离线再生工艺在铸造废旧砂工艺处理中的应用

吴 剑，陈 峰 ,刘 颖

（1.江阴智铭铸造装备应用技术设计室，江苏江阴 214400；2.苏美达股份有限公司，江苏南京 210018；3.中国民用航空华东空管局山东分局，山东济南 250107）

1 主题意义

在铸造生产过程中，规模型的生产线通常需要大量的新砂、旧砂和辅助材料作为造型、制芯的工艺用料，而旧砂的用量则占有最大比例。在成型浇注后经落砂产生大量的废旧砂，在回用过程中需投入大量的人力、物力和财力，又形成大规模的再生砂处理环节。

废弃处理会造成资源浪费和环境污染，而且近年来已经形成比较严重的、有环保问题的、影响企业发展的一个瓶颈。所以，旧砂再生、合理回用已成为企业发展、转型升级和环保的一个重点，刻不容缓。

旧砂再生回用，从企业综合效益来讲是铸造生产全过程的重点环节。按现有条件可采用在线再生，亦可采用离线再生，具体取决于企业的工况条件。旧砂再生的目的是使原砂资源再利用，减少废弃物排放，减少环境污染，并改善作业环境，是一项符合可持续发展的技术措施。

由于铸造工艺、铸造材料的不同而存在的再生特性的差异，对研究废旧砂的再生处理、技术装备、工艺流程、终端排废和相关再生技术的处理效果与品质显得至关重要[1]。

2 流程结构

离线再生工艺是一个有代表性的独立工艺技术，不影响铸造生产。其工艺流程通过采用干法+热法+干法的综合处理方法，使大量废、旧砂转化成高品质的再生回用砂，作为商品去替代原、新砂使用及不同类型的铸造生产用砂场合。

离线再生工艺适宜独立的、配套型的中小型企业生产，是一种积极有效的、合理的资源再利用，是降低成本的有效措施。同时，也为铸造企业的废旧砂处理，解决了后顾之忧。

2.1 离线再生处理的主要对象

其一，必须对废旧砂中形状不一、大小不一、品质不一的砂团块和烧结物（僵豆）进行有效的破碎、筛分。

其二，必须对废旧砂中混合的铁杂物、不同粘结剂的混合物（芯子）进行有效的筛分、磁选和必要的焙烧处理。

其三，合理选择核心工艺装备。利用其工艺特征，发挥离线再生工艺装备的应用优势，实施环保措施（主要涉及到粉尘、烟气和有害气体的扩散与排放）[2]。

2.2 废旧砂离线再生处理

采用一套干法+热法+干法处理的独立综合再生技术方案，适用于常规旧砂再生的工艺特点，并考虑废旧砂来源的复杂性。通过干法+热法+干法的综合处理使再生砂达到高品质的质量要求，从而使大量废旧砂通过再生工艺获得新生[3]。同时，没有大量的废弃物排放，对环保要求影响不大。

3 工艺设计

3.1 再生类型选择

通常砂再生的选择类型有：干法、湿法、热法和联合处理法。一般认为在工艺条件允许的情况下（考虑工厂具备的现有条件），首先选择干法再生比较经济合理。有机脂铸造类型的废旧砂，可选择干法+焙烧联合再生比较适宜。比较复杂的、品质不明的铸造废旧砂，宜选择干法+热法+湿法联合处理，可实现良好的砂再生效果。

粘土砂的废旧砂再生回用，可选择干法再生，并加大强力搓磨和去灰除尘的处理力度，是比较经济合理的。主要是针对粘土砂中的烧结物（僵豆）、粉尘，使其在通过强力搓磨破碎后可获得再生。

其他铁杂物的处理可通过筛分和多道磁选来分离净化。砂温冷却一般通过空气对流的热交换方式降温（如鼓风与振动沸腾冷却）比较合理。

还有除尘系统的灰粉处理可采用湿法螺旋搅拌机的挤压成型方法处理，避免终端的二次污染[2]。

空间外差光谱技术(Spatial Heterodyne Spectroscopy，SHS)是20世纪90年代由DOHI和SUSUKI提出的一种新型空间调制型高光谱分析技术，综合了光栅和迈克尔逊干涉仪的特点，在窄频谱范围能获取极高的光谱分辨率和信噪比[1-3].与传统干涉仪相比，空间外差光谱仪凭借超高分辨率、高通量、瞬态探测等优势，受到国内外广泛关注，同时光谱仪体型小、功耗低，符合小型化卫星载荷的需求.目前，该技术在大气微物质成分探测、大气污染探测、气象观测、卫星遥感探测等方面都具有十分重要的应用[4-6].

3.2 工艺设计特点

首先必须强调，由于废旧砂的复杂性，离线再生处理的工艺过程是一个有针对性的特性处理过程。

（1）工艺流程，必须对废旧砂进行有效分解破碎（控制颗粒度）、二级磁选（清理铁杂物）、焙烧（脱膜）、冷却筛分（选择颗粒度）、搓磨破碎、去膜去灰、砂净化。最终实现对复杂废旧砂团块的破碎、分解、松散和冷却。

有机脂类旧砂，对失效的、脆性的、溃散状的惰性膜达到脱膜、去膜、去灰和圆整的目的[4]。

（2）干法+热法+干法的综合再生处理方式，主要利用砂处理设备与核心砂再生设备来实现的一种高温电阻炉加热方法。其中包括：破碎筛分设备、输送设备、焙烧炉、振动沸腾冷却、强力搓磨再生、二级磁选风选等，最后入库定量包装。

整个工艺过程配套组合布袋除尘器系统，构成一个独立的离线再生工艺单元，若通过自动化控制系统可实现机械化离线生产（见图1）。

图1 5～8t/h 废旧砂离线再生工艺单元一种电阻炉加热法+干法再生的独立工艺流程

（3）核心砂再生设备，包括：滚筒破碎筛分机（松散分解）、反击式破碎机（小块破碎）、焙烧炉（有机脂分解）、振动沸腾冷却机、强力搓磨再生机、悬挂式强力磁选机等。

（4）在旧砂通过冷却后，再生砂进一步的颗粒净化非常重要。由于再生砂的品质指标之一是砂颗粒净化要求。在技术条件、制造成本有限的前提下，必须考虑合理的工艺设计方案。

（5）热法再生一般常用焙烧炉高温燃烧的手段来实施。焙烧炉燃烧的原料有天然气、煤气、轻油等介质，也有燃烧煤、焦的形式，但污染比较严重，目前已属于淘汰的工艺类型。

而天然气燃烧是目前铸造行业广泛应用的工艺手段。但存在的问题是天然气应用成本高，一般中小型铸造企业在旧砂再生处理的产量上受到限制（再生量不够、小规模的状态），利益成本高（产生1t 合格再生旧砂的价值远低于所消耗天然气的市场价值）。一次性砂再生处理设备的投资成本也高。所以，很多业主在技术改造时往往是望而却步[5]。

4 再生砂的品质特性

4.1 废旧砂复杂性的分析

（1）常规造型用砂：由0.05～1.0mm 的石英颗粒（通常称硅砂）所组成，一般小于0.05mm 的石英颗粒称作为石英粉。

（2）常用耐火材料有耐火粘土（陶土）、铬砂、镁砂、铬镁砂及其他材料，用于配制大型和重型铸件以及合金钢铸件的型砂，材料烧损为10%左右。

（3）造型材料中，一般再生回用砂用量约占新砂量的30%～50%（每吨铸件废旧砂消耗1t）。而废旧砂中可能存在的复杂物质有铁杂物、烧结膨润土（僵豆）、过烧有机脂（脆性膜）、铬铁渣、表面活性剂残留、煤粉、鳞片石墨混合物和操作过程的有机杂物等[6]。

4.2 控制再生砂的质量指标

按铸造用砂的技术要求，废旧砂经生产线综合再生处理后的质量控制，通常选择几个主要技术指标：灼烧减量（有机脂砂旧砂再生）、颗粒度分布、酸残留量（pH 值）、粒度匀整（表面形态）、粉尘含量及砂温控制等[6]。

（1）经综合再生处理后的旧砂团块、颗粒物应彻底解体、砂粒品质均匀圆整，而且净化旧砂的灰粉和惰性物，使旧砂品质接近原砂性能，在综合质量指标上符合相关技术要求。但是，旧砂再生不是无限的，随着再生次数增加，型砂抗拉强度会降低，所以应合理选择应用场合。

（2）再生焙烧炉温度控制：废旧砂焙烧温度控制在300～400℃为宜，可有效控制有机脂旧砂的脱膜率，温度不宜过高，会影响成本[7]。

（3）有机脂旧砂的灼烧减量控制在2.0%以下，并保持相对稳定，不然直接影响型砂性能（旧砂焙烧温度400℃时，灼烧减量值可降至3.0%以下）[8]。

（4）注意实施中应严格区分树脂砂、水玻璃砂、粘土砂等旧砂混合物来源的性质（因其含水量、酸碱度、粉尘及铁杂物含量等性质不定），并适时检验检测，适时调整生产工艺措施。

5 离线再生技术优势

目前，国内现有铸造企业的技术水平和生产能力，还远远不能达到铸造业发展水平的要求，只能满足一般铸造工艺水平的状态。大规模的铸造生产线、自动化生产线在国内还是少数。在铸造业群体性的都普遍存在着不同程度的高能耗、环境污染、烟气排放、废旧砂随意排放等问题。

在主题意义中，客观描述了铸造车间技术改造和转型，必须先解决现状的瓶颈问题，整治工况环境、清理废旧砂、集中再生处理，以解决企业处理废旧砂的后顾之忧[5]。

5.1 离线再生处理工艺

离线再生处理工艺是一个集中处理废旧砂的环保型措施。其利用各企业的废旧砂进行集中再生处理，既解决了企业对废旧砂的排放问题，又为企业提供了再生砂在生产中的回用（返销），降低了企业生产成本。

5.2 离线再生工艺方案

总体布局上首先考虑外部环境与综合再生处理生产线的平面布置（场地要求不大），以及粉尘排放与除尘器系统、废旧砂物流输送、车间生产流程和终端废弃物处理。

（1）标准工业厂房要求，整体钢结构厂房、符合通风、采光要求，完成配电设施等。厂房基本满足通路、通水、通电条件，并调整水循环系统和燃烧系统（煤气或天然气）进出管路连接的布局（燃气工艺时）。

（2）再生处理生产线的技术装备和除尘设备进行合理选型采购，并注意各成套核心设备、除尘器和非标设备的技术性能、安装调试及相关物流运送的事项，便于日后的检修、维护、保养。

（3）有关电气控制方面应考虑专业设计、专业制造，提供并配置可靠的电气元器件、数字模拟和网络监控、检测技术等[3]。

6 结束语

随着市场经济的不断发展，对铸造产业和铸造产品的要求越来越高，各种铸造工艺技术亦得到不断提升和普及。然而，由于环境污染和原砂资源问题的突显，直接影响铸造产业生态发展的前景。

所以，必须重视砂再生的重要性、必要性和资源再利用的创新发展理念。注重在铸造工艺装备研发、单元设计的应用中，围绕砂再生、砂处理的核心设备进行重点研究与应用。