铸造废砂的再生利用技术与装备

铸造废砂的再生利用技术与装备
熊鹰
（重庆长江造型材料（集团）有限公司）
1 重庆长江造型材料（集团）有限公司简介
重庆长江造型材料（集团）有限公司成立于1993年，是目前国内最大的专业生产覆膜砂、铸造辅料和铸造废旧砂再生处理的创新型高新技术企业。

在重庆北碚、湖北十堰、湖北仙桃、江苏昆山、四川成都、山东济南、云南昆明、内蒙通辽等地建有生产基地，现拥有近40条具有国际先进水平、电脑控制的全自动化覆膜砂生产线和铸造废旧砂再生生产线，年生产铸造用原砂、覆膜砂和再生铸造废旧砂的能力已超过每年80万吨，2010年销售总收入达到4.5亿元。

我公司2001年通过IS09001:2000质量体系认证，是重庆市第一批循环经济试点企业，重庆市第一批高新技术企业及国家节能环保创新企业，并于2010年被中国铸造协会授予“铸造废弃物资源化试点基地”称号。

重庆长江造型材料（集团）有限公司从事铸造废旧砂再生回用的循环新技术已有10多年的历史。

铸造废旧砂循环再生，既解决了废旧砂中各种有毒有害物质及重金属对土地、水资源的污染，又可使排放的废砂得到再生回用，对于铸造行业实现“减量化、再利用、再循环”的三大原则的循环经济具有重要的作用。

长江造型研发的CZS系列铸造废旧砂再生技术和设备在国内领先，达国际先进水平，具有自主知识产权，性能稳定可靠，国家铸造行业生产力促进中心于2007年已发文向全国铸造行业推广应用该技术。

近两年，也得到了全国很多地方政府、工业园区及许多大型铸造企业的积极合作，同时，帮助铸造企业解决倾倒铸造废旧砂的问题，进一步降低铸件生产成本和提高铸件质量上取得了较好的效果。

上图为重庆北碚基地
二、铸造废砂种类与再生技术及装备
1、铸造废砂种类
我国是一个铸造大国，2009年铸件的年产量为3530万吨，已连续九年产量居世界第一，并每年呈
上升的趋势。

由于砂型铸造具有生产率高，成本低，灵活性大，适应面广等诸多优点，它在铸造生产中的应用十分广泛，约占铸件总产量的80%以上。

其中70&以上的铸件的铸型采用湿型粘土砂，15%以上采用树脂砂和水玻璃砂；而80%以上砂芯采用树脂砂，包括热芯盒、覆膜砂和冷芯盒等工艺。

随着铸件结构的复杂化和精确化，砂芯用树脂砂而砂型用粘土砂的铸造工艺得到了广泛的应用，特别是在汽车和柴油机行业生产复杂的缸体和缸盖等铸件。

由两种不同粘结剂的单一砂混合而成的混合旧砂的数量也不断增长。

因为，混合旧砂的再生回用，比只有一种粘结剂的单一废砂的情形要复杂得多，所以，从旧砂再生的角度来看，可将铸造废砂分为如下的两大类。

（1）单一铸造废砂（粘土湿型砂、树脂自硬砂、自硬砂） 单一铸造废砂是以一种粘结剂的型砂的造型工艺产生的废砂，如水玻璃和碱性树脂自硬砂、冷芯盒组芯树脂砂、壳型覆膜砂等，可选用热法、或机械法进行再生回用。

（2）混合铸造废砂
混合铸造废砂是几种粘结剂的型砂的造型工艺产生的混合废砂，如湿型粘土砂型和有机砂芯、或水玻璃砂型和树脂砂芯等产生的混合废砂，可选用热法+机械法进行再生 2、铸造废砂的再生技术及装备
（1）现有铸造废砂的再生技术
我国旧砂再生技术起步较晚，50年代后期才开始气流及湿法再生，到了60年代，出现了水浴清砂及水瀑清砂，湿法再生工艺发展很快。

同时干法再生也开始应用于生产，但总体来说，湿法再生在推广，干法再生仅只是起步。

到80年代，随着树脂砂工艺的推广应用，不少国外先进技术和设备的引进，旧砂干法再生技术开始得到了迅速的发展。

特别是到80年代后期，热法和机械法+热法组合法等再生工艺相继出现，降低了再生砂的发气量，改善了它的表面状态和提高了其再生效率综合性能，有利的拓宽和互补了单独再生方法的不足，已成为混合铸造废砂再生的重要方法之一而得到了广泛的应用。

（2）铸造废砂的再生流程及其装备 ◆ 铸造废砂的再生工艺流程：
◆ 主要技术装备及其特点
ⅰ、集中破碎站：破碎高效易控、废砂不落地、扬尘控制、均匀送料、去除金属。

ⅱ、焙烧炉及控制：节能高效、远程在线监控 ⅲ、机械处理：一级或多级处理 ◆ 辅助装备技术及特点
ⅰ、粉尘控制及回收利用：废砂陶粒等
ⅱ、再生过程废气控制与处理
三、铸造再生砂的特点及工程应用
1、旧砂再生的特点及其国标的制定
混合铸造废砂是由几种粘结剂的型砂的造型工艺产生的混合废砂，例如，粘土湿砂型+树脂砂芯组
成的混合铸造废砂，经分析测定后发现，这种旧砂的残留粘结剂膜均是树脂旧砂为基底，外面包覆一层
粘土膜。

造型用的粘土旧砂的粘土膜较芯砂用的树脂旧砂的粘土膜厚。

同时，作为基底的树脂旧砂表面
的组成特征为：表面局部含有残留树脂膜的砂粒占绝大部分，表面完全没有树脂膜的砂粒占少数，表面
既有残留树脂膜又有“鱼卵石”化的死粘土膜的砂粒也占少数，没有发现表面完全覆盖树脂膜的砂粒，而
外层的粘土膜包括有效粘土、失效粘土、残留的煤粉以及灰分。

由此可知，混合旧砂的表面形貌是：大
多数砂粒表面完全覆盖粘土膜，少量砂粒表面裸露出残留树脂膜。

而且，在基底砂粒中，残留树脂膜多
为黑色或深褐色，且多存在于砂粒的凹面处。

目前，重庆长江造型材料（集团）有限公司根据铸造混合废砂的结构组成的特点，已生产了如下铸
造废砂再生线系列：1t/h，2 t/h，3 t/h，5 t/h，8 t/h和12 t/h，正在开发25 t/h，经过再生处理后再生砂
的性能见表1和表2。

表1 热法再生对再生砂性能的影响
工序集中率变化值 PH值变化率酸耗值变化率灼减变化率
再生前— — — — 焙烧处理后≤1％降低40～60％降低25～40％降低95％以上
表2 机械再生对再生砂性能的影响
工序 AFS变化值 PH值酸耗值灼减值
再生前— — — — 机械处理后≤1.50 ≤7 ≤5 ≤0.10
铸造废砂经初和精处理后再生砂的粒形和粒度分布的变化：
初处理后，可降低角型系数10%左右，粒度分布变宽，三筛集中率分布值出现均化现象；
精处理后，可提高砂的流动性0.2～0.5%，可调整集中率分布，使三筛集中率的分布向粒度号大的
方向改变。

下表为长江造型材料（集团）有限公司再生砂的技术质量指标。

测试项目灼减（%）角型系数含泥量（%）PH值水分（%）PH=7时耗酸
值
≤ 0.08 ≤ 1.15 ≤0.2 6.5～7.30 ≤ 0.1 ≤ 5.0 长江再生砂
主要粒度组成部分三筛不小于75%，四筛不小于85%
2、再生砂的工程应用
（1）再生砂的技术指标及标准
铸造再生砂的国家技术标准由长江集团公司起草，已通过专家审定和上报并待国家颁布实施。

铸造再生砂标准中规定的主要技术指标：
—化学成分：按再生前砂系硅含量为基础确定
—酸耗值：中和50±0.01g再生硅砂中碱性物质所消耗的0.1mol/L盐酸溶液的毫升数
—角型系数：角形系数是铸造用再生硅砂的实际比表面积与理论比表面积的比值，用来反映铸造用再生硅砂的颗粒形貌
—含泥量：再生硅砂中粒径小于0.02mm的颗粒部分称为泥分，其含量以占砂样总重的百分数称为含泥量
—平均细度：反映某一种铸造用再生硅砂平均颗粒尺寸的参数
—灼烧减量：经105－110℃烘干，排除游离水的砂样在1000～1050℃烧灼至恒重时的失重占烘干砂样总质量的百分率
—鲕化率：鲕化率是指形成鲕化层部分的质量占再生砂质量的百分率
—微粉含量：砂中粒径为0.02-0.075（－200目）mm颗粒的质量占砂样总质量的百分比
（2）碱性酚醛树脂废砂的再生及其应用
碱性酚醛树脂旧砂中，除了含有残留的酚醛树脂和有机酯等有机成分外，还含有大量的如下一种或多种残留碱性无机化合物成分：硅酸钾、硅酸钠、碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、醋酸钾和醋酸钠等。

再将含有这种残留碱性无机化合物成分的再生砂进行造型制芯，在浇注过程中其无机碱性粘结剂的残留成分不能燃烧，一般导致旧砂的再生率很低，再生砂能降低型砂的可使用时间、强度和铸件的表面质量（气孔和粘砂等缺陷）。

下表是使用长江造型集团公司的再生技术和装备再生后酯硬化碱性酚醛树脂再生砂测试结果的对比。

砂种碱酚醛树脂加入量
（占砂量）
固化剂加入量
（占树脂量）
24h时抗拉强度
（MPa）
新原砂 2 % 25% 0.73
该企业自己再生后的砂 2 % 25% 0.46
长江再生后的再生砂 2 % 25% 0.81
从上表的数据看出，采用长江造型集团公司的再生技术和装备再生后的硬化碱性酚醛树脂再生砂的抗拉强度明显高于新砂的强度，这对于铸造企业降低生产成本和节省新砂用量具有很大的优越性。

下表为碱性酚醛树脂废砂再生前后的性能变化。

粒度粒度AFS 集中率名称
20 30 40 50 70 100 140 200 260 底盘
碱酚醛废砂9.2 21.1 39.2 19.2 6.9 3 0.4 0.5 40/70
43.09 79.5
碱酚醛再生砂 7.50 18.40 27.50 24.40 12.60 8.90 0.80 70/40
49.01 70.30
名称 pH值耗酸值ml/50g(ph7) 酌减% 水分%
碱酚醛废砂10.51 21.01 1.93 0.6 碱酚醛再生砂9.68 8.08 0.06
0.00
上图是采用碱性酚醛树脂再生砂浇注的大型铸钢件，从铸件的照片看出，铸件表面光洁无粘砂和气孔等常出现的铸造缺陷。

（3）粘土湿型混合废砂的再生及其应用
粘土湿型砂在我国铸造业中仍占有非常重要的地位，一直是砂型铸造中的主要造型方法，占所有铸件产量的70%以上.特别是近年来为了满足高效率、高精度、薄壁复杂铸件的需要，高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等高密度湿型砂造型工艺的出现,和热芯盒、覆膜砂和冷芯盒等树脂砂芯的应用，使粘土湿型砂的应用前景更加广阔。

然而，经过反复高温铁液热冲击的粘土砂，其砂粒表面上的粘土膜会变性而成为死粘土，失去粘结能力，有的甚至烧结在砂粒表面，降低湿型砂的工艺性能。

为此，一般是靠定量的加入新砂，并同时淘汰旧砂的办法来改善型砂的性能，可是，大量的排放旧砂必然会造成资源的浪费和环境的污染。

特别是近年来，各种树脂芯砂在湿型砂中的广泛应用，为一些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，下图为粘土混合旧砂的放大示意图。

由图可看出，单一旧砂和混合旧砂的成分结构完全不一样。

在多次重复使用的单一粘土砂中，砂粒表面会覆盖有一层由于浇注时粘土膜被高温烧结的死粘土膜，即鲕化层，而在这层外面再覆盖有一层粘土膜，见下图a。

在混合旧砂时均是树脂旧砂为基底，外面包覆一层粘土膜，见下图b。

由于反复循环使用，势必使粘土旧砂中树脂芯砂的含量增加，导致型砂质量的严重下降。

（a）（b）
混合旧砂表面上残留粘结剂分布示意图
再生处理是提高铸造废砂工艺性能的有效办法。

一般粘土混合旧砂的再生方法均采用热法+多级机械法，即将旧砂加热到高温脆化温度（约700℃）。

之后，将经高温脆化的粘土旧砂进行多级檫磨处理，最后，在负压流化床中进行风选以去除再生砂中的泥分等杂物。

下表为采用长江造型材料公司再生方法与设备再生的郑庵旧砂和新砂的性能对比数据。

从表中的数据可知，除了酸耗值偏高外，再生砂的抗拉强度和灼减量都明显优于新砂的。

名称酸耗值(ml) 灼减量（﹪）单质铁含量（﹪）即时抗拉强度
(MPa)
24h抗拉强度
(MPa)
郑庵新砂7.98 1.1 / 0.67 1.23 再生砂8.86 0.34 0.34 0.58 1.34 下表为中国重汽的粘土混合旧砂的再生砂的性能。

品种 pH值耗酸值(ph7)
ml/50g
灼减量% 水分% 比重g/cm3
流动性
s/250g
济南重汽
混合再生砂
7.19 3.75 0.13 0.02 1.49 14.23
粒度及其分布粒度集中率AFS
20 30 40 50 70 100 140 200 260 底盘
0.3 7.8 52.6 24.5 11.6 3 0.1 50/100 88.7 47
上图济南重汽潮模再生砂40倍1显微形貌
四、无废化再生技术的开发与发展展望
1、再生过程的废弃物特性
在旧砂再生过程中有少量的硅砂被粉碎和包覆在砂粒表面上残留粘结剂、添加剂等，都将以细粉或
超细粉的形式被分离出来，一般再生1t旧砂约有10%的防尘被排放出来。

这种细小防尘具有如下特性：
成分复杂，含有有毒有害的元素（处含si、Al外，还含有重金属和有机物），颗粒细小吸附力强（大多
数在70微米以下，还有小于10微米的超微粉）。

一般铸造企业都将其排放掉。

但长江公司则将以收集
和利用，实现无废化的旧砂再生工艺，下表为废砂防尘的粒度分析和主要化学成分的分析结果。

粒度分析
目数70 100 140 200 270 底盘集中率（%）
重量% 0.1 0.5 11.4 25.2 31.1 31.7 88
粉尘组分及相关分析
组分分析SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O S
重量比% 70.86 4.29 15.71 1.63 2.81 2.19 2.19
0.32
灼减量% 5.99
2、废弃物无废化的工程应用
◆将废砂粉尘制成高强轻集料，其主要性能如下：
检测值国标值
表观密度 1.26g/cm3 —
堆积密度0.82g/cm30.6～0.9g/cm3
吸水率3% 8～15%
抗压强度 6.53MPa 4.0～6.5MPa 其产品的性能已达到国标GB/T 17431.1 – 1998中高强轻集料的标准。

◆在建筑材料上的应用。

制成特种砂浆，其抗压强度大于国标M5 3倍以上。

3、无废化再生技术展望
环境与资源是当今世界的两个重大课题。

如何保护环境、节约资源是目前各国铸造工作者迫切追求
的目标。

为了实现这一目标,我公司将在进行铸造废弃物的资源化再利用的基础上今后开展如下研究工作：复合材料，废砂中硅资源利用技术和与其他行业废固物结合制备的材料技术等。

五、硅砂的特种改性处理
1、改性后硅砂的特点
砂粒表面晶体结构的调整
—可提高低硅硅砂的耐火度，达到与铸造陶粒一致的耐火度1790 ℃
—可提高一般原砂的真圆度，降低角型系数（见下页）
—改性后可替代美国高硅原砂
2、本公司开发的改性硅砂的种类及其性能
砂种真圆度角型系数耐火度
一般硅砂≥0.75 ≤1.33 1610℃
长江高精砂≥0.78 ≤1.28 1690℃
长江CJ4D砂≥0.89 ≤1.12 1690℃
长江多晶砂≥0.89 ≤1.12 1790℃
美国高硅砂≥0.88 ≤1.14 1790℃
3、改性硅砂在制芯中的应用
上图是长江改性硅砂CJ4D砂制成的砂芯及其浇注的铸件。