旧砂再生工艺探索与应用

齐亚平，李克强，刘婧，王超，李兆健

（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊　２６１００１）

摘要：通过对再生砂生产工艺实验和归纳总结，同时分析不同的废砂对再生砂质量的影响。对旧砂再生工艺进行探索、研究与应用，保证再生砂质量符合生产需求。通过生产验证，再生砂生产成本较低，质量满足要求。

关键词：粘土砂铸造；旧砂再生；应用

中图分类号：ＴＧ２３１．５；文献标识码：Ａ；文章编号：１００６－９６５８（２０１７）０２－００７３－０４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－９６５８．２０１７．０２．０２５　

我国铸造企业中排放的固体废弃物主要是废每年旧砂，出产铸件和废砂的比例大约为1∶1[1]，约产生3 000多万吨废砂，而且我国废旧砂的再生回用率极低，大部分被排放倾倒，既侵占土地又造成了环境污染、资源浪费。解决我国废旧砂污染的治本之策是废旧砂循环再生，最大限度的利用砂资源、大幅度减少和杜绝废弃物排放，最大限度创造社会财富，最低限度消耗自然资源。

目前国内的有识之士已经意识到废砂排放的社会后果，不少企业纷纷开始引进或研制再生砂技术和设备、积极投入到旧砂再生的实践应用中。

在广泛应用粘土砂造型的铸造业，再生砂不仅可以用于替代湿砂造型补加新砂，也可以用于替代制芯用新砂。

国内旧砂再生技术中较为成熟的是树脂砂再生工艺，一般采用冷法或热法工艺，就可以去除掉旧砂表面的树脂膜。而我国废砂大部分是粘土旧砂，粘土旧砂再生要比树脂砂再生困难的多，其再生难点关键在于去除掉粘土旧砂表面的惰性死粘土膜。

目前旧砂再生技术包括干法再生、湿法再生等方式。干法再生又分为冷法再生和热法再生（加热焙烧）两种；热法再生是指废砂、废芯经过焙烧炉焙烧后再由机械研磨或气力摩擦后分选而成。就国内所见，湿法再生有水擦洗加烘干分选和水擦洗加活化处理加烘干分选两种方式。

不同的方式又有各自的特点。就湿法再生而言，占地多、耗水大，但再生砂产品性能较其它方法要优越、稳定性好；而热法再生相对而言耗能较大、再生砂产品性能较湿法再生差一些。

1.1 冷法再生

冷法再生是通过砂粒及砂粒和设备间的相互冲击和擦磨去除一些砂粒表面的死粘土膜、灰分等杂质，生产的再生砂质量较差。冷法再生方式包括机械振动、机械离心、机械研磨和气力再生等。冷法再生工艺流程如图1所示。

图１　冷法再生工艺流程图

1.2 热法再生

1 旧砂再生原理

热法再生是将旧砂在焙烧炉中焙烧，使旧砂中的树脂膜和煤粉等可燃材料在高温下气化和燃烧，在炉内完全去除。但是粘土中的蒙脱石在

收稿日期：２０１６－０９－２０稿件编号：１６０９－１５２９作者简介：齐亚平（１９６９—），女，　高级工程师　．　主要从事铸造工艺工

作．

600～730 ℃失去结构水，烧成坚硬难溶于水的陶瓷状硬块，具有较高强度，在水中长时间浸泡也难以分散开。旧砂经反复使用后，砂粒上包覆着这种失

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　中国铸造装备与技术　２∕２０１７　

装备技术 Equipment Technology去湿态粘结作用的粘土膜，这层死粘土层不能被水洗掉，只能擦磨掉。

粘土旧砂焙烧温度高于700 ℃时，由于砂粒表面粘土烧结，冷法再生就非常困难。所以焙烧温度要设定在既能使鱼卵石粘土膜与硅砂的结合力松散开裂，又要避免温度太高使粘土膜烧结成陶瓷块。旧砂焙烧以后附着在硅砂表面的少量非活性粘土可通过后续的机械磨擦或研磨再生工艺清除 [2] 。2 旧砂再生技术在本公司的应用

本公司处于北方，水资源较为匮乏，所以选用干法旧砂再生工艺，目前本公司有两条再生砂生产线，分别为冷法再生生产线、热法冷法再生生产线，两条再生线旧砂来源不同。

2.1 冷法再生线

冷法再生线使用的旧砂是经过浇注和时效处理的芯砂，没有树脂、煤粉、膨润土等成分，需要去除的部分为粘附在砂粒表面的粉尘等杂质，所以只需要进行研磨即可。

冷法再生线的生产工艺流程、设备和产品如图4~6所示。

热法再生按照焙烧温度不同可以分成两种，即高温焙烧再生和低温焙烧再生。它们的优劣势比较见表1。

表１　热法再生不同焙烧温度对比

对焙烧焙烧焙烧温形成二次炉及炉再生砂方法度/℃鲕化倾向内装置

的损害高温焙烧低温焙烧

850600~700

强无

强弱

一般优

204 000104 000

1.961

少

能耗

温室效国内

质量/(千卡/吨)应系数应用

［３］

图４　冷法再生线生产工艺流程

多

从比较高温焙烧再生和低温焙烧再生的结果很容易得出如下结论：低温焙烧热法再生是铸造废砂再生的最好选择，我厂使用670~690 ℃的焙烧温度进行旧砂再生，生产的再生砂质量令人满意。热法再生工艺流程如图2所示。

图５　冷法再生线设备照片

图２　热法再生工艺流程图

1.3 湿法再生

湿法再生工艺最重要的工序为水擦洗，通过水擦洗去除湿型砂中的膨润土、煤粉等杂质，水擦洗加活化处理的工艺能够保证再生砂化学性能良好，有利于再生砂的循环应用。湿法再生砂可以替代部分新砂使用，只是相比新砂，其粒度偏细，加入型砂会导致型砂粒度变细。

湿法再生工艺流程如图3所示。

图６　冷法再生砂芯和冷法再生砂显微照片

图３　湿法再生砂工艺流程图

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2.2 冷法再生砂生产使用情况

　中国铸造装备与技术　２∕２０１７

Equipment Technology 装备技术冷法再生砂使用的废砂主要为退火砂，其中含有铬矿砂，生产的再生砂颜色偏黑，使用再生砂制芯时按照再生砂与新砂比例1∶1制芯，用此配方制芯时废芯率为0.5%，铸件废品率与使用100%新砂生产的铸件废品率基本一致，废品缺陷种类以及比例一致,未曾发现由于使用再生砂制芯造成的缺陷。

2.4 热法再生砂生产使用情况

热法再生砂使用的废砂主要为造型线排废，由于经过焙烧，生产的再生砂颜色偏红，使用再生砂制芯时按照再生砂与新砂比例1∶1~7∶3不等，制芯时废芯率为2.0%和1.8%，铸件废品率与使用100%新砂生产的铸件废品率基本一致，废品缺陷种类以及比例一致。浇注得到的铸件的废品率相当，未曾发现由于使用再生砂制芯造成的缺陷。

2.3 热法再生线

热法再生线使用的旧砂来自造型线排出的旧砂，旧砂中含有大量的树脂、砂芯、煤粉、膨润土等，难以去除，需要将旧砂中的砂芯和砂团破碎后，对旧砂进行焙烧以便去除其中的煤粉、树脂等烧掉，但是膨润土在焙烧后会附着在砂粒表面形成硬壳，所以需要对焙烧后的砂粒进行研磨。

热法再生线的生产工艺流程、设备和产品如图7~9所示。

3 再生砂和新砂质量对比3.1 芯砂性能对比

表２　再生砂与新砂粒度对比

砂种类粒度3040

50

70100140200底盘集中率AFS

0.30.30.60.30.51.21.42.2

1.00.30.10.2

85.484.283.990.889.788.086.087.6

48.747.747.650.651.851.558.356.3

新砂150/1001.410.234.136.414.92.6新砂250/1001.811.534.735.813.72.0未处理热法砂热法再生砂1热法再生砂2

50/1001.818.234.631.111.71.950/1000.35.332.842.815.23.150/1000.45.129.943.816.04.050/1000.86.431.439.617.03.4100/500.23.420.942.422.77.750/1000.44.726.838.522.36.6

图７　热法再生线生产工艺流程

未处理冷法砂冷法再生砂1冷法再生砂2

由表2可以看出热法再生砂相对冷法再生砂粒度偏细，判断原因为冷法旧砂的粒度小于热法旧

图８　热法再生线设备照片

砂，而且热法再生线再生砂收得率相对较低，回收的旧砂粒度相对较大，两条再生线生产的再生砂粒度相对新砂都偏细，应用中需要注意。

表３　再生砂与新砂性能对比

砂 种 类新砂冷法再生砂1热法再生砂

耗酸值/mL

6.243

灼烧减量/%

0.120.10.07

含泥量/%

0.20.180.12

由表3可知再生砂酸耗值、灼减量优于新砂，热法再生砂含泥量最少，冷法再生砂与新砂含泥量相差不大，总体性能再生砂优于新砂。

图９　热法再生砂芯和热法再生砂显微照片

　中国铸造装备与技术　２∕２０１７　

3.2 芯砂制芯性能对比

７５

装备技术 Equipment Technology5 总结

各组分树脂量/%

14.212.8 12.6

0.80.80.8

表４　再生砂与新砂冷芯砂性能

砂种类新砂冷法再生砂热法再生砂

瞬时强24 h强度/MPa度/MPa1.11.21.3

1.82.32.4

14.113.0 12.2

发气量/mL

14.313.5 12.2

本公司合理利用社会资源，有效结合热法再生、冷法再生两种工艺的特点，成功开发出适合本公司需求的干法旧砂再生工艺。

使用干法再生工艺生产的再生砂性能优于新砂，成功应用于本公司冷芯盒制芯生产，有效解决了旧砂排放问题，还可降低综合生产成本，对本公司开展旧砂批量再生业务，建设环境友好型企业具有非常重要的意义。

表4的结果表明再生砂瞬时强度和24 h强度明显优于新砂。同时相同树脂加入量的情况下再生砂发气量小于新砂，总体性能再生砂优于新砂。

4 生产验证与成本核算

本公司从2013年6月起开始旧砂再生生产验证，旧砂经再生处理后，各项性能指标满足工艺要求，含泥量、灼减量、发气量及酸耗值等指标优于新砂。目前仅将再生砂用于制芯，共生产再生砂超过20 000 t，再生砂制芯过程中没有发现异常，且生产的铸件没有发现使用再生砂造成的废品。

根据目前的生产情况估算冷法再生线生产再生砂成本为68元/吨，热法再生砂成本144元/吨，新砂的价格约为270元/吨，废砂排废的价格为15元/吨，再生砂价格满足使用要求。

参考文献

［１］　郭景纯，张方．铸造旧砂再生设备及循环使用的开发与研究［J］．

铸造设备与工艺，２００９，（５）：４５－５０．

［２］　霍卯田．　铸造潮模旧砂再生应用［J］．铸造工程师，２００８，（８）：１０．［３］　熊鹰，孙伟民．　铸造砂再生技术及应用［J］．中国铸造活动周论

文集，２００８：２５．

［４］　龙威，樊自田．铸造旧砂再生回用技术现状及进展［J］．中国铸

造装备与技术，２０１２（２）．　

Exploration and application process sand reclamation

QI YaPing,LI KeQiang,LIU Jing,WANG Chao,LI ZhaoJian

(Weichai Power (weifang) Casting & Forging Co.,Ltd.,weifang 261001,Shandong,China)

Abstract: Through experiments and summarized on the reclaimed sand production process, and the impact of different waste sand on reclaimed sand quality. On sand reclamation technology exploration, research and application, to ensure the quality of reclaimed sand meets production needs. By production-proven, sand reclamation process have a lower cost, quality to meet the requirements.

Keywords: clay sand casting; sand reclamation; applications

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启国机械工程学会铸造学会会刊，科技核心期刊，１９６３年创刊（曾用名《铸造机械》《中国铸《中国铸造装备与技术》杂志（ＣＮ３７－１２６９／ＴＧ）是由中国科协主管，中国机械工程示学会、济南铸造锻压机械研究所有限公司主办的国家级综合型科学技术学术期刊，中