水玻璃铸造旧砂再生方法及设备研究进展

汪华方 徐雨哲 卢记军

摘 要：水玻璃砂在绿色铸造领域有着非常广泛的应用，但旧砂再生难题长期困扰着铸造与环保工作者。针对这一问题，国内外学者先后提出了干法再生、湿法再生、加热干法再生、化学再生、生物再生等水玻璃再生方法。对现有的几种典型的水玻璃再生方法的原理及其设备进行了详细的阐述，分析了各类再生方法的优缺点，介绍了课题组开发的一系列水玻璃旧砂再生设备，认为未来水玻璃旧砂生物再生将重点研究绿色高效的水玻璃旧砂促溶剂以及再生设备的开发。

关键词：铸造工艺与设备；水玻璃旧砂；再生方法；再生设备；绿色铸造

中图分类号：TG233 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）03-0232-06

铸造可以分为砂型铸造和特种铸造两大种类，其中砂型铸造产量为80%～90%[1-3]。砂型铸造可以分为黏土砂型铸造、水玻璃砂型铸造和树脂砂型铸造，其中水玻璃砂型铸造较其他铸造方法更具有环境友好性，因此，被普遍认为是最有可能实现绿色铸造的工艺[4-8]。

水玻璃砂工艺自20世纪60年代传入中国后，得到了广泛的应用。水玻璃砂型铸造工艺优点颇多，具备价格便宜、流动性好、硬化快，型（芯）的尺寸精度高等特点，同时在使用过程中也无黑色污染产生[9-10]。然而，水玻璃砂型铸造工艺也存在着难以解决的问题，如溃散性差，落砂异常困难，再生回用率低等。废砂的随意丢弃对环境造成了非常严重的污染，如果能够实现水玻璃重复利用且不再产生二次污染物，那么该工艺将会实现清洁和无公害生产，所以旧砂再生从初始就被认为是水玻璃工艺应解决的重要问题。进入21世纪后，大量新型装备和工艺的出现基本解决了水玻璃的溃散性问题。旧砂再生作为铸造学术界的多年难题，依然是水玻璃砂型铸造工艺的研究重点，也是阻碍实现绿色铸造的关键问题。

1 水玻璃旧砂再生方法的分类及优缺点

常用的水玻璃旧砂再生方法主要包括干法、湿法、加热干法、化学法、生物法等，它们的原理和优缺点如表1所示，在此基础上还可组成“干法-湿法”、“湿法-化学法”等多种再生方法与技术[11]。

加热干法再生和湿法再生的使用最为普遍。加热干法再生：旧砂和金属构件或砂粒互相“碰撞摩擦”，从而使旧砂表面的残留黏结剂发生破坏、脱落，进而使旧砂再生[12]；由于在再生过程中有大量碱性粉尘产生，所以除尘成为再生过程中必不可少的环节，所得到的再生砂质量并不高。湿法再生：将旧砂放入水中溶解，同时不断搅拌旧砂与水的混合物，从而除去旧砂表面的残留黏结剂，在此过程中，会产生二次污染（污水、污泥），这时需要进行化学反应对二次污染物进行处理。由于这2种再生方法存在砂粒（或砂水）之间及砂粒与设备之间的机械作用，因此再生时会改变再生砂的表面组分、圆整度和级配等特性，而且能耗很大，副产物的二次污染比较严重。

脱膜率是评价再生砂性能的主要指标，

而残留Na2O含量是计算再生砂脱膜率的重要参数之一，若水玻璃旧砂中残留Na2O含量过高，脱膜率过低，极易造成Na2O的大量积累，而导致型砂的耐火度变差，其使用性能受到严重影响[13-15]。

2 典型水玻璃旧砂再生工艺

2.1 干法再生

水玻璃旧砂干法再生工艺的步骤：1）预再生；2）再生；3）除尘。其中预再生由振动落砂机完成，再生有多种方式，常用的方式有：1）机械离心方式；2）气流撞击方式；3）立式逆流摩擦方式。抽风除尘在干法再生过程中是必不可少的环节，目的是去除粒径为106 μm（约150目）以下的颗粒。

图1为樊自田等[16]开发的一种旧砂干法再生机。它由2部分组成（弹簧上的筒体和振动电机），加砂口位于筒体的上方、筛板被装在筒体内下部，筒体横截面形状为正多边形，筒体中轴安设贯穿筛板的抽风管，筒体底部连通风选漏斗，振动电机2台，以筒体中轴对称安装于筒体外表面。

图2为周锦照[17]开发的一种螺旋振动式全能再生机。其特征是在装有2台交叉对称的振动电动机的机体外筒（3）内，设有内筒（5）、螺旋输送槽（6）、筛网（7）、出料槽（8）、风选罩（10）和抽风管（9），全部支撑于缓冲器（2）之上。螺旋振动作用由2台振动电机激振产生，通过振动、碰撞和摩擦使砂粒表面残留的黏结剂膜反复磨损从而达到再生，再经过一些辅助步骤后，便可取代原砂回用于生产。

2.2 湿法再生

湿法再生工艺具有擦洗效率及Na2O去除率高、耗水量小、磨损件少、再生砂质量好等优点。对水玻璃旧砂进行再生处理时需按照如下步骤操作：1）磁选；2）粉碎；3）过筛；4）二次磁选；5）浸泡在10倍左右的稀碱水中；6）利用设备进行搅拌；7）过滤、淋洗；8）甩干、烘干；9）冷却。

图3介绍了樊自田等[18]开发的铸造间歇式旧砂湿法再生的设备。此工艺及配套设备适用于黏土、水玻璃和碱酚醛树脂等旧砂，具体步骤如下：1）一次擦洗。按质量比1∶0.5～1∶3，将旧砂与清水分别加入擦洗筒内进行搅拌，搅拌时间为30～300 s，然后将擦洗筒内的污水排出；2）二次擦洗。继续将清水注入擦洗筒，擦洗筒内的清水与旧砂的质量比仍按照步骤1）配备，注入清水后对擦洗筒内的清水与旧砂进行搅拌，时间为30～300 s，然后将擦洗筒内的污水排出；当砂样表现为碱性时，搅拌的同时加入硫酸或者盐酸，当使用硫酸时，1 kg旧砂使用0.15～0.25 mL硫酸（硫酸的质量分数为98.3%）；当使用盐酸时，1 kg旧砂加入0.8～1.5 mL盐酸（盐酸的质量分数为37.5%）；3）三次擦洗。再次将清水注入擦洗筒内，此时清水与擦洗筒旧砂质量比为1∶3～1∶0.5，再次進行搅拌，此时搅拌时间依然为30～300 s，然后将筒内的旧砂与污水排入分离设备，达到分离效果；4）检验。将得到的湿砂经脱水、烘干后，检验其质量是否符合要求，如符合要求则结束，不符合则转步骤2）。

2.3 加热干法再生

加热干法再生工艺的主要步骤：1）破碎；2）磁选；3）焙烧；4）再生机；5）风选；6）沸腾冷却去灰。其中焙烧炉温度在350 ℃以上，再生机为双极磨盘。另外，在此过程中，有4个值得注意的问题：1）加热温度必须在350 ℃以上；2）旧砂焙烧过后应该立即进行再生，这样效果比较好，否则水玻璃膜冷却后可能会产生回韧现象，使脱膜难度增大；3）高效的冷却设备在再生过程中也是必不可少的；4）二级磁选应该选择在常温进行。

图4是孙清洲等[19]开发的一种旧砂再生加热炉。该加热炉包含带有进砂口和出砂口的炉体，炉体内有多层隔板，每层隔板上都设计有漏砂孔，同时相邻隔板上漏砂孔是错位的，当隔板上的非通孔位置砂子不断累积时，会形成许多砂堆，同时沿着砂堆滑落并通过漏砂孔下落到下一层，同理砂子会下落到最底层，可通过底层砂口排出。同时在下落过程中砂子被不断加热，这是因为特殊的炉膛结构保证了足够的热交换面积、行程和时间。二次回烟补风装置的设计思路独特、新颖，既保证了燃烧空气的需要量又利用了部分余热，节省能耗[20]。

2.4 化学法再生

化学再生法使用并不广泛，该方法不需要特定的设备。具体的操作方法：加入NaOH水溶液，使高模数水玻璃溶于水且使其模数降低，并使新、旧水玻璃反应后的“模数-浓度”低于临界值，从而保证有充足的时间进行混砂及造型。型砂的分析和检测在化学再生工艺中是非常有必要的。首先旧砂中的残留 Na2O的总量应该被控制，然后测得再生残留 Na2O的含量和含水率，最后计算出新加入的水玻璃模数和浓度，控制新、旧水玻璃反应后的“模数-浓度”在临界值以下。

水玻璃旧砂的化学再生法应该与物理（干法）再生法一起使用，不仅可避免Na2O的无限积累，也降低了对再生砂Na2O去除率的要求。

3 新型水玻璃旧砂再生工艺

综上所述，现有的4种典型水玻璃旧砂再生工艺各有难以解决的缺陷，有的再生质量较差，有的存在二次污染，有的能耗大，開发一种新型的能耗低、无污染且高效的旧砂再生工艺成为研究热点。

本课题组开展的水玻璃旧砂的再生研究主要为生物法再生，采用硅藻培养基浸泡水玻璃旧砂以获得硅藻赖以生存的“缓释型硅源”和其他营养水体，依靠太阳光能源，使硅藻在适宜的水文、微量元素营养和外加电磁场等条件下大量繁殖直至发生“人工水华”，硅藻水华及其产生的活性物质加速了旧砂表面水玻璃“硅源”的溶解、脱膜，从而实现旧砂生物再生。而体内固定了大量水玻璃的硅藻水华能通过资源化处理，再生成为工业原料。

为此，课题组开发了一系列的设备，具体如下。

1）水玻璃铸造旧砂生物再生系统由增氧机、培养箱、笼型过滤器、热泵等组成（如图5所示）。再生时，首先在上层清液中设置一个笼型过滤器，将星杆藻、直链藻、舟形藻、针杆藻、小环藻、冠盘藻、曲壳藻、圆筛藻、骨条藻等组成的微藻群落投放在上述笼型过滤器中，将上述含微藻群落、笼型过滤器、培养基和水玻璃旧砂的培养箱放置于太阳光下，水体中放入增氧机（1）使水体产生流动，春、夏、秋季时水体温度一般保持在5 ℃以上，可以不加热，在上述条件下进行大规模的微藻培养，待水玻璃旧砂的脱膜率超过95%时，停止培养，取出笼型过滤器，下层水玻璃砂干燥后即得生物再生砂。

2）水玻璃铸造旧砂原位再生设备由进水管、取样管道、塑料膜、排水管道、排灌及加热系统等组成（如图6所示），其再生过程为①取旧砂原堆积地的旧砂作为底泥构建池塘；②池塘中心区域预埋一根塑料管用于旧砂脱膜率测试取样；③旧砂上表面、池壁铺一层塑料膜，预埋管外壁与塑料膜通过防水胶无缝结合，靠近池壁部分的塑料膜上用细针扎出直径为0.01～1 mm的孔洞；④向塑料膜组成的培养池中注入地下水，通过孔洞将旧砂浸泡起来，并投入氮、磷、钾等营养盐；⑤将微藻群落投放到塑料膜池塘内，并大规模培养微藻；⑥旧砂脱膜率、水体pH值达标后停止培养；⑦排出培养池内的水，剩余的再生砂和微藻可用作饵料、硅肥等。

3）水玻璃铸造旧砂再生生物反应器由光源收集发散系统（凹面聚光镜、光纤、导光板）、单片机自动控制系统、藻类分散器和收集器等组成（如图7所示），可实现温度、水位的监测与控制，以及溶液pH值、光照强度的监测和微藻收集等功能。

采用Pt100铂热敏电阻温度传感器（8）实时监测培养液温度，将采集到的温度信号放大处理后通过数据传输线（1）发送到控制器，控制器将得到的信号处理后，将温度数据显示于数据显示器（2）；同时，当培养液温度低于或高于程序设定的温度值时，通过控制加热装置（14）使温度恢复于设定范围；液位传感器（9）将实时监测水位数据，并将其传入控制器，数据经处理后，水位数据被显示于数据显示器（2）上，同时，当箱体内水位偏离设定值时，通过控制进/出水水泵（18）工作，使水位恢复至设定值；自然光通过太阳追光器（7）并由光导纤维传输至导光分散柱（13），箱体内有光照传感器（15）实时监测反应器内的光照强度，同时光照强度值会显示于数据显示器（2）上。当箱体内发生微藻水华时，通过控制抽藻电机（17）工作，将箱体内的微藻与培养液导入微藻存储箱（20），将微藻打捞分离制成鱼类饵料、硅肥、硅藻泥，且箱体内的培养液可以重复利用培养微藻，节约了水资源。

4 结 语

目前，水玻璃旧砂再生的几种主要方法各有优劣：1）水玻璃旧砂干法再生的主要缺点是残留Na2O去除率低，虽然通常使用延长再生加工时间来提高Na2O的去除率，然而这种做法可能造成砂粒的粉化和破碎；2）湿法再生所需设备庞大，且会产生二次污染；3）加热干法再生极其耗能，且旧砂加热过后需要设备进行冷却；4）化学法再生在实际使用过程中，对有害和无害的Na2O尚无方法有效区分，重复使用会造成更加严重的Na2O累积。

对于本课题组所研究的生物再生法，虽然具备能耗低、无污染的优点，但是由于水玻璃旧砂表面的黏结膜不易溶于水，因此需要在培养箱内反复培养微藻消耗水玻璃，以实现水玻璃旧砂脱膜率达到要求，导致了水玻璃旧砂回用时间过长；另外，硅藻的繁殖受环境影响极大，在自然生长条件下，硅藻很难发生水华，无法达到对大量水玻璃进行再生的目的。基于以上2点，建议：1）研究水玻璃旧砂溶液促溶剂，加大水玻璃旧砂表面黏结膜在水中的溶解度；2）研究与开发水玻璃旧砂生物再生设备，通过控制硅藻的生存环境来实现硅藻的大量繁殖。

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