脂硬化酚醛树脂砂再生方法对比

脂硬化酚醛树脂砂再生方法对比
及设备选择
当今，现代铸造新工艺的采用和发展，应归功于铸件设计要求的提高和检验手段的现代化、精确化和多样化，应归功于市场竞争的推动。

近年来国内铸造业可以用一句话来形容：自硬砂大行其道。

自硬砂工艺已成为业界的主导工艺，占据了绝剥优势的地位(湿型砂工艺除外)，传统的干型砂工艺已到了罕见的程度。

l酯硬化碱酚醛树脂砂的工艺特点
(1)由于其树脂是在强碱性催化条件下由苯酚和甲醛缩合而成的甲阶酚醛树脂水溶液，完全不含N，固化剂为有机酯，如甘油醋酸酯、环内酯或混合
物，因此不含s，用于铸钢、合金钢铸件不会产生N气孔、针孔缺陷。

(2由于碱酚醛树脂砂常温下常常只有大部分树脂发生交联反应，在浇注受热后，未交联的树脂才进一步完成交联反应，实现一个再硬化的过程，通常
称为“二次硬化”。

这种先表现出塑性，再进而转变为刚性，显现出了-种非常町贵的优点——高温退让性好，铸件裂纹少；高温尺寸稳定性好，铸件尺寸精度高。

这就是此种工艺能在铸钢特别是合金钢件、大型铸钢件的生产上应用愈来愈广的直接原因。

(3)因碱酚醛树脂水溶液中不含硫、磷和氯等元素，而且其中游离醛，游离酚等含量低，在混砂、造型、制芯、浇注和落砂清理中释放出来的有毒气体少，对环境污染较轻，工人劳动环境好，这也是工业发达国家和国际上著名企业极力推荐和纷纷选用此种工艺的主要原因。

2酯硬化碱酚醛树脂砂旧砂再生的必要性
事物都是一分为二的。

酯硬化碱酚醛树脂砂工艺本身的缺点也是明显的：
(1)碱酚醛树脂砂常温强度较低，树脂加入量较人，通常都在1.6％～2.2％之间，有的厂家更高，直接导致铸件成本升高。

据初步测算，每吨型砂因粘结
剂的原因比呋喃树脂砂要商100～150元人民币，砂铁比若按4：1估算，每吨铸件成奉将会上升40O一600元人民币。

②碱酚醛树脂砂的硬化剂是有机酯，同化剂加入量达到一定比例后，调节硬化时间只能用酯的品种而不能用加入量调节。

(3)刘原砂要求较高，如对粒度，粒形、SiO2含量、微粉含量、碱金属盐及粘土含量等都有较严格要求，需要使用经过水洗或擦沈过的袋装成品砂。

这就促使一转采用面背砂工艺的企业，每吨铸件成本再次提升数百元。

因此，对碱酚醛树酯砂旧砂进行高效率的再生，使其达到或接近新砂的性能，满足各种工艺要求，能够反复长期地循环使用，而不再添加新砂或使用面砂，是节约资源，降低成本，减少废弃物排放，提高铸件产品在国际市场上的竞争力的最直接的方法。

3酯硬化碱酚醛树脂砂再生方法综述
所谓的砂再生，就是采取合适的工艺方法和手段，人为地去除包覆在旧砂颗粒表面的没有被钢液烧损捧，残留的树脂粘结膜以及些有机和无机物杂质，使砂粒在一定程度上恢复原来的形貌和性能，可以替代新砂来使用。

为了此日的，铸造工作者和工程师们进行了持续不断的努力和探索，不断研究出新的装置和方法，取得了长足的进步和提高，逐渐向人们的终极目标靠近。

概括来讲，欧美国家比较喜欢热法再生，典型的系统如图1所示。

而日本则比较流行干法(机械法)，如图2、图3所示。

而在我国，由于酯硬化碱酚醛树脂砂，工艺应用较晚，应用的范围还局限在一些结构特殊、裂纹倾向严重或是特厚大型的铸件，以及一些使用要求特殊，对铸件质量要求非常苛刻的铸钢件、合金钢件上，目前还处在一种初级阶段，还未形成完整的工艺体系，还未找到行之有效的旧砂再生方法和装置。

虽然目前已有数百家工厂(车问)拥有此工艺和设备，
但基本上是靠而背砂工艺或靠添加一定量的新砂，或靠比较高的树脂固化剂加入量来进行生产的。

这种状况在很大程度上降低了铸造厂家的盈利能力，削弱了我国铸件在国际市场上的竞争力。

反过来，这一现状又限制了酯硬化碱酚醛自硬砂工艺的推广和普及，形成一个瓶颈，这也是本文要探讨的出发点和日的。

3.1砂再生工艺方法的分类及特点
目前国内外应用到酯硬化碱酚醛树脂砂方面的旧砂再生方法和设备，几乎包括了所有类型自硬砂的再生工艺和方法。

因为酯硬化碱酚醛树脂砂是后来发展起来的工艺，所以，以前的老的成熟的旧砂再生工艺和方法都得到了移植和扩展，毕竟技术上的借鉴和嫁接，往往是最可行最简洁的道路和方法。

从宏观上可以人体上归纳为湿法、热法和干法(机械法。

事实上并非如此简单，除机械再生之外，往往都是两种以上的联合再生法。

这是因为人们在大量研究和实际应用中发现，酯硬化碱酚醛树脂砂是一种比较难以有效再生的自硬砂，其再生难度仅次于水玻璃砂，远难于呋喃树脂砂和pep-set砂，其最明显的特点是再生砂的砂型强度越来越低，以至于造成断型、塌型、难以起模，或造成铸件的冲砂粘砂、气孔等缺陷。

如同现代化战争多兵种协同作战一样，铸造工程师们更多使用了联合再生法，以期得到满意的可长期重复使用的再生砂，减少、节约和保护宝贵的新砂资源。

3．1．l湿法
人们没有忘记碱酚醛树脂是在强碱性催化条件下由苯酚和甲醛缩合而成的甲阶酚醛树脂水溶液，其水溶性是比较好的，因此采用水洗的方法来去除砂粒表而的残留树脂膜和杂质是一种合理的选择，不过不是单纯的用水来洗涤，而是水洗和搓擦相结合。

试验和研究都证叫这是一种有效的方法，可以获的几乎和新砂性能一样的再生砂，具有非常理想的LOI值和铸型强度。

但是，湿法再
生并未得到推广和应用，其原因主要是两点：①污水及沉淀物污泥处理的麻烦和高费用：②水洗后的砂予的烘干和冷却所带来的费用的升高。

3．1．2热法
既然碱酚醛是一种有机树脂．其高分子结构肯定是可以燃烧的，通过足够高的温度，来烧掉旧砂砂粒表面的树脂膜及杂质，不失为一种可行的方法。

典型的热法再生系统如图l所示。

燃烧温度以及砂子在焙烧炉中的停留时问是关键所在，直接决定若再生砂的质量和性能。

试验和研究证明：燃烧温度过低<300℃，不能充分去除树脂膜及杂质，不能获得好的再生砂：燃烧温度过高>1000℃，又容易引起砂粒表面的鲕化或砂粒烧结成团，这是由酯硬化酚醛树脂砂中有碱性残余物的存在引起的。

已有的研究表明合适的燃烧温度应该在600～900℃之间。

毫无疑问，热法再生同样可以得到理想的再生砂，达到非常满意的指标和性能，可以与新砂媲美，l划而在国外，尤其是在欧美得到应用。

但是，热法再生的缺点和它的优点一样明显：(1)系统庞大。

仅焙烧炉的投资就是机械再生全套设备价格的2—3倍。

据介绍一台进口焙烧炉就需要250—300万人民币。

(2)高温烟气的处理需要耐高温除尘器和足够大的野风的掺入，或是采用水冷式换热器。

过高的设备投资和运行费用是不可低估的。

(3)过多的能源消耗以及高成本。

据有关资料介绍，每吨再生砂需要15～20L 柴油，或者100k原煤，仅燃料费就足可以超过机械再生的全部费用。

(4)高温砂子的冷却，同样要耗去很高的能源和费用。

因此，热法再生并非可行，只能是一种在没有理想的再生方法的情况下的无耐之选；一旦有了理想的方法，热法再生就会逐渐淡出。

1）、湿法再生
湿法再生主要利用存在于树脂膜中的有机酯和氢氧化钾具有可溶于水的特
点，将其通过水洗使之去除的一种再生方法。

湿法再生工艺对粘附于旧砂表面上的残留酯和钾都可通过水处理而被除去。

可见该法具有较好的再生效果，再生砂的质量接近新砂水平。

但这种方法存在能源消耗大、占地面积大、污水处理费用大和设备一次性投资大等缺点，故此法应用较少。

2）干法再生
干法再生不依靠热或水的作用，是一种利用机械力脱去旧砂砂粒表面上树脂膜的再生方法。

该法可分为冲击式和擦磨式两类，其中，冲击式再生法又有离心式、气流式、振动式和逆流式等。

冲击式再生原理是利用机械力或压缩空气气流将旧砂砂粒加速至一定速度，依靠砂粒与金属构件间产生的多次冲撞作用，使旧砂粒得到再生，这种方法对除去砂粒表面脆性树脂膜十分有效，但酯硬化碱性酚醛树脂旧砂具有一定韧性，特别是未经低温加热脱水的树脂旧砂，当其含水量大于1.0%时，在冲击式再生过程中会反弹，旧砂树脂膜不易剥离，故常用的冲击式机械再生工艺不适于酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生。

经试验发现，对酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生，宜采用高速擦磨式机械再生装置。

多级（一般三级或四级）摩擦再生能够很好的去除残留树脂膜以及有机酯、钾和钠，使再生砂的性能与新砂接近，但是，多次的高速摩擦（特别是多次反复再生）会使砂子不断变细，使其型芯砂强度、透气性以及砂子耐火度不断下降，最终无法使用。

2.3 热法再生
热法再生是通过焙烧炉将旧砂加热到一定高温，以分解或烧掉旧砂砂粒表面的有机物。

根据要去除的有机物种类，可分高温热法再生（800~900℃）和低温热法再生（320~350℃）。

生产中常用高温热法再生，高温加热可有效去除酯硬化碱性酚醛树脂旧砂砂粒表面的树脂膜、残留酯等有机成分，明显改善再生砂粘
结性能，但对于无机成分钾、钠，不但无法去除，还易使钾、钠与砂粒表面结合的更为牢固，原因在于：在高温下，钾、钠会与硅砂发生化学反应，对硅砂表面产生侵蚀，从而与砂粒表面结合得更加牢固。

因此，单一的热法再生也不适合酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生。

2.4 化学再生
这种方法是向碱性酚醛树脂旧砂中加入某种能与其中的残留钾进行化学反应，形成不溶于水的物质，从而去除残留钾的一种方法。

在国外采用这种化学再生法已取得较好效果。

美国Ashland Chemical Ltd.采用加入某种附加物法对酯硬化碱性酚醛树脂旧砂进行化学再生，
试验结果见表2。

从表2 可看出，添加附加物的化学再生工艺，基本上可消除酯硬化碱性酚
醛树脂旧砂中残留钾对再生砂性能的影响。

从表中数据还可看出，加入附加物并不能除去树
脂膜中的残留酯，故经过化学再生的再生砂强度仍低于新砂。

同时，在采用化学再生法时，
不可采用强酸性附加物，因它能严重腐蚀设备，并对人体健康造成危害。

这种方法需要与热
法或干法再生相结合，才能对酯硬化碱性酚醛树脂旧砂进行再生。

近年来，我们针对有机酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生工艺开展了大量的试验研究工
作，通过试验发现，采用单一的再生方法，无法同时去除残留酯和钾（或钠），再生后的树
脂砂灼烧减量与酸耗值偏高，采用这种再生砂造型制芯，其可使用时间短，强度低，无法满
足生产的需要，因此这种旧砂的再生需要采用组合法再生。

酯硬化碱性酚醛树脂旧砂的再生，关键是去除型芯砂中的有机酯以及钾（或钠），其
中有机酯需要采用热法再生，而钾（或钠）等无机成分的去除需要采用摩擦再生的方法。

表
4 中列出了热法再生温度对再生砂性能的影响。

从表4 中数据可以看出，当热法再生温度达到400℃时，旧砂中残留有机酯已经受热分
解，此时增加加热温度，对去除残留酯作用较小。

而无机的钾（或钠）的去除无法采用加热
的方法，相反，热法再生的温度过高，反而会促使钾（或钠）对硅砂产生侵蚀而与硅砂表面
产生更加牢固的结合，这会大幅增加去除钾（或钠）的难度。

因此，在进行了低温热法再生
2009 中国铸造活动周论文集
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之后，酯硬化碱性酚醛树脂旧砂还需要进行摩擦式干法再生，才能去除钾（或钠），从而达
到理想的再生效果。

表5 列出了摩擦再生次数对再生砂性能的影响。

1、落砂系统浇注冷却后的铸型，由行车吊运至落砂机进行落砂，砂铁分离后铸件运到清理工部，旧砂进入振动输送机，在振动输送机上方设置悬挂磁选机去除含铁物质，而后进入环链式斗提机，经提升后进入中间砂库。

落砂时由吹吸式除尘罩隔离，顶部吊车进出口处配置隔离风幕。

磁选物落入碎铁小车由电
动葫芦从地坑内吊出。

2、破碎再生系统 1#砂斗中的旧砂块由振动给料机给破碎机均匀加料，旧砂在破碎机中完成破碎、初再生及筛分，筛分后小于3mm的旧砂通过斗提机进入贯通式磁选机进行二级磁选，而后进入再生机与反击圈的搓擦、撞击后去除表面的惰性物，保证脱膜率和旧砂的回用率，再进入风选机去除旧砂中的杂物（包括碳化的涂料层、滤网等）和微粉。

3、砂温调节系统 2#砂斗中的旧砂通过砂温调节器调节砂温，使砂温≤35℃满足使用要求，经斗提机送入3#砂斗。

4、新、旧砂输送、混砂系统干新砂用汽车运输，通过人工加入地栅格，斗提机提升后进入新砂库储存。

新、旧砂由气控定量抽板阀定量后由气力输送装置送至混砂机上方的混砂日耗斗定量进入混砂机，加树脂、固化剂混制成所需要的型砂放入砂箱中。

5、除尘系统为了满足工艺要求和防止环境污染，本方案除配置合理的除尘系统外，对磁选物、破碎筛分后的废料采用了专用的收集小车，地坑内的碎铁小车通过电动葫芦吊运至地面后运出，有效解决了废料的跑冒滴漏现象，保证了环境的清洁。

LOI是指树脂砂粒表面存在的树脂膜含量。

因为树脂砂使用后，经过打箱，铸件清理，残余的旧砂要回用，靠近铸件表面的砂子，树脂膜被烧掉，其LOI含量几乎为0，而大量的砂子的树脂膜却留在沙粒表面，一般砂处理设备会把沙粒表面的膜去除，但是去除的是否干净，就要有一个指标来衡量，否则，随着旧砂不断回用，残余树脂量会越来越高，影响铸件质量。

LOI，文字叫灼烧减量，就是把旧砂称50或者100克，放到马弗炉里，经过800-1000度保温，将残留的树脂膜都烧掉，冷却以后，再称它的重量，算出减少量，和原来重量相除得到的百分数，就是灼烧减量的值，也叫LOI的值。

铸铁一般控制在3.0%以下，严格的在2.5%以下，铸钢控制在2.5%以下，严格的在2.0%以下。

冷芯盒制芯，要求LOI几乎是0%，所以旧砂再生设备的除膜率非常重要。

现在旧砂再生，呋喃树脂比较好办，因为呋喃树脂膜硬
化后，比较脆，脱膜比较容易，而酚醛树脂和PEPSET树脂，其膜硬化后有韧性，脱膜困难，有用机械方法的，这样砂子破碎率较高，为达到规定的LOI，大概最好的设备也要损失20%的砂子，变成粉尘和碎砂。

日本新东就有这种设备。

有用高温炉子焙烧的，这样环保比较困难，一般要求800度以上，二恶英可以分解。

就解释这些吧。

这是给朋友解释的文字，写了只给一个人看可惜了，把它贴出来，供大家讨论。

前面水分问题我没有讲。

LOI的检测方法，国内有标准，所以说得简单些。

记得国内标准在分析LOI之前，对水分好像没有分析要求，估计是处理后的旧砂，水分含量较低原因。

大家可以查查，我的记忆不准确。

但是国外对此有要求。

在烟台工作时，日本人是这样要求，即取来的旧砂，现在远红外灯下烤干，测出水分，再用这种烤干的砂去做LOI，这样做出的值一般偏低，去除了水分的含量了。