铸造废砂处理

关于湿型砂铸造工厂的废砂
湿型铸造生产中,生成需要扔掉的废砂包括粉尘是不可避免的;问题是废砂量有多少;从一个铸造工厂的原砂量包括混制型砂和砂芯砂时加入的原砂就能知道需扔掉多少废砂;因为进入工厂的砂量与排出废砂量是基本相等的;换句话说,向砂系统加入多少东西,就需要排出多少东西;排出废砂多,就必须多向砂中加材料;
国外的一些工业化国家中,很多铸造工厂近处堆积废砂的废料场地都已堆满,必须花费大量运输费用将废砂运送到远处;此外,不少国家的环保条例越来越严格;为了保护水源,对固体废弃物的成分有专门限制,废料场不但收费而且需上税;结果是扔掉一吨废砂比买进一吨新砂还贵的多;美国通用汽车公司在北美的铸造工厂每年购入原砂65万吨;原来所用的西密歇根沙丘已然枯竭;就近的废砂堆积场已满,必须将废砂运至远处抛弃,而且政府的法规使丢弃废砂的费用大大增高;买新砂价格每吨＄10～20,将废砂送至远处扔掉则需＄30～85;依里诺州1991年统计220家铸造厂一年生成废砂80万吨,其中％为湿型砂的废砂;州当局警告到1994年就没有抛弃废砂地可用;
我国目前的环保规定还比较宽松,对于远离大型城市的中小铸造厂可能暂时还没有遇到抛弃废砂的困难,而大型铸造工厂大多已经感到废砂场地不足的问题;因此也需要研究如何减少废砂的生成来源和如何减少废砂,如何利用废砂;
1 减少废砂的措施
减少废砂总的原则是拿旧砂当做宝贝,而不是垃圾;以下具体讨论废砂是怎样形成的,有何办法减少废砂：
⑴大砂块:用挤压造型等无箱型生产小件的铸造工厂,通常使用滚筒落砂机或滚筒落砂冷却机;砂型进入滚筒体内随筒体旋转到一定高度时,靠自重落到筒体下方,在相互间不断撞击和摩擦作用下,砂型与铸件分离并顺着螺旋片方向到达筒体栅格部分进行落砂;滚筒落砂机能够破碎砂块和砂团,即使型砂湿强度较高,砂型紧实度高,落砂后的旧砂都能够全部回用;这种滚筒落砂机外形比较大,国产8150型筒体长度12630mm,筒径φ2000mm和φ2600mm,生产率铸件5~6t/h,型砂25~30t/h;天津郊区一家用挤压造型生产冰箱压缩机铸件厂,考虑厂房面积限制,自制小型滚筒落砂机,直径约只φ800mm,长度约6000mm使用结果砂块不能破碎,只好拆除;
生产薄壁和中等大小铸件时,为了防止铸件损坏只能用惯性振动落砂机,或惯性振动输送落砂机;经常遇到的问题是砂块不能完全破碎,只要型砂强度稍高或紧实硬度稍大,就会出现大量砂块停留在落砂栅格上不肯通过而被扔掉;高宻度大砂型的边角未受到铁液的热作用更难破碎;北京某液压件铸造厂的高压线出现大量砂块随铸件被鳞板输送机运至清理工部,只好用工人推手推车运回,但仍然有一些旧砂块当做废砂被扔掉;应当在选用设备时选择栅格长和激振力强的落砂机,例如国产L254落砂机长度6160mm就比长度只3060~5082mm的砂子振碎通过栅格的机率更多些;即使如此,高强度高密度砂型落砂时,仍会有砂块跑掉;有人提出可以在落砂栅格上吊挂一些重型铁链,阻掉砂块向前自由运动;另一办法是在铸件尺寸精度允许条件下,尽量降低型砂湿压强度和紧实程度;湿压强度140~160kPa和砂型硬度85~90°能够浇注出好铸件,就不必将湿压强度提高到180~220kPa和砂型硬度达到95°;
⑵砂芯:很多工厂都要求将溃散砂芯做为废砂扔掉；未烧枯的砂芯头更认为有害之物,必须扔掉;因而打箱落砂时的砂芯成为废砂必然的组分;这是因为溃散砂芯的混入使型砂性能变散和脆;但是溃散砂芯还有优点：能够协助混砂加入的原砂来补充砂粒损失;对铸铁件来说,能够协助混砂加入的煤粉来使铸件表面光洁;为了解决溃散砂芯堆型砂性能的不利作用,可以采取的措施是：将混砂时间延长一些；稍微多加少许膨润土；加入少量α-淀粉;以上三个措施中任何一个都是有效的;至于砂芯头的利用也是可能的;如果将砂芯头破碎成散粒,也可以混制湿型砂;含有一些未烧掉的粘结剂也并不会形成气孔缺陷,通常树脂自硬砂的旧砂再生后灼减量允许不超过％,砂芯头的灼减量肯定低于这个数值;
近年来国外一些多砂芯铸造工厂采取将溃散砂芯和芯头再生处理后与原砂混合用于制芯;例如荷兰一家公司将未通过多角筛的砂芯团块用破碎机加工成散粒,配制冷芯盒砂芯中12％为破碎砂芯;近来德国有些人提出大批量生产汽车件等产品铸造厂可以采用分别落砂的办法：铸件冷却后敞开上型,取出带有砂芯的铸件单独落砂,所得砂子主要是已被烧枯的溃散砂芯和少量附着的型砂,可以用擦磨方法进行再生处理;然后与不超过20％的新原砂混合用来制芯,不必增加树脂加入量即可得到同样砂芯强度;留在砂箱中的砂子只含少量砂芯,经破碎、过筛后就可用于制备湿型砂;这样做的优点是不但
大大地减少新原砂消耗量和废砂丢弃量,而且可以减少溃碎砂芯对型砂性能的不利影响;虽然目前采用这种砂芯单独落砂方法的铸造工厂数量较少,对于多砂芯的铸造厂肯定是个发展方向;
⑶粘附在铸件上的砂子：在铸件表面上粘附的砂子需要抛砂清理才能掉下来,清理下来的砂子都是做为废砂扔掉;粘附砂子的原因可能是型砂粒度粗、浇注温度高、透气性高、砂型紧密程度不够,铁液钻入型砂颗粒之间的空隙中形成轻度的机械粘砂;也可能是由于铸铁型砂中有效煤粉量不足造成的;例如广东某冰箱压缩机厂的挤压造型铸件表面完全被砂子包裹,经过履带抛丸清理机后才露出完全不粘砂的表面;估计原因就是型砂中加入的煤粉量不够多;山东某厂生产出口汽车刹车鼓和刹车盘,使用内蒙原砂,但不加煤粉或仼何防粘砂材料,铸件表面有一层粘砂,靠抛丸清砂和全部表面机械加工;另外,河北某厂挤压造型的铸件表面平日没有不良现象,但有一次突然发生铸件表面被砂包裹,估计原因是所用膨润土活化过度引起热粘砂;总之,一般中小铸铁件的型砂中只要含有足够的有效煤粉,可以保证在铸件的绝大部分表面上没有粘砂;可能只是个别局部由于砂型紧密度不够,还有极少量粘砂;曾见到河南某厂手工造型生产约40～50kg中等铸铁件,落砂后只用钢丝刷清理就能使铸件露出光洁表面;估计该厂在型砂中加入了大量煤粉;有些湿型铸造工厂生产一、二百千克以上的大铸件,因铁液压头高而出现表面粘砂缺陷,下型表面粘砂可能性更大;可以在下型或整个砂型表面喷醇基涂料,点燃后即可合型浇注;但须汪意涂料是专用的,涂层强度需与砂型强度匹配,否则可能产生夹砂缺陷;
黄河沉积砂的SiO2含量较低,大约仅有81％左右,用来生产较薄中、小铸铁件通常并无粘砂缺陷;但是生产稍厚铸铁件或较高浇注温度时,铸件表面可能包覆着一层烧结砂,这是原砂熔点低造成的;但铸件表面并不形成牢固的机械粘砂,容易清理掉露出铸件;然而这层烧结砂层都做为废砂扔掉;山西某刹车鼓铸造工厂使用附近山砂,也是一种低SiO2含量原砂,废砂量占造型用砂量的20％以上,也遇到废砂堆积地不足的困难;因此,选择使用当地原砂生产厚大铸件时,应注意其SiO2含量和熔点;
⑷溢流旧砂：为了避免型砂中含泥量保持在一个适宜范围内,需要靠有效除尘系统适量降低泥分,更主要的是靠掺入新原砂和混入溃散芯砂来冲淡灰分和降低含泥量;如果铸造工厂装有除尘设备,生产的铸件无砂芯或只有少量砂芯,选用优质原砂、膨润土和煤粉为混制型砂原料,只需排出少量废砂就能使型砂系统达到良好的平衡状态;而有些中、小铸造工厂的旧砂含泥量很高,原砂、膨润土和煤粉的品质不好,又缺乏除尘设备,需用较多原砂对灰分进行冲淡;根据砂系统进入多少就必须排出多少的原则,需要排出废砂也多;要想减少排废砂量,应当改为选用低含泥量原砂,高粘结力高耐热性膨润土,低灰分高抗粘砂效果煤粉;经过一段时期后就能够将旧砂含泥量逐渐降下来;如果这些工厂的旧砂已然含泥分极多,即使新安装除尘系统也不能立即将泥分降到理想含量;改用优质原材料也不能立即见效;可能采取的办法是将一些旧砂进行再生处理,用气流再生或机械磨擦冲击再生方法,将旧砂的泥分含量降低,代替一部分新原砂用于冲淡型砂含泥量;但是再生处理又产生粉状废料,而这些粉状物中含有不少有效材科,扔掉也是相当可惜的;
生产发动机汽缸体类多砂芯的铸造工厂常遇到混入旧砂中的溃散砂芯多,逐渐积累致使砂系统容纳不下,为了平衡总砂量必需随时排掉一些旧砂成为废砂;所排旧砂多半是不易破碎的旧砂块,这些砂块都是远离铸件没受到高温加热的优良品质砂子,被扔掉确实可惜;国外有的工厂对旧砂进行较深化的再生处理,包括强力机械磨擦和高温煅烧,然后代替一部分原砂用于混制芯砂;不过比较理想的方案是将砂芯单独落砂,经加工处理后与新原砂掺在一起混制砂芯用砂;
⑸撒落地面的型砂和旧砂：有些工厂经常把型砂堆放在车间地上,任由脚随意践踏;有些砂子粘在鞋底带往车间各处甚至也带入办公室中,这些被践踏的型砂在打扫卫生时都会被扔掉而成废砂;也有些工厂的车间中遍地是浮砂,从不打扫卫生,在车间内行走有如趟土;还有的工厂,在地面上砂子长年积累,越踩越硬;例如安徽某阀门铸造厂的车间中,垫高的型砂至少有半尺多厚,运送砂芯的手推车没法通过;该厂某日决定全厂大清扫,货运汽车几次运送才将大量清出来的废砂运走;实际上这些废砂原来都是能够造型的型砂; 铸造工厂应当加强教育和管理,使操作工人认识到砂子来之不易,珍惜每一颗砂子,脚下不准许踩砂子;如果砂子仍然未干,可以填入砂箱当做背砂;假如砂子已失水干燥不能造型,应当将洒落砂子及时送进地下的回砂带式输送机,并将地面清扫干净;如果没有回砂皮带,就应当在工部各处放置盛砂的箱子,由叉车运到收纳旧砂的落砂机或斗式提升机,送入旧砂斗;
还有些洒落的砂子发生在运送型砂,捅箱,落砂,筛砂,冷却,回用砂砂运输,给料器,鳞板输送机……所有环节的地面、地坑、地下通道,输送器的接头处和尽端;都应该经常清扫和回收,不但避免砂子损失,而且有利于保持车间清洁卫生;曾见到我国有几家铸造工厂例如江苏有两家使用静压造型和挤压造型的日资铸造厂车间中极其清洁,地面上看不到砂子的痕迹;砂处理工部的楼梯和平台也同样干净;美国有一铸造工厂的砂处理工部的周围墙壁上安装有风吸送管道,有多处快速连通接头,用软管吸尘器将工部各处的洒落砂吸送至旧砂斗上的分离器;国内也有制造移动式工业除尘器的企业,可
以用来清扫车间中的洒落砂;有的工厂中工人习惯用压缩空气软管吹净浮砂,结果造成车间空气污浊,尘土搬家;
⑹除尘器的粉尘：落砂机、带式输送机、筛砂机、沸腾冷却机、斗式提升机、混砂机以及各种输送装置上面的除尘设备所收集到的尘土并非一律为应当排掉的废料;实际上其成分与旧砂中或型砂中的泥分类似,即含有灰分和有效膨润土及有效煤粉;干法除尘系统的终端是由旋风分离器和袋式除尘器组成;旋风分离器可以将有一些被吸物料中的细砂粒70目及更细砂粒分离并缷出;有些工厂尤其是多砂芯铸造工厂将分离出的细砂粒全部送入旧砂回用系统,能够防止型砂粒度粗化和透气性偏高,并能使铸件表面光洁;袋式除尘器可将细粉从气流中分离;所含细粉中含有的有效物料可能在30～50％之间;有的工厂也将袋式除尘器的粉料部分地回用;因为可以节省膨润土和煤粉加入量,降低型砂对水的敏感性,同时也减少废砂排出量;工厂应当检验各除尘器分离下的粉料中含有多少有效膨润土和煤粉,根据型砂和旧砂的泥分含量,决定选用哪个除尘器的分离物料和采用多少;
⑺清扫垃圾：在有些铸造工厂中,纸屑、木棍、烟头等垃圾任意抛到造型工部的砂堆上,准备与砂子一起清扫掉;曾见到江苏某柴油机厂气冲造型线的下芯工人口叼烟卷干活;地面上有一个小砂堆,可以见到上面有很多烟头等杂物;有的铸造工厂中在夏季为了防暑降温,发给工人盐汽水、冰棍等保健饮料;汽水瓶盖,木棍、包装纸大多顺手扔入地面砂堆,也使这一堆砂不能回用;实际上从地面清铲集中起来的砂堆完全可以回收利用,将各种垃圾掺入后只好当做废砂扔掉;应当教育全体员工爱惜砂子,不准随便糟蹋;应在各班组工作地设有存放垃圾的筒,只能把没有用的东西丢到垃圾桶中;天津有一台资铸造工厂规定进入工厂门口后一律禁止吸烟;如果发现工厂地上有烟头就要追查工长责仼;有的工厂在厂房角落处设一间封闭的吸烟室,专供饭后休息时进入吸烟;平时职工都忙于工作也没空闲时间吸烟,不仅防止烟头乱丢,混入砂子,也有利于身体健康;落到地面的型砂不要与熔化工部的炉渣掺混,冲天炉的炉渣粒化后可以用做为建筑材料;也不要与浇注工部的地面圾垃掺混,其中有很多铁粒也可回收;否则撒落地面的砂子只能扔掉;
2 废砂的利用
即使采用以上种种措施减少废砂的生成量,仍然不可能消除废砂;目前国外较多采用的办法是将铸造工厂确实难以使用的废砂和粉尘加以利用;虽然美国依利诺州年生成废砂80万吨,而该州建设市场需2400万吨砂子用于建筑和铺路材料,足以容纳铸造工厂的废砂;以下举例说明废砂的利用：
⑴生产水泥：美国纽约州生产可锻铸铁件的Frazer & Jones Co. 与一家水泥生产厂建立关系,将100％废砂生产水泥;水泥要求的SiO2,氧化铁,Al2O3在型砂中都有,所含碳分可以烧掉;要求废砂的SiO2含量大于80％,含碱量在低限,粒度均匀,材料量大;废砂中的氧化铁和铁粉抛砂形成的无防碍;但不可有金属块,否则会破坏窑炉和堵塞磨粉机;该厂1994年运送废砂万吨到加拿大安达略省水泥厂,成功地制成低碱性硅酸盐水泥;
⑵混制混凝土：美国纽约州PohlmanFoundry将废砂筛除大砂块、芯头、芯铁后堆放至建设高峯时期,满足混凝土的混合需要;州环保部门化验结果证明掺有废砂的混凝土对人体健康无负作用;
⑶制砖： Cherokee Environmental Group是美国最大的制砖公司,原来主要原料为粘土和页岩;使用废砂制砖时,载重车或船将废砂运送到制砖厂;将废砂过筛,去除金属废料和杂质;也可以掺入页岩粉,在机器中与熔剂和水混合,然后挤出切块;进入连续烘干炉127℃和煅烧炉589℃;烘干和煅烧共约30h 后制成建筑用砖;
⑷修路沥青：通常在修路用的热熔沥青中加入了约50％的天然骨料,可以用废砂代替15～20％的天然骨料;但是要求将废砂烘干,烧掉残留的煤粉和有机物;
⑸其它：废砂可以制成岩棉,用于管道保温;
在我国,湿型废砂还有一些用途;乡镇小铸造工厂将大铸造工厂丢弃的废砂拉去造型使用;废砂中含有足够的膨润土和煤粉,只需洒水过筛就成为极好的型砂;另外,在南方农村修盖房屋也喜欢从铸造工厂拉去废砂作为建筑材料;
我国有人进行湿型旧砂再生技术的研究,以及旧砂再生设备的研制;目的是尽量将旧砂的泥分去掉,用来代替一部分新砂用于混制湿型砂;虽然再生处理旧砂可以减少一些废砂生成量,但是至今很少有人注意到如何利用废砂;长春一汽铸造公司2005年1月建成废砂再生线,先加热到700℃以上烧去有机物,再打磨砂粒去除表面烧结膜;每年可处理6000吨废砂;主要用于混制壳芯砂,再生后含泥量≤%,覆膜砂强度提高10以上;但再生砂的耗酸量高达20mL以上按标准应≤5mL,难以制热芯盒和冷芯盒砂芯;笔者估计其原因是我国铸造工厂的湿型砂粘结剂为活化膨润土,膨润土中加入了3~4%的Na2CO3;砂粒外残留黏土
膜受高温焙烧后,其中被置掉出来的CaCO3和尚未起置换反应而残留的Na2CO3变成为CaO和Na2O;遇到水会成为CaOH2和NaOH,都具有极强的碱者,不利于冷、热芯盒砂的固化;而美国铸造工厂混砂所用天然钠土,一般碳酸盐含量不超过%,焙烧废砂不会呈现强碱性;一汽每年废砂排放量近10万吨,能用于制壳芯用量很少,因而将废砂与粒化废炉渣加水泥等材料适当处理并施加高压制成铺路砖;制品坚硬耐磨,生产成本低,而且解决堆放场地不足,粉尘污染,还可固结砂中有害物质;东风汽车公司采取低温焙烧后再用高速旋转式机械再生机处理,耗酸值只有～;用于制热芯盒、冷芯盒和覆膜砂砂芯,性能与用新原砂制芯相近,有的甚至高于新原砂制芯的性能;。