铸造旧砂资源化再生技术与创新

朱以松，吴殿杰

（1.无锡锡南铸造机械有限公司，江苏无锡 214142；2.机械工业第九设计研究院有限公司，吉林长春 130011）

1 铸造旧砂再生循环利用项目背景及依据

铸造工业是资源和能源消耗大的行业。业内人士已经深深意识到中国已是个世界铸造“超级大国”。铸造过程中的资源利用问题已经引起业内人士的严重关注和不安。2011年中国铸件产量已达到4150 万t，占全世界铸件产量的40%以上，众所周知，在我国每产1 t 铸件，造型和清理排废砂约1.3 t～1.5 t. 若不重视铸造旧砂循环再生利用，那么，生产的铸件越多，则对本国和本地区的资源和环境破坏也越大[1]。到2015年预测全国铸件产量达5000 万t，表1 为预测2015年国内铸件产量时废弃旧砂循环再生资源量化表。表中数据以2007年全国铸件产量为依据[2]，新砂以300 元/t 采购价计算估算资源节省费用值。

2 铸造旧砂再生循环利用现状

2.1 国内铸造旧砂再生处理工艺

从表1 可以看出，仅以每吨铸件产约1.3 t 废砂计算，在2015年全国铸件产能达到5000 万t 时，旧砂废弃物就达到6500 万t 需要掩埋处理，同时新砂资源也约需6500 万t 左右。因此，致力节能减排，促进资源循环利用，是每一个铸造工作者应尽的职责。我国早在上世纪90年代就有无锡锡南铸造机械、重庆长江造型材料、长春一汽铸造和北京仁创等单位着手研发铸造旧砂再生循环工艺设备并已在铁路揺枕车架酯硬化水玻璃旧砂和汽车发动机覆膜砂冷芯盒旧砂热法再生方面取得一定经验。表2 是目前国内几种旧砂再生（处理）循环利用的工艺性能对比表。事实上，舍弃的废砂中80%以上是可以再生利用而未得到利用的，因此，铸造旧砂再生利用已成为当前铸造企业一项非常紧迫的工作。针对目前国内铸造旧砂再生处理现状，业内人士已达成共识。即采用合理的循环再生方式，对浇注落砂后的自硬砂废砂（含碱酚醛树脂砂、酯硬化水玻璃砂、覆膜砂和冷芯盒废砂芯或黏土湿型砂废砂）尤其是汽车发动机铸造黏土湿型砂进行再生处理，然后作为制芯及自硬砂或黏土砂几种用途的原砂使用。是目前合理利用资源节能降耗、降低铸造废品率、低碳排放和提高综合社会效益的最佳途径。

表1 预测2015年国内铸件产量及废弃旧砂循环再生资源量化表

2.2 国内铸造旧砂再生工艺技术

2.2.1 国内铸造旧砂再生现状

表2 国内几种旧砂再生（处理）循环利用的工艺性能对比表

在表2 中阐述了国内目前采用的各种铸造旧砂的再生手段，仍以第1 项呋喃树脂旧砂干法机械再生和第6 项传统湿型旧砂处理为常规且很成熟的工艺；水玻璃旧砂再生也较普遍，尤其是干法再生，也像树脂自硬砂再生一样，在生产线系统内完成，只是再生效果较差，而湿法再生只在一些规模大的铸造厂使用[1]。树脂砂芯（包括覆膜砂壳型）的热法（焚烧法）再生尽管投资较大，成本较高，但还是在长三角地区一些用砂量较大，环保意识较强的合资或外企独资厂得到应用。这些厂几乎全部使用再生砂代替新砂来生产冷芯盒砂芯或用于混制覆膜砂。再生砂由当地一些民企提供，这些民企负责铸造厂的废旧砂处理，将这些废旧砂集中起来，热法再生后再卖给铸造厂。对铸造厂而言，再生砂价格与新砂差不多或略高于新砂，但由于省去了一笔废砂排放费，使用再生砂又能节约树脂，减少铸件气孔类缺陷，受到了铸造厂的青睐[3]。

2.2.2 黏土湿型旧砂（黏土旧砂和树脂旧砂混合）再生用于芯砂

黏土湿型砂旧砂表面包覆着一层死黏土惰性膜，旧砂再生目的是尽可能将这层死黏土去掉。另外也是最主要的是，在一些汽车发动机铸造厂等多砂芯铸造厂，落砂时有大量溃散砂芯（这些砂芯几乎都是树脂砂芯）流入到旧砂中，使旧砂量远远超过砂系统的容纳量[2]，迫使必须抛弃大量的旧砂以保持砂处理系统平衡。所以在所抛弃的旧砂中，不仅有芯头、清理和清扫出来的废砂、以及除尘细粉，还有许多落砂时不易破碎的型砂块，形成混合型旧砂[1，2]。不仅造成了资源浪费，而且抛弃的旧砂堆放既占场地，又污染环境，抛弃旧砂还需一笔可观的运输费用。为减少这类混合型旧砂的产生，有的发动机缸体等工厂采用铸件冷却后敞开上型并先取出带有砂芯的缸体等铸件到震芯机的办法，经过落砂机和滚筒筛砂机所得砂子和震芯机会合的旧砂主要是溃散的砂芯和少量附着型砂，相当于树脂砂旧砂，这些旧砂可以用热法再生；而留在砂箱中的砂子只含少量砂芯，经破碎、过筛、磁选后就可用于制备湿型砂（这里不再论述）。长三角地区已有一些合资铸造厂就是采取分别落砂的方法，其砂芯旧砂由专门的再生砂厂负责拉去再生，再生砂又送回来代替新砂混制芯砂制芯，既解决了废砂引起的环境问题，又降低了成本。苏州地区的吴江、昆山等地已建有多家热法再生砂厂，有较好的发展前景。

黏土湿型混合旧砂中，既有芯砂表面附着的树脂膜，又有黏土砂中的煤粉和黏土砂表面的惰性死黏土膜。旧砂中的树脂膜和煤粉等可燃材料可在高温下气化和燃烧，但黏土中的蒙脱石在600 ℃～700 ℃失去结构水，烧成坚硬的难溶于水的陶瓷状硬块。砂粒表面包覆的黏土在高温下就被烧成这种陶瓷状硬层既不能被水洗掉，又很难用机械方法除掉。因此，对这类旧砂的再生，焙烧温度要设定在既能使鱼卵石黏土膜与硅砂的结合力松散开裂，又要避免温度太高使黏土膜烧成陶瓷块；使旧砂焙烧以后附着在硅砂表面的少量非活性黏土可通过后续的机械摩擦或研磨再生工艺清除[2]。国内几种旧砂再生（处理）循环利用的工艺性能对比见表2.

3 铸造旧砂资源化再生工艺技术

3.1 铸造旧砂再生资源化年处理量统计

根据国内铸造工艺旧砂排放现状，应该合理地选择旧砂再生工艺。表3 为预测2015年国内年产铸件5000 万t 时各种再生循环工艺的处理量，从表3 可以得出，呋喃自硬砂旧砂年生产铸件1500 万t，按照砂铁比4∶1 则需机械法再生处理量为6000 万t/a规模；铸钢件届时预测年产500 万t 时，采用酯硬化水玻璃旧砂热法再生处理量为2000 万t/a 规模；其余铸件年产2600 万t 时，用于芯砂的热法再生处理量为2600 万t/a，加上铸钢件酯硬化水玻璃旧砂热法再生处理量2000 t/a，共计全年热法再生处理量为4600 万t/a.

表3 预测2015年国内年产铸件5000 万t 时各种再生循环工艺的处理量

3.2 黏土砂旧砂资源化再生工艺选择

黏土湿型砂混合旧砂再生用于芯砂选择热法—机械再生法是一个较佳的选择。20 世纪90年代，美国就成功地用热法一机械法再生黏土湿型旧砂。如美国Sheppard 铸造厂在1989年建成黏土湿型砂再生系统，旧砂先经破碎机破碎、磁选、677 ℃和816 ℃两级旋转滚筒加热炉，焙烧时间约40 min，然后由气力输送擦磨管、带冲击靶板分选器剥除表面黏士膜，使旧砂得到再生。又如通用汽车公司1994年在Saginaw 的可锻铸铁厂建成一套湿型旧砂用热-机械再生系统，其中包括回转破碎、磁选、760 ℃沸腾煅烧去除黏结剂，擦磨、冷却和除去粉尘[1]。我国湿型砂黏结剂均为钙基膨润士中加入了3.5%～4%Na2CO3的钠化膨润土，Na2CO3是一种高温熔剂，能够减低膨润土的熔点，高温焙烧使膨润土膜较牢固地包覆在砂粒表面，机械再生过程中不易剥落；而且砂粒外残留黏土膜中的Na2CO3和被交换出来的Na2CO3受热反应成为Na2O，遇到水会成为NaOH和CO2，都具有强碱性，不利于冷、热芯盒砂的固化。针对上述情况，国内科研部门及部分厂家在采用热-机械法再生湿型黏土时，都在控制焙烧温度上采用“适温焙烧”的概念，认为最适宜的焙烧温度是600 ℃～700 ℃，温度过高，残留物反而更多。热机械法再生全系统包括破碎磁选装置、焙烧热法再生系统、冷却系统、二级机械再生系统、风选除尘、筛分装置、物料储运系统、电控系统八个部分。

3.3 热法再生线工艺设备

3.3.1 垂直式沸腾炉

垂直式沸腾炉的原理如图1 所示. 旧砂由螺旋给料机均匀地送入沸腾炉中，燃气和空气混合并进入砂层中，使砂子处于沸腾状态，同时燃气在砂层内燃烧，将砂子加热到树脂膜的燃烧温度，树脂膜燃烧，砂子得到再生。再生后的砂子进入预冷却床，鼓入的空气在使砂子得以冷却的同时，空气也被预热。被预热的空气和燃气混合进行燃烧，从而提高该装置的热效率。预冷却后的砂子进入冷却沸腾床，经进一步冷却后从排料口排出。

图1 垂直式沸腾炉原理简图

目前某铸造机械有限公司最新研制的焙烧炉内置逆流式热交换器，可高效回收预热并经过辅助燃烧机作为维持自燃的补充热源，对流经加热炉烘道的特殊空间的砂雾状流砂进行焙烧，焙烧温度视旧砂品种进行设定。对于水玻璃旧砂采用低温加热到200 ℃左右，使水玻璃膜失水脆化；对于Pepset自硬砂采用700 ℃左右高温使树脂膜燃烧再经过机械搓擦使旧砂得到再生。

3.3.2 热法再生短流程技术的研发

另外，某铸造机械有限公司新研制的热法再生短流程技术使得砂再生线更为简洁、占地面积小，运行成本低等深受客户青睐。传统热法再生线区划图见图2.短流程热法再生线区划见图3.

为实现“较低的运行成本”这一目标研发并推出了“铸造旧砂再生短流程生产技术”。该系统还可根据铸造工艺、铸件材质等的不同，进行相应的组合调整，从而满足不同客户的个性化需求。另外，随着制造技术的发展趋势是向敏捷，柔性，洁净方式发展给铸造生产提出更高更苛刻的要求，至使铸造生产方式向高效率，高智能（定量，信息化），高挠性（灵活，多品种，变批量），清洁，集约型具有竞争力经济规模发展。图4 为智能式短流程落砂破碎再生输送除尘系统示意图。砂块或带有铸件的砂箱首先趁热进入振动落砂破碎再生除尘一体机，铸件或砂箱由起重装置吊出后，剩余旧砂块开始振动破碎，虽铁块及芯骨在一体机尾部定期排出，经过破碎初步再生的小于1 mm 的砂粒进入智能式脱膜率可调斗轮再生机，然后经过在线烧灼减量检测仪反馈后通过双罐发送装置送至具有气力撞击、风选、冷却、磁选功能的砂净化器然后送至砂斗或自硬砂混砂机使用。

落砂破碎再生机除尘一体机具有落砂、破碎、再生、除尘功能，多台单机除尘器与除尘罩采用无管道连接，密封性能好、功率消耗低。两个并联生产率可达20 t/h～60 t/h 可以灵活选择。

集约型节能型智能化短流程高效再生系统，结构简单合理，自身重量较轻、占地空间节省，适合各类铸造厂自硬砂旧砂落砂破碎再生除尘发送风选、磁选、冷却等工序繁杂的问题。为自硬砂铸造车间旧砂再生提供了模块化设计。铸造旧砂短流程选配见表4.

图2 传统铸造旧砂热法再生线区划图

图3 短流程热法再生线区划图

图4 智能式短流程落砂破碎再生输送除尘系统示意图

4 铸造旧砂湿法再生技术的推广

表4 铸造旧砂短流程选配

4.1 黏土湿型砂湿法再生

如一汽铸造和玉柴机器铸造中心等正在考虑对黏土湿型砂进行湿法再生处理。国外某些大型铸造厂的使用实践也证明黏土湿型旧砂经湿法再生后的LOI 值、热膨胀率、发气量、角形系数及灰分含量等指标都符合新砂。经过落砂、磁选、破碎前处理后，黏士湿型旧砂再经第二道工序的浸泡、连续水洗搓擦、烘干（具体流程见水玻璃旧砂湿法再生）等工序。前处理选出来的金属物可以为铸造厂回收利用，微粉、粉尘则需二次开发利用作为土壤改良剂、建材原料等。但是黏土湿型废旧砂湿法再生发展不快，固然有技术和经济合理性的问题，但更重要的还是对环境保护的认识问题，与国家抓持续发展、保护资源的力度有密切关系。而上废旧砂湿法再生装置也切忌一哄而起，只适合在有足够多的废旧砂量的大型企业或产业集群化地区集中处理。

4.2 水玻璃旧砂湿法再生

目前水玻璃铸造废弃砂的一种湿法脱膜再生采用地坑式浸泡池结构，存在着占地面积大、生产率低，土建结构投资大等弊端；另一种立式搅拌筒式结构，存在着设备占用空间大、动能消耗大等问题。

目前有铸造机械企业针对国内湿型砂处理再生现状研发了铸造旧砂连续水洗回用装备，提出了水玻璃铸造旧砂趁热落砂、热水浸泡、高速水洗湿法再生工艺，研发了“带污水处理的高速水洗的水玻璃旧砂湿法再生设备系统”，此湿法再生装置Na2O 残留率由原来的0.5%降低至0.1%，再生砂耗水量低于100 kg/t，实现了污水处理的循环使用。再生砂可100%替代新砂。这种铸造废弃砂连续水洗回用装备，涉及将水玻璃、碱酚醛、黏土砂旧砂经螺旋搅拌推进水洗脱膜后经脱水机、蒸发器处理获得再生砂，污水经过专门的浮选法污水处理系统使污水变为可循环使用的水的一套铸造砂连续水洗回用装备。

水玻璃旧砂连续水洗回收湿法再生及污水处理装置包括：浸泡斗；安装在浸泡斗下方的砂水定量装置；方便设备检修的连续式高速水洗装置；安装在高速水洗装置出砂口的皮带真空脱水机使砂水分离效果增高；干燥器安装在脱水机下部，经过螺旋振动加热风使砂子水分烘干并排出；连续排泥机里的转鼓和螺旋经过了严格的动平衡，保证了机器运转的平稳性。

铸造旧砂高速连续水洗回用及污水处理工艺流程见图5.

5 铸造旧砂再生循环利用技术的应用选择

5.1 碱酚醛树脂砂和酯硬化水玻璃复合工艺

铸钢件复合工艺是利用碱酚醛树脂砂和酯硬化水玻璃砂两种造型工艺相互兼容且复合造型工艺，具有旧砂完全可再生回用的特点，确定以碱酚醛树脂砂为面砂、酯硬化水玻璃砂作为背砂的复合造型工艺。

5.1.1 复合工艺特点

1）使用同一规格原砂；

2）同为碱性，造型兼容性好，混合后进行再生回用，型砂质量基本不受影响；

3）使用面背砂可以达到较好的铸件质量，同时可以控制造型生产成本。

图5 旧砂高速连续水洗回用及污水处理工艺路线

5.1.2 复合工艺旧砂再生

1）采用干法机械再生时注意事项

干法再生是利用机械方法脱去旧砂砂粒表面树脂（黏结剂）膜的再生方法。该法主要有机械离心式和机械搓擦式比较常用，其他如气流冲击、振动撞击和逆流式冲击等也有使用。冲击式再生原理是利用机械力和气流冲击将旧砂砂粒加速到一定速度，使砂粒与金属板（构件）产生撞击作用，使砂粒表面脆性树脂膜脱落十分有效。但是酯硬化碱性酚醛酯硬化水玻璃复合工艺旧砂树脂膜具有一定韧性，特别是没有经过低温加热脱水时，这种旧砂含水大于1.0%时，旧砂在冲击式再生过程中会有反弹，树脂膜难于剥离，故常用的冲击式机械再生不适于复合工艺旧砂再生。经过实践证明，对于复合工艺旧砂再生，采用高速搓擦式（双辊，三辊或四辊搓擦再生机）效果极佳。当然，经过低温加热脱水（200 ℃左右）后使膜脆化后再经干法会更好。

2）采用热法再生时注意事项

一定注意低温焙烧热法再生（200 ℃左右），虽然一般理论在生产中常用高温热法再生，经过试验也证明高温加热达800 ℃以上时，再生砂强度高于新砂，说明高温可有效去除砂粒表面的树脂膜、残留酯和钾，明显改善再生砂性能。但高温加热耗能大，再生成本高，特别是温度低于600 ℃时，对于去除树脂膜中残留有机酯反而不明显，所以高温再生工艺在酯硬化碱酚醛和酯硬化水玻璃旧砂再生中应用不广泛。对于复合工艺旧砂再生主要目的是脱水去残留酯。在湖州中联铸钢生产中在前面加一道双质体振动落砂机，趁热在落砂打箱几小时内将热旧砂全部落砂再生完毕，再生效果极佳。

复合型工艺也要注意环境湿度。如果采用低温热法再生方案时，不一定总是每天启动低温焙烧炉。干燥时可以停炉而采用趁热打箱采用干法高速搓擦再生工艺。

采用干法和热法再生要根据年生产纲领来考虑。对于500 t/月产量适当采用干法机械再生；产量1000 t/月以上可采用低温热法再生方案。总之要进行投入产出性价比分析。采用哪种方案，要远近结合，总体规划，有主有次，分布实施。

3）采用湿法再生可以通过水处理除去黏附于复合工艺旧砂粒表面的残留酯和钾，可以取得较好的再生效果。

5.2 酯硬化碱酚醛旧砂机械法再生

如果采用干法再生一定保证趁热打箱再选用斗轮再生机；因为前面提到酯硬化碱性酚醛旧砂树脂膜和酯硬化水玻璃黏结剂膜具有一定韧性，故常用的冲击式机械再生不适于旧砂再生。

要注意尽管酯硬化碱酚醛不含S、P、N，但实际操作中会有苯和甲醛产生，在北方寒冷区域因为保暖而全部封闭厂房时要注意操作工位局部通风。

5.3 酯硬化碱酚醛旧砂低温热法焙烧再生装置

碱酚醛热法再生是采用焙烧炉将旧砂加热到一定温度，以分解旧砂表面残留的树脂膜。经过各种性价比较，酯硬化碱性酚醛树脂旧砂为去除残留酯和水，一般采用低温热法（200 ℃左右）再生旧砂，对去除树脂膜中残留酯十分有效。此法与有机酯水玻璃旧砂再生焙烧炉低温热法再生原理相同。无锡锡南铸造机械有限公司等厂家生产的焙烧炉利用气体（液体）燃料在燃烧时产生的高温烟气对流经加热炉烘道的特殊空间的砂雾状流砂进行烘烤和焙烧，使旧型砂水玻璃薄膜因高温而脱水和脆化脱落，使旧型砂得到再生。

5.4 酯硬化水玻璃旧砂热法再生装置

目前，随着水玻璃砂溃散性差等问题逐步解决，水玻璃旧砂的完全再生回用已成为可能。采用低温焙烧及干法再生回用相结合的方法，可使水玻璃旧砂的回用率达到80%以上，从根本上改变了目前水玻璃旧砂在我国大量被废弃的局面，可大大减少铸件废物的排放量。同时也节约了大量硅砂资源（硅砂属于不可再生资源），为我国铸造工业的绿色可持续发展奠定了基础[3]。

1）水玻璃旧砂热法再生工艺过程中，有几个值得留意或亮点值得推广

①加热温度必须在200 ℃左右，我们称之为焙烧或低温焙烧；

②焙烧过的旧砂应立即进行搓擦再生，效果较好，否则冷却后的水玻璃膜可能有回韧现象，增加脱膜难度；

③焙烧、再生后要配置高效的冷却设备。

④二级磁选应该选择在常温的位置。因此，通常在进入焙烧炉之前的预处理时进行磁选。

2）水玻璃废旧砂短流程湿法再生线粉尘污染源点仅在振动落砂一体机处，采用无管道除尘装置更是环保节能减排的最佳选择。

3）水玻璃旧砂短流程再生技术在北方可以采用湿法和热法两种短流程再生方案，尤其是天然气供应充足情况下，热法再生也是较佳选择。

4）我国北方地区采用湿法再生回用工艺需保证厂房温度不低于16 ℃.

[1]万仁芳，熊鹰.我国砂型铸造中旧砂再生技术现状及应用前景[J］.现代铸铁，2009（6）：18-23.

[2]吴殿杰.国内汽车发动机缸体铸件铸造技术发展趋势[J］.现代铸铁，2012（S2）：23-30.

[3]朱以松，吴殿杰.水玻璃旧砂再生工艺及装备的研究制和推广[G］//2014年第二届西部铸造论坛论文集.西安：中国船舶行业协会，2014.

[4]吴殿杰，苏琳玲，董鄂.铸造自硬砂再生工艺及设备[G］//2010年中国铸造活动周论文集.沈阳：中国机械工程学会铸造分会，2010.

[5]卢记军，闻向东，谭远友，等.水波璃旧砂再生研究现状与展望[J］.铸造设备与工艺，2013（1）：47-50.

[6]郭景纯，郭思福.新中国五十年旧砂再生的发展状况和今后进一步发展的建议与展望[J］.铸造设备研究，2001（6）：1-6.