水玻璃铸造旧砂应用湿法再生的工艺设计

吴 剑

（江阴智铭铸造装备应用技术设计室，江苏江阴 214400）

0 引言

近年来，在铸造砂处理工艺设计过程中，经常有客户咨询水玻璃旧砂的再生处理问题。当谈到采用湿法再生处理时，又担心污水处理工序。

前几年，研究设计的一条废旧砂湿法再生的生产线。应用了干法、湿法和烘干的联合再生处理工艺，为企业解决了长期存在的问题（废旧砂的去向）。技改投资不大，回收处理效果明显，主体上清理了工况场地、增加了空间利用、回用砂集约入库，改善了环境。

显然，从铸造产业综合效益来讲，水玻璃砂的旧砂再生是生产全过程的重点环节。在工艺措施上可采用在线再生或离线再生。整个环节体现在：原砂资源的再利用，废弃物排放的减少和改善作业环境等，是一种符合可持续发展的绿色铸造工艺[1]。

1 水玻璃的性质

水玻璃是水溶性的硅酸盐（常用硅酸钠）。铸造工艺中添加某种的表面活性剂而形成流态化自硬水玻璃砂。水玻璃砂铸造工艺在铸钢、铸铁、有色金属铸造中广泛应用。

硅酸钠本身是一种弱酸强碱的生成物，在水解时与H+结合成离解度小的H2SiO3、H2Si2O5等分子，使溶液中出现多余的OH-离子，使之呈碱性。

水玻璃的碱度大小与其模数有关，常用水玻璃的pH 值在10～13 之间。

水玻璃旧砂回用宜采用湿法处理比较实用。湿法再生就是将旧砂用水浴冲洗，使水玻璃薄膜中的碱和硅胶在水浴中溶解、分解。如果适当提高水温、或带弱酸性，其再生效果更好。

由于水玻璃旧砂的再生性能与原砂还存在一定差距，必须对回用量进行控制，一般不超过50%[2，3]。

2 水玻璃砂旧砂处理方法

水玻璃砂旧砂，如果采用干法再生处理，再生效果不好，胶质状的水玻璃不宜脱膜，不是合理的再生方法；如果采用热法再生处理，焙烧炉的焙烧温度需要很高，成本太大，后续处理工艺复杂，不是理想的再生方法；而采用湿法再生处理，针对它的性状通过水浴搓磨达到水玻璃溶解、松散、脱膜，净化而实现砂再生，工艺不是很复杂，处理规模较大时，是比较理想的再生方法[3]。湿法再生的三个重点要素：水浴冲洗、脱水烘干、污水处理，而污水处理是一个难题（环保要求、不宜直接排放）。

3 工艺方案与核心设备

水玻璃旧砂的再生，采用独立的、离线湿法再生处理工艺，并考虑旧砂来源的复杂性。通过湿法、烘干的综合再生处理，使再生砂应用指标达到品质合格的常规要求。

3.1 工艺流程

再生处理的工艺流程：对水玻璃旧砂先进行破碎、磁选、筛选（控制颗粒度、去铁杂物），再经滚筒水浴浸泡、搓磨水洗（水解、脱膜、控制pH 值），脱水烘干（控制含水率）和净化、冷却的过程。

水浴浸泡的作用，是便于水玻璃溶解，不是单纯的水洗。

设计产能20t/h 旧砂湿法再生工艺单元，其工艺流程设计：旧砂预处理（破碎机、输送机、磁选机、提升机）进入滚筒搓磨水洗机，经搓磨水洗后负压脱水，再进入快速立式烘干炉（电加热），再经冷却处理和第二道磁选机后提升入库。单元的核心设备是滚筒搓磨水洗机。

整个工艺流程配置组合布袋除尘系统，构成一个独立的离线再生单元。水洗过程排放的污水通过污水处理池进行集中化学中和处理，形成循环水回用，避免二次水污染[4]。

3.2 滚筒搓磨水洗机

滚筒搓磨水洗机是一种卧式滚筒体配置、轴向叶片搅拌的水洗设备（水浴功能），是集搓磨搅拌、定向输送和冷却（需要冷却时）多道工序为一体的砂再生设备。更适合水玻璃旧砂的水洗再生处理。

滚筒搓磨水洗机采用卧式结构，其动力驱动稳定性好。在实际应用中，滚筒搓磨水洗机空载时的噪音低于80dB（A）（样机检测结果）。

滚筒与搅拌主轴的转动方向相反，可有效利用主轴上导向叶片（弧形）对砂料的搓磨搅拌，螺旋形导向，达到输送、清洗的效果。砂料进入筒体后、同时进入大量循环水水浴浸泡冲洗。并实现对砂料的切向对流和搓磨搅拌，砂料含有的小颗粒团块不影响水洗过程。

采用常温循环水在筒体内搅拌水洗，对热旧砂有冷却的作用。蒸发热气流随除尘系统排放（设置除尘罩），不影响生产环境。

3.3 主要技术参数：

滚筒体直径：ø1400 mm；滚筒转动速度：9.11 r/min；滚筒驱动功率：11kW；搅拌筒体直径：ø1200 mm；搅拌筒转动速度：27.71r/min；搅拌驱动功率：15kW；生产能力：10～20t/h。

4 再生砂的脱水

在现实生产中，滚筒搓磨水洗机是必须的常用设备，经搓磨水洗的湿砂首先进行脱水（砂水分离），然后是烘干。

图1 滚筒搓磨水洗机

脱水的方法通常采用：

（1）脱水池自然环境脱水（自然沉降法）：在现场设置一个脱水池，底部采用过滤网板重力降水过滤。其工艺简单、成本低，但消耗时间比较长，脱水率不是很高。（2）脱水桶离心脱水：采用离心机离心脱水，间断性工作，其脱水能力有限，小规模生产可以采用（一般在选矿洗矿中应用）。（3）真空脱水：利用真空原理，进行负压脱水。

例如，设计应用的一种振动输送机，利用振动输送过程进行负压脱水，输送槽面局部采用过滤筛网（高密度），底部真空负压，实现连续脱水输送的工作状态。砂脱水后即进入旧砂烘干流程，而水（污水）引流到沉淀池，工艺上并不复杂。

还有一种真空皮带输送机的脱水工艺，砂脱水后即进入烘干工艺。

5 污水处理与水循环系统

应用滚筒搓磨水洗机的供水压力选择150～250kPa，可满足滚筒水浴的应用要求（有浸泡时间）。连接水循环处理系统（含有冷却塔和补水管路）充分利用循环水回用。

5.1 污水沉淀与回用

水洗后的污水沉淀、回用是利用四个相连的沉淀池（设计二个沉淀池、一个净化池、一个清水池）。污水进入第一沉淀池，比重较大的泥沙先沉淀，而溢流到第二沉淀池的泥砂大部分在池中沉淀。由于沉淀污水是碱性水溶液，必须进行净化检测和化学中和处理（模数不同的水玻璃，酸碱度不同，注意检测）。

沉淀池的沉淀物一般以细砂为主，还有未溶解的惰性膜成分以及其他杂物，应进行有效的环保处理。

5.2 水循环系统

图2 水循环污水处理沉淀池

二道沉淀池（水容量约18m3/个）为污水二次溢流过渡的泥砂在池中沉淀、并处理浮沫（胶质物）。可以设置污水搅拌装置，达到快速沉淀的目的。当过程回流到净化池时，应进行pH 值检测，控制酸碱平衡。

水冷却不是重点，可以在冷却塔循环过程中实现。

净化池为化学中和处理池，检测调整水质的酸碱度（pH 值）。净化后补水，溢流到清水池提升进入冷却水塔，并回用。

在自然环境下，阳光和雨水的外来条件是污水净化的有利因素。雨水可以补充清水池水源，阳光可以进一步净化水质。清水池的溢流水可以向地沟排放（可以检测pH 值、符合排放标准，即可排放）。

6 结束语

由于环保要求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，必须重视旧砂再生的重要性、必要性。重视绿色环保、资源再利用的创新发展理念。旧砂再生永远是铸造业的研究课题。上述水玻璃旧砂的湿法再生工艺设计供铸造企业参考。