的粘土混合旧砂和含碱性酚醛树脂砂的水玻璃旧砂。2 铸造旧砂再生的必要性和作用2.1 从技术角度看为了提高铸件的质量,目前铸造企业广泛采用了树脂砂来造型制芯,树脂砂对原砂提出了很高要求,如热膨胀、细粉含量和砂粒的表面状态等,而再生砂在一定程度上就能满足树脂砂的要求。因为,经过高温浇注,并除去其中的灰分和表面的惰性包覆膜的
7、再生砂,其工艺性能有了较大的改善。如降低了热膨胀系数,提高了砂粒表面的活化,去除了砂中的细粉含量,从而,减少了型砂中树脂加入量,降低了铸件表面上的脉纹、气孔等铸造缺陷。2.2 从经济角度看2009年,我国的铸件年产量已达3530万吨,其中80以上是砂型铸件,但我国3万多个铸造企业中90属于中小铸造厂,大多数都是采用粘土湿型砂生产,使用过的粘土湿型旧砂,主要采用落砂、除尘、磁选、筛分、补加膨润土、水分及煤粉(不再补加新砂)等简单的处理后重新回用。由于循环反复使用,旧砂中的含泥量增加,导致型砂吸水量增多,透气性下降,鱼卵石化砂粒增多,导致使铸件的气孔、粘砂、夹砂等铸造缺陷明显增加,迫使铸造厂大量添
8、加新砂,或定期大量排放旧砂。如果按1t合格铸件需要1t新砂来计算,我国每年新砂的投入量及其所需的费用额度是相当大的。尤其是近年来树脂砂芯的广泛应用,含各种树脂芯砂的粘土旧砂的性能更为恶化,芯砂的添加量在不断的增加,因此,废弃量如此巨大的混合旧砂,经过再生处理用做树脂芯砂,具有极大的经济效益。我国是一个缺乏优质高硅硅砂的国家,却是世界上生产铸钢件最多的国家,即我国年产铸钢件为460万吨,占世界各国铸钢件总产量的45,而工业较集中的东北和西南地区所用的优质高硅硅砂,基本上来自福建沿海一带,由于优质高硅硅砂的资源有限(平潭沿海和海南地区的硅砂都限制开采),运输费用又高,因此,旧砂再生回用已成为人们高
9、度关注的热点技术之一。2.3 从环保角度看我国每年废砂的总生成量达3000多万吨,而废砂的种类和毒性日趋增加和加剧,如含树脂芯砂的粘土混合旧砂中含有酚、醛、胺、苯、甲苯、二甲苯等芳香烃,还含有机树脂类有害物质(酚醛树脂,呋喃树脂,冷芯盒树脂及其固化剂等)。水玻璃自硬砂和树脂自硬砂的单一旧砂中,除了含有上述有机有害物质外,还含有无机的钾、钠等强碱物质,对土壤和水源都会产生污染。可是,我国不少中小铸造企业大多未能按照国家相关环保要求进行处置,而是随意抛弃排放,甚至混进城镇生活垃圾中或与其他工业固体废弃物随意排放,长此以往,对环境污染的累计效应会逐渐显现出来。随着环境保护意识的加强,人们对环保要求越
10、来越严格。对于大量排放有毒的铸造旧砂,填埋占据大量农田,严重污染自然环境的做法再也不能继续了。因此,采用旧砂再生回用技术,尽量减少新砂的使用量,变旧砂为有用材料,减少旧砂的排放量。3 各种铸造旧砂的再生方法的选用3.1 湿型粘土混合旧砂的再生、性能及其应用3.1.1 湿型粘土旧砂的特点在粘土湿型砂浇注过程中,由于高温铁水的热作用,粘土膜烧损成为灰分(死粘土),失去粘结能力。同时,高温下的砂粒也会破碎成为粉尘,致使旧砂循环反复使用时含泥量不断升高,甚至可高达1620。含泥量高的旧砂使用时,粉尘要吸收大量的水分,导致型砂含水量过多,透气性下降,产生气孔和夹砂等铸造缺陷。在高温的反复作用下死粘土会烧
11、结在砂粒表面,形成鱼卵石化的低熔点烧结层,导致铸件粘砂缺陷的出现。目前,粘土湿型砂流水线造型时,基本上都是采用各种树脂砂芯,如壳芯、热芯盒芯和冷芯盒芯等。在落砂时树脂芯砂总会进入粘土旧砂中。大量的试验表明,热芯盒和冷芯盒等树脂芯砂都会对粘土砂产生不良的影响,它能使型砂的强度降低,透气性下降。为了解决粘土旧砂含泥量高和性能下降等问题,最有效的办法就是对旧砂进行再生。3.1.2 粘土旧砂再生方法的选用粘土旧砂的再生方法一般有湿法、干法、热法和联合法等。湿法再生能使粘土得到充分去除,但旧砂中不溶于水的树脂和碳类等物质,仍能粘附于砂粒表面难以去除。另外,湿法再生还存在污泥和污水处理R3难、湿砂烘干耗能
12、源和占地面积大等问题,因此,很少有人采用。干法再生是粘土旧砂最经济的再生方法,常用的有气流再生法,该法得到的再生砂的质量还达不到树脂砂制芯的要求,特别是对含树脂芯砂的粘土旧砂的再生效果不理想,所以,它仅能用于湿型砂造型来稳定型砂质量和减少新砂的加入量。热法再生是将粘土旧砂在800温度下进行煅烧,冷却后再进行除尘处理的再生方法。该再生方法可获得去泥量(约80%以上)和酌减量(可低于0.2%)均较理想的再生砂,由此可知,热法再生是粘土旧砂最好的一种再生方法,它可用来替代新砂用于树脂砂制芯。重庆长江造型材料公司于2005年开发的间歇式燃烧焙烧炉的二次低温焙烧+机械的联合再生设备,采用低温焙烧原理,利
13、用热砂排热来加热流动空气和利用残留碳素燃烧产生的二次热源进行焙烧,使用焙烧反应的余热和冷却热砂的热量,通过炉内的逆流式热交换器,对旧砂进行预加热,从而,可获得低能耗的品质优异的含树脂芯砂的粘土混合旧砂的再生砂。同时,低温焙烧减轻了炉膛和炉芯的损害,焙烧炉使用寿命长。图1是该公司开发的低温二次焙烧再生炉。该设备已在重庆、成都、十堰、昆山等地分别建成年产能力为15万吨的再生砂生产系统,其再生砂可完全代替新砂用于粘土砂及制造冷芯、(呋喃树脂)热芯及(覆膜砂)壳芯。3.1.3 再生砂的性能及其应用近年来,由于我国许多铸造企业广泛应用树脂芯砂,从而得到落砂后的旧砂中掺有树脂芯砂成分的混合旧砂,这种含树脂
14、芯砂成分混合旧砂的再生比一般单一粘土旧砂的再生复杂得多。重庆长江造型材料公司采用高温煅烧+机械干法再生处理后混合旧砂的去泥率可达80%90%,酌减量可降至0.2以下。显然,粘土旧砂经高温煅烧后粘结剂膜很容易去除,可燃物能得到充分的燃烧,再经过干法机械再生和除尘处理,便可得到理想的再生砂。表1为掺有树脂芯砂成分的混合旧砂,经热法+机械干法再生处理后用于各种树脂芯砂的强度数据。从表中的数据可知,混合旧砂的再生砂用于覆膜砂时其强度略有增加,而冷芯盒和热芯盒等芯砂的强度也能满足铸造生产的要求。表为不同再生砂加入量对覆膜砂强度的影响。由表可知,新砂的加入有利于覆膜砂强度的提高。1.炉体 2.燃烧机 3.
15、进砂通道 4.集砂斗 5.燃烧区 6.焙烧区 7.空气预热区 8.排气通道 9.分砂器 10.进气通道 11.汇气室 12.预热管 13.出砂管 14.温度感应器 15.门图1 低温二次焙烧再生炉表 混合旧砂再生处理制造各种树脂芯砂的强度表 不同再生砂加入量对覆膜砂强度的影响目前,“二汽”铸造一厂的混合旧砂的再生砂用于热芯、冷芯、覆膜砂等树脂芯砂时,其强度均高于同类新砂性能指标,并对混合旧砂的再生砂在热芯、冷芯、覆膜砂等砂芯上进行了工业试验,其性能完全能满足现场铸造生产的需要。图为用混合旧砂的再生砂制造的汽车铸件的热芯盒砂芯。图 用再生砂制造的汽车铸件的热芯盒砂芯R43.2 水玻璃旧砂的再生、
16、性能及其应用3.2.1 水玻璃旧砂的特点水玻璃砂具有强度高、成本低、来源广、生产工艺简单、生产环境良好等许多优点,在世界各国己得到广泛推广,我国从20世纪50年代就开始应用于铸造生产。由于型芯砂的溃散性差,再生和回用比较困难,导致了水玻璃砂的应用受到了限制,它在铸造型砂中所占的份额次于湿型砂和树脂砂,主要应用于铸钢件。水玻璃旧砂基本上不加处理而全部排放,造成矿产资源的浪费和自然环境的污染。随着人们对环境保护认识的日益深刻,湿型粘土砂的黑色污染和树脂砂的化学污染问题显得日益严峻,如果水玻璃旧砂的再生和回用问题能得到较好的解决,旧砂不再排放,那么,这种工艺将率先步入绿色型砂的行列。大量的实验和研究结果表明,水玻璃旧砂粒上残留的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,具有很强的吸湿性。再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、酯和盐等对再生砂的强度、可使用时间等都会产生很大的影响。水玻璃的模数越低,旧砂中Na2O的残留量越高,回用性就越差,再生型砂的可使用时间太短和过高的碱金属含量恶化了硅砂
