龍 威，樊自田

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

鑄造舊砂再生回用技術(shù)現(xiàn)狀及進展

龍 威，樊自田

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

本文對近5年來鑄造舊砂再生回用技術(shù)研究及應(yīng)用的進展進行了概述。對目前廣泛使用的再生回用技術(shù)、設(shè)備的研究及應(yīng)用進行了分析。認(rèn)為鑄造廢舊砂的再生回用是鑄造工業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求，低成本高效率地再生回用鑄造舊砂是鑄造技術(shù)進步的重要方向。

鑄造舊砂，再生利用，綠色鑄造，可持續(xù)發(fā)展，低成本再生

1 引言

鑄造行業(yè)是制造業(yè)中的基礎(chǔ)行業(yè)，各行業(yè)的發(fā)展都離不開鑄件[1]。2010年我國年產(chǎn)鑄件約3500萬噸，是世界第一鑄造大國。但我國每噸鑄件生產(chǎn)要排放廢舊砂約1噸，年排放鑄造廢舊砂3000多萬噸，資源消耗和環(huán)境污染都十分驚人。一些大型鑄造企業(yè)年排放鑄造廢舊砂都在10萬噸以上，而在企業(yè)排放大量鑄造廢舊砂的同時，企業(yè)需向生產(chǎn)線補充等量的新砂以維持生產(chǎn)線運行，每年全國由此造成的新砂采購成本和運輸成本達(dá)百億元，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，也給我國的資源和環(huán)境帶來巨大壓力。因此，鑄造廢舊砂的處理和回收再利用已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題，這對我國鑄造產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重大的實際意義。

本文針對目前廣泛使用的粘土砂、水玻璃砂和樹脂砂在鑄造生產(chǎn)中產(chǎn)生的舊砂的再生回用技術(shù)進行分析展望。

2 粘土舊砂的再生回用

粘土砂被廣泛的用于鑄鐵、鑄鋼生產(chǎn)中，其產(chǎn)生的廢舊砂量也是最多，約占整個鑄造產(chǎn)量的80%以上。目前，粘土舊砂的再生回用方法主要包括干法機械再生和干－熱聯(lián)合再生，干法再生后的砂子多直接用于生產(chǎn)線的回用，干－熱聯(lián)合再生法再生后的砂子可用于制備芯砂。

重慶某造型材料公司[2]結(jié)合國內(nèi)外再生設(shè)備技術(shù)，自主研發(fā)了間歇式燃燒焙燒爐和機械再生裝置。采用低溫焙燒原理，利用熱砂排熱加熱流動空氣和利用殘留碳素燃燒產(chǎn)生的二次熱源進行焙燒，利用焙燒反應(yīng)余熱和冷卻熱砂余熱對舊砂進行預(yù)加熱，使熱能得到充分利用。該工藝技術(shù)的舊砂回收率達(dá)68%～90%，再生砂灼熱減量≤0.2%，再生砂質(zhì)量較好，可以用于制備覆膜砂、熱芯盒呋喃樹脂砂和冷芯盒樹脂砂等。但采用間歇式燃燒焙燒爐和機械再生的干－熱法聯(lián)合再生工藝導(dǎo)致粘土舊砂再生成本偏高，其推廣應(yīng)用受到一定的限制。

乜忠利[3]等介紹了常州市某公司與有關(guān)單位研制開發(fā)的CRG舊砂再生機。該再生機系離心機械式，在高速旋轉(zhuǎn)軸下帶有葉輪，形成強烈軸向氣流，吹動向下流動的流砂，粉塵通過上方除塵口排出，達(dá)到舊砂再生目的，舊砂去泥率30%～60%，回用率＞90%。山東時風(fēng)集團[4]采用CRG粘土砂再生系統(tǒng)對舊砂進行再生，再生砂的含泥量、有效煤粉含量和有效膨潤土含量較之舊砂分別降低了40.6%、39.3%和47.3%，再生砂代替部分新砂直接用于粘土砂生產(chǎn)線循環(huán)取得了較好的效果，鑄件廢品率降低近1%；認(rèn)為CRG粘土砂再生設(shè)備系統(tǒng)可以降低企業(yè)的廢舊砂排放量和生產(chǎn)成本。

R.Danko[5]通過系統(tǒng)的方法分析廢舊砂的再生工藝，介紹了舊砂再生時砂粒干法機械摩擦去泥的能量模型。它的理論基礎(chǔ)是Rittinger對粉碎物料的假設(shè)，即砂粒破碎能耗與破碎后砂粒的新生表面積成正比，外部輸入的能量越多，再生砂的粒度越細(xì)，砂子的去泥率、除塵率越高。但粒度偏細(xì)的砂子并不利于再生砂的循環(huán)使用，在粘土舊砂再生時，可以根據(jù)企業(yè)的舊砂再生要求，對舊砂使用Rittinger系數(shù)進行計算，優(yōu)化干法再生過程，控制能耗成本，獲得符合使用要求的高質(zhì)量再生砂。

Nestor Cruz[6]等采用氣固流化床對粘土舊砂進行再生回用。試驗表明，當(dāng)氣固流化床的噴孔氣體壓力為550kPa，加熱溫度超過700℃時，再生砂質(zhì)量較好，再生砂中有機物含量接近0，舊砂表面的殘留膨潤土去除率較高，再生砂的有效膨潤土含量為2%左右，再生過程中的舊砂損耗量小于14%。采用氣固流化床對粘土舊砂進行再生回用，其熱法再生和干法再生綜合成本為0.023（US$/kg），低于新砂0.04～0.14（US$/kg）的采購成本，再加上舊砂的一些輔助成本，認(rèn)為該工藝具有較好的經(jīng)濟適用性。

綜合來看，目前粘土舊砂的再生方式主要有干法再生和干法－熱法聯(lián)合再生。干法再生砂多直接用于粘土砂的生產(chǎn)線循環(huán)回用；干法－熱法聯(lián)合再生砂可用于制備冷芯砂和熱芯砂，但由于粘土舊砂熱法再生的加熱溫度通常很高（700℃以上），故再生成本較高。因此研究開發(fā)新型高效粘土舊砂再生方法及裝備，實現(xiàn)大量粘土廢舊砂低成本再生回用是目前綠色鑄造技術(shù)研究的方向。

3 水玻璃舊砂的再生回用

水玻璃砂被認(rèn)為是21世紀(jì)最有可能實現(xiàn)綠色鑄造的砂型，被廣泛應(yīng)用于鑄鋼件生產(chǎn)中。近年來，隨著水玻璃砂的廣泛應(yīng)用，水玻璃舊砂的再生回用方法和技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。

樊自田[7]等分析了酯硬化水玻璃舊砂多次再生使用后，其Na2O較大升高，潰散性顯著下降，生產(chǎn)厚大鑄型時硬透性變差出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的原因。認(rèn)為研究開發(fā)適于干法再生水玻璃砂的改性水玻璃，對再生砂實施表面處理，對舊砂進行高脫膜率的再生等，是解決酯硬化水玻璃砂多次再生使用后潰散性惡化問題的主要措施。

王繼娜[8－9]等提出了“冰凍－機械”再生水玻璃舊砂新方法。通過試驗測試了“冰凍－機械”再生水玻璃舊砂的優(yōu)化工藝參數(shù)，可獲得43%高再生脫膜率；利用自然條件實施室外溫度約－15℃自然冰凍，脫膜率可達(dá)32.8%，較之干法再生的脫膜率提高71.3%。因此，認(rèn)為“冰凍－機械”再生具有濕法與干法綜合優(yōu)勢，具有實用意義。

張培根[10]提出的水玻璃廢砂再生系統(tǒng)，包括舊砂破碎設(shè)備、一級和二級濕法再生設(shè)備及污水處理設(shè)備、濕砂脫水設(shè)備及烘干設(shè)備。采用兩級濕法再生工藝，Na2O的去除率高；得到的再生砂質(zhì)量也好，可直接代替新砂作面砂或單一砂使用；并且耗水量小，同時污水處理后可循環(huán)使用或達(dá)標(biāo)排放。

李樹楨[11]等研發(fā)了一種水玻璃舊砂回轉(zhuǎn)振動研磨濕式再生機，其結(jié)構(gòu)包括鋼螺旋橡膠復(fù)合彈簧、機架、外筒體、內(nèi)筒體、陶瓷磨球和振動電機等。據(jù)介紹該再生設(shè)備的水消耗量較少。

汪華方[12]等最近提出了生物再生水玻璃舊砂的設(shè)想。它利用硅藻依賴污水中鈉離子、硅酸根離子而繁殖的特性，在濕法強堿性污水中創(chuàng)造適宜的條件培養(yǎng)經(jīng)過耐堿馴化的硅藻，快速生長的硅藻大量消耗堿性污水中的硅酸根離子和鈉離子，使污水的堿性大大降低。生物再生使用的硅藻在自然條件下快速生長，硅藻處理后的再生污水可用于舊砂再生生產(chǎn)線循環(huán)使用或直接排放，再生后獲得的硅藻可用作于飼料、墻面材料、生物柴油和芯片等。生物再生水玻璃舊砂方法的可行性及效果有待進一步驗證。

綜合來看，目前水玻璃舊砂的再生回收，多采用濕法再生和“干法＋熱法”聯(lián)合再生?！案煞ǎ珶岱ā甭?lián)合再生砂可用于背砂或單一砂循環(huán)，但需嚴(yán)格控制循環(huán)砂中的Na2O含量；濕法再生水玻璃舊砂的效率高、再生砂質(zhì)量好，再生砂可以100%代替新砂使用，但需較好解決污水污泥處理回用問題。“冰凍－機械”再生方法具有濕法再生與干法再生的綜合優(yōu)勢，可利用北方的寒冷天氣進行舊砂再生，較大降低了水玻璃濕法再生時的水耗量和再生成本。在濕法再生的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)高效無二次污染的水玻璃舊砂再生新型工藝及設(shè)備系統(tǒng)仍是解決水玻璃舊砂再生難題的關(guān)鍵。

4 樹脂舊砂的再生回用

樹脂砂的種類較多，包括呋喃自硬樹脂砂、酚醛自硬樹脂砂、熱硬樹脂砂、冷（氣）硬樹脂砂等，可用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁等各類零件。研究及實踐表明，呋喃樹脂自硬舊砂采用干法再生可以獲得滿意的再生效果，實現(xiàn)循環(huán)使用，也可以采用熱法再生；堿酚醛自硬樹脂舊砂需要采用“干法＋熱法”聯(lián)合再生和濕法再生；而熱硬或冷硬樹脂砂只能采用高溫?zé)岱ㄔ偕?/p>

孫清州[13]等介紹了自硬樹脂砂熱法再生原理及沸騰式再生裝置。認(rèn)為熱法再生是有機粘結(jié)劑自硬樹脂砂的一種完全再生方法，在樹脂舊砂進行熱再生的同時，對砂子具有改性作用。與新砂相比，熱再生砂的角形系數(shù)、發(fā)氣量、熱膨脹性均有所降低，粒形趨園整，砂子集中度、型砂抗拉度提高，熱再生砂較之新砂具有更優(yōu)良的鑄造工藝性能，具有很好的回收再利用價值。

陳宗明[14]等介紹了一種以煤氣為燃料的覆膜砂熱法再生工藝及其裝置。以煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的低壓熱煤氣作沸騰式焙燒爐的熱源取代焦炭或柴油，研制成1t/h～1.5t/h沸騰式熱法再生裝置，再生1t舊砂消耗煤炭約為70kg，與液體燃料（柴油、煤油或重油等）相比，具有一定的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢。

朱旭東[15]介紹了由“鑄造用砂焙燒爐”和“立式螺旋沸騰冷卻器”組成的自硬樹脂砂“熱法+機械”柔性再生線，生產(chǎn)率0.5t/h～30t/h?？梢愿鶕?jù)使用要求，采取不同的加熱溫度，連續(xù)或間隙性啟動焙燒爐，使舊砂經(jīng)過加熱焙燒或直接進入機械再生裝置，可滿足不同季節(jié)下的砂溫冷卻要求，達(dá)到節(jié)省燃料的目的。

Peter Wagner[16]等認(rèn)為機械式再生是一種經(jīng)濟、高效的再生冷硬樹脂砂的方法，冷硬樹脂砂幾乎可以全部再生，而熱法再生僅應(yīng)用于特殊的領(lǐng)域。他們介紹了一種帶有回流冷卻器的再生設(shè)備和帶有冷卻流化床/篩選機的再生裝置，主要由落砂柵架和振動破碎機構(gòu)成。該方法可獲得較高質(zhì)量的再生樹脂砂，實用價值較大。

S.Fiore[17]等對意大利北部的一家鑄造工廠的多種冷芯盒樹脂舊砂再生工藝進行了研究。通過對Teksid鑄造車間500噸型砂的測試，對干法處理和干法+熱法處理這兩種方法的效率進行了對比。認(rèn)為干法+熱法這種處理方法對于Teksid鑄造車間冷芯盒鑄造產(chǎn)生的舊砂是最佳的再生方法之一。

綜合來看，為了獲得可用于芯砂的再生砂，樹脂類舊砂的再生通常采用熱法或者干法－熱法聯(lián)合再生方法，但由于高溫（＞700℃）熱法再生的能耗大、成本高，研發(fā)高效熱法再生工藝與裝備仍是目前熱點問題。呋喃自硬樹脂舊砂的再生生產(chǎn)線及再生設(shè)備目前是比較成熟的，在實際生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用；而酚醛自硬樹脂舊砂的低成本、無污染再生問題仍有很多工作要做。

5 混合廢舊砂的再生回用

在諸多種類的鑄造舊砂中，以粘土舊砂為主混合舊砂（粘土－樹脂舊砂、粘土－水玻璃舊砂等）占多數(shù)，低成本再生多種混合舊砂一直是鑄造舊砂再生的難點之一。

樊自田[18]等提出了一種鑄造混合廢舊砂的低成本再生回用新方法。即先將混合舊砂盡量分類，分別將適于濕法再生的舊砂和適于熱法再生的舊砂進行濕法再生和熱法再生；然后兩部分再生砂按照一定比例混合，利用熱法再生砂的熱量加熱烘干濕法再生砂，最后經(jīng)調(diào)濕、調(diào)溫，得到再生回用砂。該方法避免了在單一的濕法再生工藝中再生砂后期烘干所需的能源消耗和在單一的熱法再生工藝中再生砂冷卻時的熱量浪費，降低了能源消耗和舊砂再生成本，是一種頗有應(yīng)用前景、適用于大量鑄造混合廢舊砂的低成本、高質(zhì)量的再生回用新方法。

重慶某公司[19]CZS鑄造廢砂再生生產(chǎn)線及裝置采用熱法再生或熱法機械再生的方式，對鑄造后的樹脂砂廢砂或粘土砂廢砂進行再生處理，然后作為粘土砂或樹脂砂兩種用途的原砂使用。使用結(jié)果顯示CZS鑄造廢砂再生生產(chǎn)線對于混合廢舊砂的再生處理具有一定的效果。

趙洪仁[20]等調(diào)訪了國內(nèi)八個單位，調(diào)研對象都是對熱法再生處理樹脂類有機粘結(jié)劑砂有較成熟經(jīng)驗的單位與設(shè)備，認(rèn)為粘土混合砂再生作造型砂代替新砂使用也已有成熟的設(shè)備，但對汽車內(nèi)燃機等大量采用新砂作有機砂芯的廠，芯砂不斷混入型砂，使循環(huán)型砂砂量大增，必須大量排出才能保持平衡。他們認(rèn)為把混合砂再生作芯砂代替新砂是個難題，國外雖有成功的經(jīng)驗，但國內(nèi)則急待解決。

目前，國內(nèi)外的舊砂再生技術(shù)基本上都是針對單一型砂進行的，而對于混合廢舊砂的再生回用則沒有很成熟的技術(shù)。由于目前國內(nèi)外很多企業(yè)產(chǎn)生的廢舊砂均為混合廢舊砂，所以研制開發(fā)低成本、高性能的混合廢舊砂再生技術(shù)、設(shè)備及系統(tǒng)，是實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排和我國鑄造產(chǎn)業(yè)綠色化生產(chǎn)的緊迫要求與必然趨勢。

6 鑄造廢砂資源化綜合再利用技術(shù)[21-24]

除了鑄造工廠直接再生回用鑄造廢舊砂外，鑄造廢砂資源化綜合再利用技術(shù)也得到了很大發(fā)展。根據(jù)廢舊砂的物化性質(zhì)和其它綜合因素,鑄造廢砂可以做如下幾方面的資源化綜合再利用。

（1）用鑄造廢砂制造聚合物基復(fù)合材料。以鑄造廢砂為顆粒增強材料、以熱塑性廢塑料為基體，通過砂粒表面活化、共混復(fù)合、成型等工序制造廢棄物復(fù)合材料，具有砂的剛度和硬度，又具有聚合物材料的韌性和可加工性，可在很多領(lǐng)域內(nèi)替代鋼材、木材、塑料、水泥、橡膠等產(chǎn)品。

（2）用鑄造廢砂制造硅酸鹽基復(fù)合材料。利用廢砂加入爐渣、尾礦、粉塵等主要原料，添加適量的活性激發(fā)劑，經(jīng)混料、壓制養(yǎng)護而成的一種具有較好性能的建筑材料，可制建筑承重磚和空心磚，是大量解決工業(yè)廢料的一條有效途徑。

（3）用鑄造廢砂制造高強度燒結(jié)材料。水玻璃砂表面的惰性膜是呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合硅酸鈉。以水玻璃廢舊砂為主要原料，添加少量的廢玻璃和適量的添加劑，形成以核心顆粒為骨架，結(jié)晶玻璃為基體的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有高硬度、高強度，可裝飾性等性能。

（4）用鑄造廢砂制造輕型發(fā)泡材料。鑄造廢砂中含有高溫發(fā)氣的物質(zhì)，在高溫條件下，將被分解而最終形成CO2。將水玻璃廢舊砂、沖天爐爐渣、天然礦物、石粉按一定比例配合，焙燒制成發(fā)泡塊，這種發(fā)泡塊加工性能好，可切割，且發(fā)泡中其發(fā)泡狀態(tài)是獨立氣泡，在水中具有不滲透的特點。

（5）制造隔音隔板材料。將廢砂、發(fā)泡苯乙烯廢料、舊輪胎、石粉、水泥以及添加劑，用砌塊成型機械制成隔板材料，具有好的隔音防振性能。

7 結(jié)束語

鑄造廢舊砂是鑄造企業(yè)的寶貴資源，完全再生回用鑄造廢舊砂不僅可以較大節(jié)約鑄造企業(yè)的生產(chǎn)成本，還可以大大減少鑄造生產(chǎn)帶來的排放污染，是鑄造工業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然要求。各類舊砂的特征不同，需要采用不同的再生方法與裝備，研究開發(fā)適于各種舊砂低成本高效率地再生回用方法、工藝及裝備是鑄造技術(shù)進步的重要內(nèi)容與方向，對保護環(huán)境也具有重要意義。

[1]黃天佑，溫平等.建立鑄造行業(yè)的準(zhǔn)入制度勢在必行.中國鑄造工業(yè)第三屆高層論壇，昆明，2007，10－18.

[2]霍卯田，熊杰.粘土舊砂再生后用于制芯工藝試驗[J].鑄造工程，2006(2)：14－16.

[3]乜忠利，白鳳文，衛(wèi)光超.粘土舊砂再生系統(tǒng)及應(yīng)用[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2007(5):－38～40.

[4]呂士海，吳彩云，徐海港等.粘土砂舊砂再生的研究及生產(chǎn)應(yīng)用[J].現(xiàn)代鑄鐵，2008（3）：92－94.

[5]R.Danko.Development of energetic model for dry mechanical reclamation process of used foundry sands[J].International Journal Cast Metals Research，2007(20):228－232.

[6]Nestor Cruz，Cedric Briens，F(xiàn)ranco Berruti.Green sand reclamation using a fluidized bed with an attrition nozzle.Resources，Conservation and Recycling，2009(54):45－52.

[7]樊自田，王繼娜，劉軍.酯硬化水玻璃再生砂循環(huán)使用后的性能變化及應(yīng)對策略[J].鑄造，2007（11）：1203～1206.

[8]王繼娜，樊自田，張輝明.水玻璃舊砂‘冰凍－機械’再生試驗[J].鑄造，2008（10）:1013－1016.

[9]樊自田，董選普，王繼娜等.水玻璃舊砂再生方法.中國，發(fā)明專利，公開號CN1792497.

[10]張培根.水玻璃廢砂再生系統(tǒng).中國，實用新型專利，公開號CN201482914U.

[11]李樹楨，馬惠龍.水玻璃舊砂回轉(zhuǎn)振動研磨濕式再生機.中國，實用新型專利，公開號CN201669371U.

[12]汪華方，樊自田.水玻璃舊砂濕法再生污水生物處理初步研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（12）.

[13]孫清州，劉青峰.樹脂舊砂的熱法再生[J].鑄造，2006(6)：646.

[14]陳宗明，高杰.覆膜砂熱法再生工藝及其裝置[J].鑄造工程，2006(1)：42－43.

[15]朱旭東，董鄂，俞正江.大型鑄件的鑄造裝備[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2007(4)：45－49.

[16]Peter Wagner，Josef Preiss.Mechanical sand reclamati.Componenonts and Characteristics，2007(l 23):10－13.

[17]S.Fiore，M.C.Zanetti.Industrial treatment processes for the recycling of green foundry sand.International Conference on Waste Management and the Environment.Malta:Wessex Institute of Technology；WIT Transact ions on Encology and the Environment，2006，67－76.

[18]樊自田，龍威，申恩強.一種鑄造混合廢舊砂的再生回用方法.中國，發(fā)明專利，公開號CN102133616A.

[19]重慶長江造型材料有限公司十堰分公司.再生砂生產(chǎn)線正式投產(chǎn)[J].鑄造，2007(5)：554－556.

[20]趙洪仁，魯永杰.舊砂再生國內(nèi)情況的考察報告[J].鑄造工程，2006(1):36－38.

[21]何小麗等，鑄造廢砂污染的防治[J]，大型鑄鍛件，2008（3）：45.

[22]Susanp Thomas.AFS Foundry Sand Reclamation Reuse Committee.Foundry Sand Benificial Reuse Manuel.AFS Special Report,1996

[23]劉日鑫.鑄造廢砂的綜合利用進展[J].中國資源綜合利用，2008（10）：26－28.

[24]牟艷秋，巴吾東，劉世森等.鑄造廢砂的再利用[J].鑄造技術(shù)，2010（10）：1358－1360.

New Development of Research and Application on Foundry Used Sand Reclamation and Reuse Technology

LONG Wei，F(xiàn)AN ZiTian
（Huazhong Universityof Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

The research and application of foundry used sand reclamation and reuse technology in last 5 years have been summarized.The research of the reclamation and reuse technology of the foundry old sand of varieties with extensive use at present have been analyzed,resulting in that the necessary requirements for foundry industry in realization of green sustainability should be met by reclamation and reuse of the foundry old sand while the important trend of casting technological progress be in low cost and high efficient technology of reclamation and reuse.

Foundry used sand;Reclamation and reuse;Green casting;Sustainable development

TG231.5;

A；

1006－9658（2012）02－0001-5

國家自然科學(xué)基金資助項目（編號51075163）

2011－12－29

稿件編號：1200－001

龍威(1982－),男,博士后,研究方向：造型材料研究及其質(zhì)量控制