铸造旧砂再生回用技术现状

1引言铸造行业是制造业中的基础行业，各行业的发展都离不开铸件[1]。

2010年我国年产铸件约3500万吨，是世界第一铸造大国。

但我国每吨铸件生产要排放废旧砂约1吨，年排放铸造废旧砂3000多万吨，资源消耗和环境污染都十分惊人。

一些大型铸造企业年排放铸造废旧砂都在10万吨以上，而在企业排放大量铸造废旧砂的同时，企业需向生产线补充等量的新砂以维持生产线运行，每年全国由此造成的新砂采购成本和运输成本达百亿元，给企业带来巨大的经济负担，也给我国的资源和环境带来巨大压力。

因此，铸造废旧砂的处理和回收再利用已成为当前迫切需要解决的问题，这对我国铸造产业的绿色可持续发展具有重大的实际意义。

本文针对目前广泛使用的粘土砂、水玻璃砂和树脂砂在铸造生产中产生的旧砂的再生回用技术进行分析展望。

2粘土旧砂的再生回用粘土砂被广泛的用于铸铁、铸钢生产中，其产生的废旧砂量也是最多，约占整个铸造产量的80%以上。

目前，粘土旧砂的再生回用方法主要包括干法机械再生和干-热联合再生，干法再生后的砂子多直接用于生产线的回用，干-热联合再生法再生后的砂子可用于制备芯砂。

重庆某造型材料公司[2]结合国内外再生设备技术，自主研发了间歇式燃烧焙烧炉和机械再生装置。

采用低温焙烧原理，利用热砂排热加热流动空气和利用残留碳素燃烧产生的二次热源进行焙烧，利用焙烧反应余热和冷却热砂余热对旧砂进行预加热，使热能得到充分利用。

该工艺技术的旧砂回收率达68%~90%，再生砂灼热减量≤0.2%，再生砂质量较好，可以用于制备覆膜砂、热芯盒呋喃树脂砂和冷芯盒树脂砂等。

但采用间歇式燃烧焙烧炉和机械再生的干-热法联合再生工艺导致粘土旧砂再生成本偏高，其推广应用受到一定的限制。

乜忠利[3]等介绍了常州市某公司与有关单位研制开发的CRG旧砂再生机。

该再生机系离心机械式，在高速旋转轴下带有叶轮，形成强烈轴向气流，吹动向下流动的流砂，粉尘通过上方除尘口排出，达到旧砂再生目的，旧砂去泥率30%～60%，回用率>90 %。

山东时风集团[4]采用CRG粘土砂再生系统对旧砂进行再生，再生砂的含泥量、有效煤粉含量和有效膨润土含量较之旧砂分别降低了40.6%、39.3%和47.3%，再生砂代替部分新砂直接用于粘土砂生产线循环取得了较好的效果，铸件废品率降低近1%；认为CRG粘土砂再生设备系统可以降低企业的废旧砂排放量和生产成本。

R.Danko[5]通过系统的方法分析废旧砂的再生工艺，介绍了旧砂再生时砂粒干法机械摩擦去泥的能量模型。

它的理论基础是Rittinger对粉碎物料的假设，即砂粒破碎能耗与破碎后砂粒的新生表面积成正比，外部输入的能量越多，再生砂的粒度越细，砂铸造旧砂再生回用技术现状及进展龙威，樊自田（华中科技大学，湖北武汉430074）摘要：本文对近5年来铸造旧砂再生回用技术研究及应用的进展进行了概述。

对目前广泛使用的再生回用技术、设备的研究及应用进行了分析。

认为铸造废旧砂的再生回用是铸造工业实现绿色可持续发展的必然要求，低成本高效率地再生回用铸造旧砂是铸造技术进步的重要方向。

关键词：铸造旧砂，再生利用，绿色铸造，可持续发展，低成本再生中图分类号：TG231.5;文献标识码：A；文章编号：1006－9658（2012）02－0001-5基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号51075163）收稿日期：2011－12－29稿件编号：1200－001作者简介：龙威(1982-),男,博士后,研究方向：造型材料研究及其质量控制子的去泥率、除尘率越高。

但粒度偏细的砂子并不利于再生砂的循环使用，在粘土旧砂再生时，可以根据企业的旧砂再生要求，对旧砂使用Rittinger系数进行计算，优化干法再生过程，控制能耗成本，获得符合使用要求的高质量再生砂。

Nestor Cruz[6]等采用气固流化床对粘土旧砂进行再生回用。

试验表明，当气固流化床的喷孔气体压力为550kPa，加热温度超过700℃时，再生砂质量较好，再生砂中有机物含量接近0，旧砂表面的残留膨润土去除率较高，再生砂的有效膨润土含量为2%左右，再生过程中的旧砂损耗量小于14%。

采用气固流化床对粘土旧砂进行再生回用，其热法再生和干法再生综合成本为0.023（US$/kg），低于新砂0.04~0.14（US$/kg）的采购成本，再加上旧砂的一些辅助成本，认为该工艺具有较好的经济适用性。

综合来看，目前粘土旧砂的再生方式主要有干法再生和干法-热法联合再生。

干法再生砂多直接用于粘土砂的生产线循环回用；干法-热法联合再生砂可用于制备冷芯砂和热芯砂，但由于粘土旧砂热法再生的加热温度通常很高（700℃以上），故再生成本较高。

因此研究开发新型高效粘土旧砂再生方法及装备，实现大量粘土废旧砂低成本再生回用是目前绿色铸造技术研究的方向。

3水玻璃旧砂的再生回用水玻璃砂被认为是21世纪最有可能实现绿色铸造的砂型，被广泛应用于铸钢件生产中。

近年来，随着水玻璃砂的广泛应用，水玻璃旧砂的再生回用方法和技术也得到了长足的发展。

樊自田[7]等分析了酯硬化水玻璃旧砂多次再生使用后，其Na2O较大升高，溃散性显著下降，生产厚大铸型时硬透性变差出现蠕变现象的原因。

认为研究开发适于干法再生水玻璃砂的改性水玻璃，对再生砂实施表面处理，对旧砂进行高脱膜率的再生等，是解决酯硬化水玻璃砂多次再生使用后溃散性恶化问题的主要措施。

王继娜[8-9]等提出了“冰冻-机械”再生水玻璃旧砂新方法。

通过试验测试了“冰冻-机械”再生水玻璃旧砂的优化工艺参数，可获得43%高再生脱膜率；利用自然条件实施室外温度约－15℃自然冰冻，脱膜率可达32.8%，较之干法再生的脱膜率提高71.3%。

因此，认为“冰冻-机械”再生具有湿法与干法综合优势，具有实用意义。

张培根[10]提出的水玻璃废砂再生系统，包括旧砂破碎设备、一级和二级湿法再生设备及污水处理设备、湿砂脱水设备及烘干设备。

采用两级湿法再生工艺，Na2O的去除率高；得到的再生砂质量也好，可直接代替新砂作面砂或单一砂使用；并且耗水量小，同时污水处理后可循环使用或达标排放。

李树桢[11]等研发了一种水玻璃旧砂回转振动研磨湿式再生机，其结构包括钢螺旋橡胶复合弹簧、机架、外筒体、内筒体、陶瓷磨球和振动电机等。

据介绍该再生设备的水消耗量较少。

汪华方[12]等最近提出了生物再生水玻璃旧砂的设想。

它利用硅藻依赖污水中钠离子、硅酸根离子而繁殖的特性，在湿法强碱性污水中创造适宜的条件培养经过耐碱驯化的硅藻，快速生长的硅藻大量消耗碱性污水中的硅酸根离子和钠离子，使污水的碱性大大降低。

生物再生使用的硅藻在自然条件下快速生长，硅藻处理后的再生污水可用于旧砂再生生产线循环使用或直接排放，再生后获得的硅藻可用作于饲料、墙面材料、生物柴油和芯片等。

生物再生水玻璃旧砂方法的可行性及效果有待进一步验证。

综合来看，目前水玻璃旧砂的再生回收，多采用湿法再生和“干法＋热法”联合再生。

“干法＋热法”联合再生砂可用于背砂或单一砂循环，但需严格控制循环砂中的Na2O含量；湿法再生水玻璃旧砂的效率高、再生砂质量好，再生砂可以100%代替新砂使用，但需较好解决污水污泥处理回用问题。

“冰冻-机械”再生方法具有湿法再生与干法再生的综合优势，可利用北方的寒冷天气进行旧砂再生，较大降低了水玻璃湿法再生时的水耗量和再生成本。

在湿法再生的基础上，研究开发高效无二次污染的水玻璃旧砂再生新型工艺及设备系统仍是解决水玻璃旧砂再生难题的关键。

4树脂旧砂的再生回用树脂砂的种类较多，包括呋喃自硬树脂砂、酚醛自硬树脂砂、热硬树脂砂、冷（气）硬树脂砂等，可用于生产高质量的铸铁、铸钢、铸铝等各类零件。

研究及实践表明，呋喃树脂自硬旧砂采用干法再生可以获得满意的再生效果，实现循环使用，也可以采用热法再生；碱酚醛自硬树脂旧砂需要采用“干法＋热法”联合再生和湿法再生；而热硬或冷硬树脂砂只能采用高温热法再生。

孙清州[13]等介绍了自硬树脂砂热法再生原理及沸腾式再生装置。

认为热法再生是有机粘结剂自硬树脂砂的一种完全再生方法，在树脂旧砂进行热再生的同时，对砂子具有改性作用。

与新砂相比，热再生砂的角形系数、发气量、热膨胀性均有所降低，粒形趋园整，砂子集中度、型砂抗拉度提高，热再生砂较之新砂具有更优良的铸造工艺性能，具有很好的回收再利用价值。

陈宗明[14]等介绍了一种以煤气为燃料的覆膜砂热法再生工艺及其装置。

以煤气发生炉产生的低压热煤气作沸腾式焙烧炉的热源取代焦炭或柴油，研制成1t/h~1.5t/h沸腾式热法再生装置，再生1t旧砂消耗煤炭约为70kg，与液体燃料（柴油、煤油或重油等）相比，具有一定的环保和节能优势。

朱旭东[15]介绍了由“铸造用砂焙烧炉”和“立式螺旋沸腾冷却器”组成的自硬树脂砂“热法+机械”柔性再生线，生产率0.5t/h~30t/h。

可以根据使用要求，采取不同的加热温度，连续或间隙性启动焙烧炉，使旧砂经过加热焙烧或直接进入机械再生装置，可满足不同季节下的砂温冷却要求，达到节省燃料的目的。

Peter Wagner[16]等认为机械式再生是一种经济、高效的再生冷硬树脂砂的方法，冷硬树脂砂几乎可以全部再生，而热法再生仅应用于特殊的领域。

他们介绍了一种带有回流冷却器的再生设备和带有冷却流化床/筛选机的再生装置，主要由落砂栅架和振动破碎机构成。

该方法可获得较高质量的再生树脂砂，实用价值较大。

S.Fiore[17]等对意大利北部的一家铸造工厂的多种冷芯盒树脂旧砂再生工艺进行了研究。

通过对Teksid铸造车间500吨型砂的测试，对干法处理和干法+热法处理这两种方法的效率进行了对比。

认为干法+热法这种处理方法对于Teksid铸造车间冷芯盒铸造产生的旧砂是最佳的再生方法之一。

综合来看，为了获得可用于芯砂的再生砂，树脂类旧砂的再生通常采用热法或者干法-热法联合再生方法，但由于高温（＞700℃）热法再生的能耗大、成本高，研发高效热法再生工艺与装备仍是目前热点问题。

呋喃自硬树脂旧砂的再生生产线及再生设备目前是比较成熟的，在实际生产中获得广泛的应用；而酚醛自硬树脂旧砂的低成本、无污染再生问题仍有很多工作要做。

5混合废旧砂的再生回用在诸多种类的铸造旧砂中，以粘土旧砂为主混合旧砂（粘土－树脂旧砂、粘土－水玻璃旧砂等）占多数，低成本再生多种混合旧砂一直是铸造旧砂再生的难点之一。

樊自田[18]等提出了一种铸造混合废旧砂的低成本再生回用新方法。

即先将混合旧砂尽量分类，分别将适于湿法再生的旧砂和适于热法再生的旧砂进行湿法再生和热法再生；然后两部分再生砂按照一定比例混合，利用热法再生砂的热量加热烘干湿法再生砂，最后经调湿、调温，得到再生回用砂。

该方法避免了在单一的湿法再生工艺中再生砂后期烘干所需的能源消耗和在单一的热法再生工艺中再生砂冷却时的热量浪费，降低了能源消耗和旧砂再生成本，是一种颇有应用前景、适用于大量铸造混合废旧砂的低成本、高质量的再生回用新方法。