汪華方 徐雨哲 盧記軍

摘 要：水玻璃砂在綠色鑄造領域有著非常廣泛的應用，但舊砂再生難題長期困擾著鑄造與環(huán)保工作者。針對這一問題，國內外學者先后提出了干法再生、濕法再生、加熱干法再生、化學再生、生物再生等水玻璃再生方法。對現有的幾種典型的水玻璃再生方法的原理及其設備進行了詳細的闡述，分析了各類再生方法的優(yōu)缺點，介紹了課題組開發(fā)的一系列水玻璃舊砂再生設備，認為未來水玻璃舊砂生物再生將重點研究綠色高效的水玻璃舊砂促溶劑以及再生設備的開發(fā)。

關鍵詞：鑄造工藝與設備；水玻璃舊砂；再生方法；再生設備；綠色鑄造

中圖分類號：TG233 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）03-0232-06

鑄造可以分為砂型鑄造和特種鑄造兩大種類，其中砂型鑄造產量為80%～90%[1-3]。砂型鑄造可以分為黏土砂型鑄造、水玻璃砂型鑄造和樹脂砂型鑄造，其中水玻璃砂型鑄造較其他鑄造方法更具有環(huán)境友好性，因此，被普遍認為是最有可能實現綠色鑄造的工藝[4-8]。

水玻璃砂工藝自20世紀60年代傳入中國后，得到了廣泛的應用。水玻璃砂型鑄造工藝優(yōu)點頗多，具備價格便宜、流動性好、硬化快，型（芯）的尺寸精度高等特點，同時在使用過程中也無黑色污染產生[9-10]。然而，水玻璃砂型鑄造工藝也存在著難以解決的問題，如潰散性差，落砂異常困難，再生回用率低等。廢砂的隨意丟棄對環(huán)境造成了非常嚴重的污染，如果能夠實現水玻璃重復利用且不再產生二次污染物，那么該工藝將會實現清潔和無公害生產，所以舊砂再生從初始就被認為是水玻璃工藝應解決的重要問題。進入21世紀后，大量新型裝備和工藝的出現基本解決了水玻璃的潰散性問題。舊砂再生作為鑄造學術界的多年難題，依然是水玻璃砂型鑄造工藝的研究重點，也是阻礙實現綠色鑄造的關鍵問題。

1 水玻璃舊砂再生方法的分類及優(yōu)缺點

常用的水玻璃舊砂再生方法主要包括干法、濕法、加熱干法、化學法、生物法等，它們的原理和優(yōu)缺點如表1所示，在此基礎上還可組成“干法-濕法”、“濕法-化學法”等多種再生方法與技術[11]。

加熱干法再生和濕法再生的使用最為普遍。加熱干法再生：舊砂和金屬構件或砂?；ハ唷芭鲎材Σ痢?，從而使舊砂表面的殘留黏結劑發(fā)生破壞、脫落，進而使舊砂再生[12]；由于在再生過程中有大量堿性粉塵產生，所以除塵成為再生過程中必不可少的環(huán)節(jié)，所得到的再生砂質量并不高。濕法再生：將舊砂放入水中溶解，同時不斷攪拌舊砂與水的混合物，從而除去舊砂表面的殘留黏結劑，在此過程中，會產生二次污染（污水、污泥），這時需要進行化學反應對二次污染物進行處理。由于這2種再生方法存在砂粒（或砂水）之間及砂粒與設備之間的機械作用，因此再生時會改變再生砂的表面組分、圓整度和級配等特性，而且能耗很大，副產物的二次污染比較嚴重。

脫膜率是評價再生砂性能的主要指標，

而殘留Na2O含量是計算再生砂脫膜率的重要參數之一，若水玻璃舊砂中殘留Na2O含量過高，脫膜率過低，極易造成Na2O的大量積累，而導致型砂的耐火度變差，其使用性能受到嚴重影響[13-15]。

2 典型水玻璃舊砂再生工藝

2.1 干法再生

水玻璃舊砂干法再生工藝的步驟：1）預再生；2）再生；3）除塵。其中預再生由振動落砂機完成，再生有多種方式，常用的方式有：1）機械離心方式；2）氣流撞擊方式；3）立式逆流摩擦方式。抽風除塵在干法再生過程中是必不可少的環(huán)節(jié)，目的是去除粒徑為106 μm（約150目）以下的顆粒。

圖1為樊自田等[16]開發(fā)的一種舊砂干法再生機。它由2部分組成（彈簧上的筒體和振動電機），加砂口位于筒體的上方、篩板被裝在筒體內下部，筒體橫截面形狀為正多邊形，筒體中軸安設貫穿篩板的抽風管，筒體底部連通風選漏斗，振動電機2臺，以筒體中軸對稱安裝于筒體外表面。

圖2為周錦照[17]開發(fā)的一種螺旋振動式全能再生機。其特征是在裝有2臺交叉對稱的振動電動機的機體外筒（3）內，設有內筒（5）、螺旋輸送槽（6）、篩網（7）、出料槽（8）、風選罩（10）和抽風管（9），全部支撐于緩沖器（2）之上。螺旋振動作用由2臺振動電機激振產生，通過振動、碰撞和摩擦使砂粒表面殘留的黏結劑膜反復磨損從而達到再生，再經過一些輔助步驟后，便可取代原砂回用于生產。

2.2 濕法再生

濕法再生工藝具有擦洗效率及Na2O去除率高、耗水量小、磨損件少、再生砂質量好等優(yōu)點。對水玻璃舊砂進行再生處理時需按照如下步驟操作：1）磁選；2）粉碎；3）過篩；4）二次磁選；5）浸泡在10倍左右的稀堿水中；6）利用設備進行攪拌；7）過濾、淋洗；8）甩干、烘干；9）冷卻。

圖3介紹了樊自田等[18]開發(fā)的鑄造間歇式舊砂濕法再生的設備。此工藝及配套設備適用于黏土、水玻璃和堿酚醛樹脂等舊砂，具體步驟如下：1）一次擦洗。按質量比1∶0.5～1∶3，將舊砂與清水分別加入擦洗筒內進行攪拌，攪拌時間為30～300 s，然后將擦洗筒內的污水排出；2）二次擦洗。繼續(xù)將清水注入擦洗筒，擦洗筒內的清水與舊砂的質量比仍按照步驟1）配備，注入清水后對擦洗筒內的清水與舊砂進行攪拌，時間為30～300 s，然后將擦洗筒內的污水排出；當砂樣表現為堿性時，攪拌的同時加入硫酸或者鹽酸，當使用硫酸時，1 kg舊砂使用0.15～0.25 mL硫酸（硫酸的質量分數為98.3%）；當使用鹽酸時，1 kg舊砂加入0.8～1.5 mL鹽酸（鹽酸的質量分數為37.5%）；3）三次擦洗。再次將清水注入擦洗筒內，此時清水與擦洗筒舊砂質量比為1∶3～1∶0.5，再次進行攪拌，此時攪拌時間依然為30～300 s，然后將筒內的舊砂與污水排入分離設備，達到分離效果；4）檢驗。將得到的濕砂經脫水、烘干后，檢驗其質量是否符合要求，如符合要求則結束，不符合則轉步驟2）。

2.3 加熱干法再生

加熱干法再生工藝的主要步驟：1）破碎；2）磁選；3）焙燒；4）再生機；5）風選；6）沸騰冷卻去灰。其中焙燒爐溫度在350 ℃以上，再生機為雙極磨盤。另外，在此過程中，有4個值得注意的問題：1）加熱溫度必須在350 ℃以上；2）舊砂焙燒過后應該立即進行再生，這樣效果比較好，否則水玻璃膜冷卻后可能會產生回韌現象，使脫膜難度增大；3）高效的冷卻設備在再生過程中也是必不可少的；4）二級磁選應該選擇在常溫進行。

圖4是孫清洲等[19]開發(fā)的一種舊砂再生加熱爐。該加熱爐包含帶有進砂口和出砂口的爐體，爐體內有多層隔板，每層隔板上都設計有漏砂孔，同時相鄰隔板上漏砂孔是錯位的，當隔板上的非通孔位置砂子不斷累積時，會形成許多砂堆，同時沿著砂堆滑落并通過漏砂孔下落到下一層，同理砂子會下落到最底層，可通過底層砂口排出。同時在下落過程中砂子被不斷加熱，這是因為特殊的爐膛結構保證了足夠的熱交換面積、行程和時間。二次回煙補風裝置的設計思路獨特、新穎，既保證了燃燒空氣的需要量又利用了部分余熱，節(jié)省能耗[20]。

2.4 化學法再生

化學再生法使用并不廣泛，該方法不需要特定的設備。具體的操作方法：加入NaOH水溶液，使高模數水玻璃溶于水且使其模數降低，并使新、舊水玻璃反應后的“模數-濃度”低于臨界值，從而保證有充足的時間進行混砂及造型。型砂的分析和檢測在化學再生工藝中是非常有必要的。首先舊砂中的殘留 Na2O的總量應該被控制，然后測得再生殘留 Na2O的含量和含水率，最后計算出新加入的水玻璃模數和濃度，控制新、舊水玻璃反應后的“模數-濃度”在臨界值以下。

水玻璃舊砂的化學再生法應該與物理（干法）再生法一起使用，不僅可避免Na2O的無限積累，也降低了對再生砂Na2O去除率的要求。

3 新型水玻璃舊砂再生工藝

綜上所述，現有的4種典型水玻璃舊砂再生工藝各有難以解決的缺陷，有的再生質量較差，有的存在二次污染，有的能耗大，開發(fā)一種新型的能耗低、無污染且高效的舊砂再生工藝成為研究熱點。

本課題組開展的水玻璃舊砂的再生研究主要為生物法再生，采用硅藻培養(yǎng)基浸泡水玻璃舊砂以獲得硅藻賴以生存的“緩釋型硅源”和其他營養(yǎng)水體，依靠太陽光能源，使硅藻在適宜的水文、微量元素營養(yǎng)和外加電磁場等條件下大量繁殖直至發(fā)生“人工水華”，硅藻水華及其產生的活性物質加速了舊砂表面水玻璃“硅源”的溶解、脫膜，從而實現舊砂生物再生。而體內固定了大量水玻璃的硅藻水華能通過資源化處理，再生成為工業(yè)原料。

為此，課題組開發(fā)了一系列的設備，具體如下。

1）水玻璃鑄造舊砂生物再生系統(tǒng)由增氧機、培養(yǎng)箱、籠型過濾器、熱泵等組成（如圖5所示）。再生時，首先在上層清液中設置一個籠型過濾器，將星桿藻、直鏈藻、舟形藻、針桿藻、小環(huán)藻、冠盤藻、曲殼藻、圓篩藻、骨條藻等組成的微藻群落投放在上述籠型過濾器中，將上述含微藻群落、籠型過濾器、培養(yǎng)基和水玻璃舊砂的培養(yǎng)箱放置于太陽光下，水體中放入增氧機（1）使水體產生流動，春、夏、秋季時水體溫度一般保持在5 ℃以上，可以不加熱，在上述條件下進行大規(guī)模的微藻培養(yǎng)，待水玻璃舊砂的脫膜率超過95%時，停止培養(yǎng)，取出籠型過濾器，下層水玻璃砂干燥后即得生物再生砂。

2）水玻璃鑄造舊砂原位再生設備由進水管、取樣管道、塑料膜、排水管道、排灌及加熱系統(tǒng)等組成（如圖6所示），其再生過程為①取舊砂原堆積地的舊砂作為底泥構建池塘；②池塘中心區(qū)域預埋一根塑料管用于舊砂脫膜率測試取樣；③舊砂上表面、池壁鋪一層塑料膜，預埋管外壁與塑料膜通過防水膠無縫結合，靠近池壁部分的塑料膜上用細針扎出直徑為0.01～1 mm的孔洞；④向塑料膜組成的培養(yǎng)池中注入地下水，通過孔洞將舊砂浸泡起來，并投入氮、磷、鉀等營養(yǎng)鹽；⑤將微藻群落投放到塑料膜池塘內，并大規(guī)模培養(yǎng)微藻；⑥舊砂脫膜率、水體pH值達標后停止培養(yǎng)；⑦排出培養(yǎng)池內的水，剩余的再生砂和微藻可用作餌料、硅肥等。

3）水玻璃鑄造舊砂再生生物反應器由光源收集發(fā)散系統(tǒng)（凹面聚光鏡、光纖、導光板）、單片機自動控制系統(tǒng)、藻類分散器和收集器等組成（如圖7所示），可實現溫度、水位的監(jiān)測與控制，以及溶液pH值、光照強度的監(jiān)測和微藻收集等功能。

采用Pt100鉑熱敏電阻溫度傳感器（8）實時監(jiān)測培養(yǎng)液溫度，將采集到的溫度信號放大處理后通過數據傳輸線（1）發(fā)送到控制器，控制器將得到的信號處理后，將溫度數據顯示于數據顯示器（2）；同時，當培養(yǎng)液溫度低于或高于程序設定的溫度值時，通過控制加熱裝置（14）使溫度恢復于設定范圍；液位傳感器（9）將實時監(jiān)測水位數據，并將其傳入控制器，數據經處理后，水位數據被顯示于數據顯示器（2）上，同時，當箱體內水位偏離設定值時，通過控制進/出水水泵（18）工作，使水位恢復至設定值；自然光通過太陽追光器（7）并由光導纖維傳輸至導光分散柱（13），箱體內有光照傳感器（15）實時監(jiān)測反應器內的光照強度，同時光照強度值會顯示于數據顯示器（2）上。當箱體內發(fā)生微藻水華時，通過控制抽藻電機（17）工作，將箱體內的微藻與培養(yǎng)液導入微藻存儲箱（20），將微藻打撈分離制成魚類餌料、硅肥、硅藻泥，且箱體內的培養(yǎng)液可以重復利用培養(yǎng)微藻，節(jié)約了水資源。

4 結 語

目前，水玻璃舊砂再生的幾種主要方法各有優(yōu)劣：1）水玻璃舊砂干法再生的主要缺點是殘留Na2O去除率低，雖然通常使用延長再生加工時間來提高Na2O的去除率，然而這種做法可能造成砂粒的粉化和破碎；2）濕法再生所需設備龐大，且會產生二次污染；3）加熱干法再生極其耗能，且舊砂加熱過后需要設備進行冷卻；4）化學法再生在實際使用過程中，對有害和無害的Na2O尚無方法有效區(qū)分，重復使用會造成更加嚴重的Na2O累積。

對于本課題組所研究的生物再生法，雖然具備能耗低、無污染的優(yōu)點，但是由于水玻璃舊砂表面的黏結膜不易溶于水，因此需要在培養(yǎng)箱內反復培養(yǎng)微藻消耗水玻璃，以實現水玻璃舊砂脫膜率達到要求，導致了水玻璃舊砂回用時間過長；另外，硅藻的繁殖受環(huán)境影響極大，在自然生長條件下，硅藻很難發(fā)生水華，無法達到對大量水玻璃進行再生的目的。基于以上2點，建議：1）研究水玻璃舊砂溶液促溶劑，加大水玻璃舊砂表面黏結膜在水中的溶解度；2）研究與開發(fā)水玻璃舊砂生物再生設備，通過控制硅藻的生存環(huán)境來實現硅藻的大量繁殖。

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