铸造旧砂再生与超低排放除尘器的应用

2022-05-27王德润黄文强

铸造设备与工艺 2022年2期

王德润，黄文强

（1.五洋百川（青岛）智能设备有限公司，山东青岛 266700；2.科莱尔（青岛）环境工程有限公司，山东青岛 266700）

近年来国家对于环保的重视以及对节能减排的要求，给铸造行业带来了巨大的意识冲击、高额投资和运行成本变化。铸造厂的排放占比较高的仍是“废砂”“粉尘及VOC 排放”两方面。本文将从铸造环保设备角度，分别阐述旧砂再生技术、超低排放除尘器两个主题，所有介绍均源自大量工程实践经验、前沿工艺的各种实验与数据分析，并适当列举了铸造企业投资思路的建议以及投资成本分析等内容。

1 旧砂再生及循环再利用

砂型铸造在铸造工艺中所占比例较高，无论是黏土砂工艺、树脂砂工艺、水玻璃砂及无机黏结剂工艺等，均大量消耗铸造用砂。随着近年来国家对矿产资源的大力整顿，硅砂资源越来越少，成本越来越高，加上物流、人工成本的变化，铸造用硅砂的终端价格不断上涨；人造砂如“宝珠砂”“陶瓷砂”等也有较大成本的变化，且一直有持续上涨趋势。另一方面由于国家对资源循环利用和保护生态环境的日益重视，对废砂的处理提出了越来越高的要求。废砂的主要组成物是旧砂，对旧砂的再生与循环利用的研究可以大幅度地减少废砂排除，同时也减少原砂的购买量，对降低铸件生产成本和环境保护都有极为显著的效果。

1.1 黏土砂旧砂再生+覆膜砂全自动混制工艺应用

目前铸造行业黏土砂工艺占据废砂排放的额度最大，一个中大型规模的黏土砂工艺的铸造企业，每年产生废砂预计2～3 万吨以上，黏土砂旧砂的整体再生工艺经过十几年的探索已经完全成熟，再生砂的目标是100%应用到覆膜砂新砂，因此“黏土砂旧砂再生+全自动覆膜砂生产”可基本实现旧砂整体应用，当然不同企业有不同的旧砂比例，包括是否掺杂其他覆膜砂、冷芯、树脂砂旧砂。图1 为常规黏土砂旧砂再生及全自动覆膜砂生产线工艺布置方案。

图1 黏土砂旧砂再生及全自动覆膜砂生产线工艺布置图[1]

图1 方案规划为5 t/h 的系统处理能力，工艺单元分为两个工部。A 为旧砂再生工部：旧砂存储—一级破碎筛分—多级磁选—过渡仓—变频定量给料—立式焙烧炉结构的热法再生单元—冷却单元—机械再生单元—分级筛—再生砂仓；B 为全自动覆膜砂工部：给料系统—加热炉—全自动配料各单元—覆膜砂强力混砂机—振筛装置—冷却器—分级筛—成品覆膜砂仓。以上两个工部根据用户实际需求可进行灵活布置、灵活选型搭配。

该生产线为5 t/h 能力，年生产能力为：20 h×25 d×12=30 000 t/h.

以某用户实际生产为例，每吨黏土砂旧砂再生净成本预计150 元～200 元，与采购新砂400 元/吨相比，每吨有200 元左右的投资收益。而在覆膜砂生产环节，该客户对覆膜砂要求中等，采购价在900 元/吨，即使为自行采购新砂或外购再生砂，自行制造覆膜砂连同人工运行所有费用，覆膜砂环节也有每吨200～300 元的收益，按每年2 万t 再生砂再制成品覆膜砂中线来讲，按照400 元/吨的保底净收益，每年也有800 万元的投资回报。而整条线连同非标钢结构的投资成本，已经控制在1 000 万元左右，因此如果有一定的产能规模，基本上18～24个月内可以收回全部投资。

对于小型铸造厂可以采用卧式焙烧炉进行旧砂再生，对于每年1 万吨旧砂排放量的企业可以采用3 t/h 的黏土砂旧砂再生+覆膜砂全自动混制生产线，整体投资额控制在400 万～600 万之间，可彻底解决废砂固废排放的问题。

1.2 覆膜砂、冷芯、PEPSET 等旧砂再生工艺

随着对于铸造灰铁、球铁、铸铝、包括部分铸钢用覆膜砂等要求的提高和工艺的大量推广，旧砂排放形成巨大的废砂量，针对覆膜砂旧砂的再生工艺也得到了快速发展。

例如某中小型铸造厂生产小型重卡铸钢件，每天覆膜砂用量在30 t/h 左右，原来覆膜砂采购成本为850～950 元/t，旧砂排放免费让第三方覆膜砂生产厂拉走，虽然固废排放相当于“零成本”，但本质还是忽略了旧砂本身的价值、以及第三方用多家再生砂再制覆膜砂带来的质量稳定性、车间倒运成本、管理成本等一系列问题。针对该客户设计并安装了旧砂再生生产线，如图2 所示。该项目整体投资为300 万～400 万左右（含除尘、电控、非标钢结构等），上线后每吨旧砂热法再生的成本仅140 元，可完全取代400 元/吨的新砂，每吨再生直接创造260 元的经济效益，用户多余砂可以对外按照等同于新砂的价格对外销售，部分再生砂用于自己的覆膜砂生产，每吨覆膜砂自制至少节约200 元～300元成本，对于用户基本上在投资一年即收回全部成本。

图2 覆膜砂芯砂再生及全自动覆膜砂生产线工艺布置图[2]

对于铸铝等PEP-SET 工艺，前期预处理需要考虑铝材杂质的特殊性，预处理后经2 t/h～3 t/h 卧式焙烧炉等热法再生流程之后，进入树脂砂常规混制工艺。目前该砂处理再生及混制工艺已经有广泛应用。

1.3 3D 打印专用呋喃旧砂的热法再生工艺

砂型3D 打印技术在2018 年前后进入到快速推广阶段，但前期的推广仅限于部分大型铸造厂、特殊工件铸造企业的异型件的开发与试制。

目前国内的设备趋势是：1）国产设备已经大量占据市场；2）大型砂型尺寸的3D 打印机日臻成熟；3）3D 打印用砂原来被2 000 元/吨～3000 元/吨以上的进口砂垄断到逐步被国内高品质高含硅量国产砂代替，成本控制到千元级别；4）树脂的进口到国产化的转化也已成熟。

综上，国内开始出现了3D 砂型打印的铸件量产化路线，例如国家智能铸造中心烟台项目，采用了全球领先的智能化设计架构，6 台大型3D 打印机连续工作，用来生产军工、核电、特殊机床件等，也为企业带来了极强的竞争力和生产柔性，虽然吨铸件成本较高，但缩短了开发周期、减少了大量的模具费用以及多零部件的复杂结构可以一次性成形，产品售价在全球也具备极强竞争力，为企业带来丰厚利润。3D 打印专用呋喃旧砂的热法再生工艺技术也得到了快速发展与应用。本公司设计制造的3D打印专用呋喃旧砂的热法再生生产线每吨旧砂灼烧减量LOI 值在1.2～1.5 时，仅需14 m3～19 m3天然气即可实现完全再生，而且整体热法焙烧炉无烟、无味、仅需标准小型除尘器一台即可达到颗粒物、VOCs 的超低排放指标。

1.4 改性水玻璃/无机黏结剂的旧砂机械再生工艺

水玻璃砂工艺仍然是公认的使用过程“最环保”的砂铸工艺之一，而改性水玻璃为代表的无机黏结剂作为前沿材料，已经被国内材料类领军企业在技术上取得较大的突破并进行迅速的、规模化的推广应用。

目前存在着多种原材料，多种方案，多种铸件的交叉局面：1）不同品牌、不同特性的黏结剂和促进剂或者叫催化剂；2）不同的原砂，各等级硅砂、陶瓷砂、宝珠砂等等；3）不同用户的不同铸件工艺要求；4）混杂了机械再生、热法再生、湿法再生三大类再生方法的组合。目前就水玻璃砂再生仍然没有一条完整的、或者说完美的、经过多年实践验证的、投资成本和运行成本达到理想状态的生产线。铸造设备厂家需要在纷繁复杂的各种尝试中，来共同探讨更佳工艺设备的选型与组合。

从再生方法和再生设备的视角来看，机械再生、热法再生、湿法再生，三大再生方法各有长处。

1）机械法再生：简单、直接，但设备门类众多，不同设备的再生性能不一，对于新兴的改性水玻璃类，缺少实践数据。

2）热法再生：水玻璃在一定温度焙烧利于脱膜，但过高的温度又会形成熔融玻璃态更难脱膜，而任何一种形式的热法焙烧虽然炉内温度显示均匀，但实际的温度分布具体到每一粒砂子，往往是很不均匀的，且投资成本高，运行天然气耗量也较大。目前实践证明采用热法+机械法的组合可以得到比较好的再生效果。

3）湿法再生：湿法再生水玻璃砂从效果和理论两个角度出发，仍然是最为理想的路线，但需要结合机械法，部分企业结合了热法。湿法再生的推广难度在于环保政策，一旦“涉水”，则铸造企业的审批、排放监管等各种手续一下变得非常复杂，而且涉及酸碱中和等化学反应，所使用的酸等其他化学原料，让铸造厂手续更加繁重，而由于见识尚浅且铸造设备厂商对于水玻璃砂类工艺参与不足，我们所了解的目前国内采用完整的大型化水玻璃砂湿法再生工艺非常成熟且效果良好的工厂不是太多。

基于本人目前的较浅的水玻璃类再生的认知，从铸造砂处理装备厂家的特殊视角，认为此类旧砂再生应该更多的以机械再生为主，其他为辅，甚至是研究更高水准的机械再生设备及工艺，能够用单一再生方法解决最佳。

图3 为本公司在2020 年与辽宁某耐磨铸件企业合作完成的一条完整的机械再生生产线，采用陶瓷砂+改性水玻璃材料，该方案启用了两个特殊设备：

图3 陶瓷砂+改性水玻璃机械再生生产线

1）采用落砂破碎一体机BLP 系列：将落砂、一级破碎、一级筛分、过渡仓、斗提机等原本多台设备，更改为一台单机完成，大大节约了用户的现场空间，且提高了效率，减少了故障点。

2）机械再生采用了“间歇式”再生：机械再生绝大多数是采用“通过式”再生，例如，离心机械再生、气流冲击再生、双轴FAT 式再生、多磨盘再生、多磨轮再生等，这些再生只是对旧砂进行一次性再生，在砂子循环次数较少时，可以基本满足使用要求，但当旧砂循环次数增加，砂子表面水玻璃膜累积厚度增加之后，效果突然下降。采用“间歇式”再生的概念，该多转子再生机采用多组高速叶片与底部刮板的组合，形成均匀揉搓的概念，每次固定的加料量前提下，可以灵活通过HMI 人机界面调节再生时间，根据水玻璃膜、树脂膜等脱膜难易程度，结合实验观察，可以灵活调节再生时间，大大提高了系统的柔性，以及针对较难再生的旧砂的搓擦。

该生产线自投产以来经过设备调试、工艺调试后目前运行稳定可靠，但仍然觉得此再生效果未能满意，曾经在冬季低温一个阶段，在旧砂循环13～14个周期时，出现了工艺不稳定的现象，结合用户做了水洗法的尝试，但问题仍然没有得到完全解决，希望能够与行业同仁共同探讨更佳的方法、更具效益的再生系统。

1.5 铬矿砂回收与精选的工程应用

铬矿砂因“激冷”等相关特性，使其在铸造行业特别是铸钢行业得以广泛的应用，多数用以在砂型铸造工艺上作为局部“面砂”，使用此铬矿砂的企业每天用量不等，少则几吨，多则十几吨甚至更多，铬矿砂多数来自南非，高品质铬矿砂价格在4 000～5000 元/吨甚至根据细节差异会有更高的价格，由于作为“面砂”使用，导致铸件经浇铸冷却溃散后与石英砂混在一起，无法区分，即使用户经过再生工艺进行处理之后，也是与石英砂等原砂混在一起，掺杂一定比例铬矿砂经过循环累积，比例越来越高，反而对铸件形成非常恶劣的影响，因此很多企业不得不强制排放，或者堆积成山。如果能从混合砂中选出铬矿砂，既能解决固废排放的问题，又能创造经济效益，而且市场存在一定的需求。

经过多年的研究与实践，本公司设计制造了铬矿砂精选系统并得以广泛应用。铬矿砂精选系统工艺流程如图4 所示。

图4 铬矿砂精选系统工艺流程

迄今为止，我们的国产铬矿砂精选再生系统已经在海内外几十家铸造厂得以应用，以马来西亚某知名企业为例，该用户从事耐磨铸钢件生产，类别齐全且在东南亚地区极具影响力，其工艺类似国内同等铸造厂流程，但由于其铸件的高要求和复杂程度，该用户使用一定量的铬矿砂，经过长年累月的循环累积，其旧砂中铬矿砂比例高达30%以上，因此经过实际的考察和联合我们进行了实际再生实验，最终选用了CSR 精选系统交钥匙工程。

目前该用户每天单班次可选出铬矿砂达5 t～8 t，按照最低值5 t 且每吨4 000 元采购价计算，每天产生人民币20 000 元的净收益，每年即使只开100天，也有200 万元的收益，而这套铬矿砂再生系统的投资成本根据用户预处理的不同，大约100～200万元，绝大多数铬矿砂累积较多产量较高的企业，安装此设备6～12 个月即可收回全部的投资成本，既解决了固废问题，又能“变废为宝”，一举两得。

该套系统精选纯度可达99%以上，并且可以根据用户的实际场地情况，进行灵活的“并联布置”或“塔式布置”（见图5）.

图5 铬矿砂精选再生系统

1.6 可探讨的“跨界”机械再生的研究和合作邀请

“它山之石，可以攻玉”，跨工艺的设备借鉴使用，往往会有意想不到的效果。如前所述，我们在黏土砂旧砂再生工艺的推广中发现，对于黏土砂中膨润土多次循环使用形成的“鲕化效应”，大量的烧结白絮状烧结膨润土的膜，比水玻璃膜更加难以清除，在过去多年进行了多次对比试验，使用了各种机械再生设备，但即使是“间歇式再生”的多转子再生机，也很难把表面膜彻底清除。针对这个课题在公司内搭建了高速磨轮的再生机-铸砂强力磋磨整形机BRG 系列单机及组合（见图6），进行了较难搓擦的旧砂再生实验，取得了较好的效果。

图6 高速磨轮的再生机-铸砂强力磋磨整形机BRG

图7 为搓擦前黏土砂旧砂烧结絮状物，图8 为经过高速磨轮结构的铸砂磋磨整形机机械搓擦后的旧砂实拍图。对于较难再生的改性水玻璃类旧砂、甚至碱性酚醛树脂砂旧砂，此设备的应用值得大家探讨与尝试。我们在厂内搭建实验区并斥资投产多台不同规格的再生设备，也是为了给行业内同仁提供一个实验的条件和基地，欢迎各位感兴趣的业内同仁共同努力，一起寻找更佳的解决方案。

图7 搓擦前黏土砂旧砂

图8 磋磨整形机机械搓擦后的旧砂

2 超低排放（10 mg/m3 级）除尘器及方案应用

根据国家最新环保政策，近几年铸造厂颗粒物有组织排放要求从原来的50 mg/m3级排放，到近年来的 20 mg/m3级别、15 mg/m3级别（T/CFA 030802-2-2017 铸造行业大气污染物排放限值），一直到各省、各市环保部门提出的10 mg/m3级别排放（DB37／2376—2019 区域性大气污染物综合排放标准），逐渐成为一道“红线”，加上今年国家“碳达峰”“碳中和”等政策背景的加持，10 mg/m3及以下的超低排放成为“大势所趋”，且“不可逆转”，因此对于铸造厂新项目投资、原厂区改造等提出两个新的理念：铸造厂除尘的整体设计与规划与超低排放除尘器的应用。

2.1 除尘的整体设计与规划

由于铸造厂工艺较为繁多且复杂，过去的设备投资虽然有整体工艺规划，但实际铸造厂用户的采购行为往往是各个工部分别进行设计与购买，造成规格不一、排放不一、管路凌乱、管理难度较高等一系列问题。如：对于一个典型的年产2 万吨铸件的中小型潮模砂铸造厂来说，大致分为电炉熔炼、砂处理、造型机、后清理、制芯等5 个基本工部，如果5个工部的配套除尘由各个工部供应商单独提供，在保证同等排放和除尘标准的前提下，需要9 台大型除尘器，整体投资超过1 200 万元，含管路制作安装等。但如果从“整厂设计”的角度出发，在确保每个除尘点的风量足够的前提下，仅需要6 台除尘器，连同管道施工及安装等综合投资成本从1 200 万元直接降到不到800 万元。“整厂规划设计和实施”可以统筹设计，通过对各个工部除尘点的详细统计、尘源特性分析、管路计算以及车间布局的整体规划，充分利用“就近原则”“热风冷风匹配”“管路最优”等原则，在实现确保每个除尘点的风量足够的前提下节约投资成本，同时，运行成本、维护成本、管理成本也会大幅度降低。近几年“整厂规划设计和实施”逐渐得到铸造企业的认可。