综述-粘土旧砂再生的研究现状及应用

粘土旧砂再生的研究现状及应用1 粘土旧砂再生的发展历程1.1 国外粘土旧砂的发展历程国外粘土旧砂再生大约于1912年开始，当时卡普罗发表过《铸造厂的废砂》，介绍了一种湿法再生机，可获得80%～90%的再生砂。

在20世纪20到30年代的粘土旧砂再生装置主要以湿法水洗搅拌，机械搅拌、辗压或二级筛分为主，虽比较简单，但也开始配套，在试验基础上进行了生产使用，取得了一定的效果。

这个阶段的粘土旧砂再生对象主要是生产中产生的废砂，其目的只是为了节约材料，再生降低了旧砂中的含泥量，再生砂最终仍用于粘土砂系统。

20世纪40到50年代，朗格维勒（D.L.Longeville）等和哈里特（W.L.Hertley）介绍了他们开发并用于生产的热法再生系统，但再生粘土砂只是有少数使用成功的经验。

1946年简特（E. C. Jeter）提出气流再生。

1953年，柯蒂士（G. H. Curtis）介绍了旧砂联合再生系统，通过湿法与热法联合以去除旧砂中的有机物，进一步提高了型砂的抗拉强度，对混有有机粘结剂芯砂的粘土砂再生开了先例。

这一时期先后开发了机械离心再生、振动再生、抛丸再生、竖吹式气流再生以及联合式旧砂再生装置，再生方法有了较全面的发展，形成了干法（机械与气流）、湿法、热法和联合法四类基本再生方法，开发的设备也在生产中获得了应用。

20世纪60年代以后，气流再生发展较快。

到了20世纪70到80年代，出现了多工序一体化再生，再生设备逐步向单元与系统配套发展。

1973年美国布里吉（A.C.Den Breejen）发表了《旧砂再生的过去、现在和将来》一文，较全面地论述了旧砂再生过去和现在的发展状况，把当时各种旧砂再生归纳成较有代表性的湿法、机械、气流、热法、抛丸法、湿法与热法联合以及热法与气流法联合的系统。

20世纪80年代以后为了保护环境和生态，各国纷纷限制固体废弃物的排放。

要减少或不排放旧砂，就要把旧砂再生到足以代替新砂用于制芯。

1982～1983年美国采用热法/机械法或热法/气流联合再生湿型砂，将再生砂代替新砂较成功地用于制芯，之后这种热法/干法再生工艺得到了应用和发展。

1987年美国明确提出了完全砂再生(TotalSand Reclamation)的概念，指出用热法与干法联合再生湿型砂，其再生砂能用于现代一般使用的化学粘结剂砂系统，也就是说再生砂能代替新砂用于制备各种粘结剂芯子。

1993年欧洲提出了清洁铸造砂循环的概念，要求使用循环旧砂，除回用外，多余的旧砂应再生达到制备化学粘结剂型芯的要求，再重新使用，以尽可能减少新砂加入及废砂排放，达到清洁生产循环。

到了20世纪末德国KGT公司出现了粘土旧砂完全再生成套设备并成功应用到实际生产中；而且新的再生方法不断出现，诸如蒸气压旧砂再生、冷冻旧砂再生等。

同时也出现了专业化旧砂再生企业，为铸造生产企业提供旧砂再生服务，旧砂再生技术和装置获得不断的发展。

进入21世纪后，出现了一种回转式再生旧砂系统，能有效去除活的和死的粘土，并和壳型粘结剂砂系统,同时也可用作造型面砂。

且湿型砂经再生后可用于呋喃、酚醛、CO21.2 国内粘土旧砂的发展历程我国的粘土旧砂再生工作开始较晚，20世纪50年代后期才开展粘土旧砂气流及湿法再生的研究，到20世纪60年代开发了湿法再生系统，20世纪60到70年代湿法再生技术在我国获得一定推广，但由于在再生过程中产生大量的污水，造成了对环境的二次污染，应用企业逐步减少，相关研究人员开始进行干法再生技术的研究。

20世纪70到80年代，我国引进了先进的树脂砂再生设备，而且粘土砂由于长期使用，有的工厂旧砂含泥量太高，铸件废品多，质量差，迫切需要解决，在此带动下一些铸机厂和高校、设计院及研究单位开展了干法再生技术的研究并开发了相应的旧砂再生设备，如震动破碎机、离心式再生机、震动球磨再生机等以改进旧砂再生中存在的一些问题。

20世纪80年代中期，铸造旧砂再生工作得到了国家相关部门的重视，获得了国家自然科学基金的支持，从再生机理、再生工艺到设备的开发，开展了全面的试验研究，开发出了气流横吹式再生机和逆流式再生机并用于生产，这些都使粘土旧砂再生技术获得快速发展。

1984年我国又成立了旧砂再生专题组，开展从理论、工艺到设备开发的实验研究，并且于1985年在昆明召开了全国第一次旧砂再生会议。

20世纪80年代末先后开发出了气流横吹式再生机系列产品，水平逆流式再生机、离心式再生机等旧砂再生设备并在企业获得应用。

1995年我国固体废弃物污染防治法开始实施，进一步推动了我国旧砂再生技术的发展。

进入21世纪，国内有多家企业推出了粘土旧砂再生设备，粘土旧砂中的泥分得到了控制，铸件的表面质量获得了提高，但主要还是实现粘土旧砂的不完全再生，再生砂的泥分含量较高，仅能重新用于粘土砂系统。

2005年1月，中国第一汽车制造厂引进日本旧砂再生系统，将湿型砂加热到700℃以上进行脆化，然后进行机械再生，再生砂用于覆膜砂制芯，在国内出现了粘土旧砂完全再生。

总的来说，我国的粘土旧砂再生工作正逐步受到国家有关部门及铸造企业的重视。

但由于起步较晚，无论是再生技术的研究，还是粘土旧砂再生设备的开发，和国外相比还存在一定差距。

国内所谓的粘土旧砂再生，仅仅是通过再生去除掉粘土旧砂中的部分泥分，再生砂只能用作补充粘土砂系统的损耗，是一种不完全再生，而对于粘土旧砂完全再生技术的研究在我国才刚刚起步。

2 粘土旧砂再生的研究现状旧砂再生的目的就是通过物理或化学的方法剥离砂粒表面的惰性膜及杂质、清整砂粒表面，提高砂粒表面的自由能，使其基本恢复到原砂的状态。

完整的粘土旧砂再生工艺应包括从落砂到混砂以前为止的整个旧砂处理过程[1]，包括磁选、破碎、筛分等预处理、再生处理以及微粉分离和砂温调节等后处理工艺过程。

2.1 粘土旧砂处理2.1.1 旧砂处理系统及特点旧砂处理工艺流程：落砂磁选破碎筛分冷却除尘自动混砂。

砂芯大多是有机树脂砂，气动微震压实半自动化造型线。

特点：能有效去除旧砂中的死粘土等微粉，死粘土由20%降至12%；使旧砂的粒度分布更加的均匀；降低了芯砂对旧砂的污染程度，控制瓷化膜总量；降低新砂加入量，新砂加入量由20%降到5%左右；旧砂的温度得到一定程度的降低，使温度了降低约10℃。

2.1.2 粘土旧砂处理存在的问题随着汽车产量的增加，到十一五末期，一汽公司铸件年产量将由现在的22万t发展到30万t，但是所产生的铸造废砂也由以前的13万t增加到20万t，直接价值2400余万元这样数量巨大的、未经有效处理以混合废砂为主的固体废弃物，对土壤及地下水资源来说是非常严重的危害，潜在的社会环保压力将难以支撑。

这在一定程度上也反映出当前我国国内铸造业整体实际状况，如果再不采取有效措施，废砂排放将会是十分严重的问题。

所以进行铸造混合废砂合理资源化应用，最大限度地实现固体废弃物的妥善处理，减轻或消除铸造中产生的废砂的污染，所以废砂的再生处理是十分必要的。

2.2 粘土旧砂再生2.2.1 粘土旧砂再生方式对于工厂来说，如何解决混有芯砂的粘土旧砂的再生是一个十分重要的问题。

这类旧砂中，既有芯砂表面附着的树脂膜，又有粘土砂中的煤粉和粘土砂表面的惰性死粘土膜。

旧砂中的树脂膜和煤粉等可燃材料在高温下可气化和燃烧，但包覆在砂粒表面的粘土中的蒙脱石在600～730℃失去结构水会烧成坚硬难溶于水的陶瓷状硬块(又被称作鲕化层或鱼卵石化层)，既不能被水洗掉，又很难用机械方法除掉。

因此，对这类旧砂的再生，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成陶瓷块。

[2]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摩擦或研磨再生工艺清除。

[3]湿型粘土旧砂中的粘结剂膜具有塑性，在受到外力作用时易产生塑性变形，易成团，这样很难通过机械的方法将粘结剂膜从砂粒的表面剥离下来。

要实现粘土旧砂的再生，首先要将砂粒表面的塑性粘结剂膜变为脆性膜，然后再通过砂粒之间的碰撞和搓擦，就可方便地从砂粒表面将粘结剂膜去除。

即采用热一机械再生法进行。

我国采用热一机械法再生湿型旧砂成功的两家企业，不约而同都是在控制焙烧温度上做了有效的工作。

重庆长江造型材料有限公司研发的间歇式燃烧焙烧炉，采用低温焙烧原理，并利用热砂排热加热流动空气和利用残留炭素燃烧产生的二次热源进行焙烧，使用焙烧反应余热和冷却热砂热对旧砂进行预加热；其机械再生装置则包括研磨再生机和摩擦再生系统，根据需要选用二级再生或三级再生，再生砂可大量用于代替新砂混制覆膜砂、冷芯盒砂和热芯盒砂。

一汽铸造有限公司采用的是“适温焙烧”，认为最适宜的焙烧温度是600～700 ℃，温度过高，残留物反而更多；全系统包括破碎磁选装置、焙烧热法再生系统、冷却系统、二级机械再生系统、风选除尘、筛分装置、物料储运系统、电控系统等。

除了上述两家企业外，经过多年实验研究，我校的孙清洲教授也研究出了适合我国国情的粘土旧砂完全再生工艺，即700℃焙烧＋机械再生+微粉分离。

实验证明采用700℃焙烧＋机械再生+微粉分离再生工艺所获得的再生砂泥分含量低于同种新砂，且经700℃焙烧可以完全消除有机芯砂混入对旧砂性能的不利影响[4]。

2.2.2 再生粘土砂特点粘土完全再生砂含泥量可降低60%左右；粒度分布基本上和新砂差不多，均匀率有较大提高；砂粒形状得到改善，棱角变圆；砂子发热量降低，受热快速膨胀性小，热稳定性好；化学性能稳定，SiO2含量接近新砂[5]。

再生砂的这些优点，有利于提高铸件精度，减少废品率。

有以上可以看出再生砂比新砂(原砂)还要好，更适合作为制造各种树脂砂芯、砂型的原砂使用；它有减少树脂加入量，提高砂芯强度，降低砂芯发气量，减少砂芯开裂造成的铸件脉纹毛刺与砂芯膨胀形成的铸件尺寸变形，减少铸件气孔缺陷等等优势。

3 再生粘土砂的应用我校张维义、孙清洲、张普庆等诸位老师对再生粘土砂用于覆膜砂工艺进行了试验，将电阻式加热炉在700℃以上高温脆化，放人逆流转子式再生机，进行3～4次再生，然后经流化床风选去泥，最后进行磁选，测含泥量、粒度、角形系数及磁选前后的酸耗值。

研究结果表明，再生砂酸耗值大于新砂的酸耗值，再生砂的含泥量低于新砂，角形系数减小，粒度组成变化不大。

再生砂混制的覆膜砂强度高于或接近新砂混制的覆膜砂强度，可满足铸造工艺的要求。

同时我校张艳、孙清洲、张普庆等老师在“再生粘土砂用于水玻璃砂工艺的实验研究”[6]一文，粘土砂再生后酸耗值大于同种原砂，合理选择再生参数前提下，与同种新砂比较，再生砂粒度组成变动不大，含泥量低于同种新砂原砂的情况下，用再生砂混的水玻璃砂强度达到或接近用同种新砂的强度，可满足工艺要求。

重庆长江造型材料公司先后用东风汽车公司铸一、铸二、铸三厂的湿犁旧砂和废砂，山西三联集团的旧砂及一拖集团的旧砂和废砂进行热一机械法再生，再生砂又分别代替新砂用于生产冷芯盒砂芯、热芯盒砂芯和壳芯，并同时用新砂生产同样的砂芯进行对比，所有砂芯均进行了浇注铸件试验，得出的结论是[7]：①覆膜砂、热芯盒树脂砂、三乙胺冷芯树脂砂、粘土砂及混合砂均可以进行再生处理，再生砂的发气量和焙烧砂相当，急热膨胀系数比焙烧砂更低，再生砂粒形更圆整；②再生砂可以替代新砂用于覆膜砂、热芯盒树脂砂、冷芯盒树脂砂、粘土砂，能生产出强度高、发气量低的砂芯；③铸造采用再生砂能减少粘结剂和同化剂的用量，降低砂芯和型砂的发气量，提高铸件的合格率和尺寸精度；④废砂的回收再生利用可以降低生产成本，可以减少对环境的污染，可实现循环经济和持续发展。