CN110125329B - 一种水玻璃旧砂的再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水玻璃旧砂的再生方法，包括：采用气力冲击设备对水玻璃旧砂表面进行预处理；向经所述预处理后的水玻璃旧砂中加入辅剂得到混合物，然后对所述混合物进行焙烧；将经所述焙烧后的砂粒进行研磨处理。本发明水玻璃旧砂的再生方法结合了机械法再生工艺和热法再生工艺的优势，并在热法过程中添加辅剂，大大提高水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除效果，使水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除率达到90％以上；得到的再生砂可作为单一用砂使用，不会产生二次污染物，同时提升资源利用率。

Description

一种水玻璃旧砂的再生方法

技术领域

本发明涉及金属砂型铸造技术领域，具体而言，涉及一种水玻璃旧砂的再生方法。

背景技术

在铸造行业中，水玻璃被用作粘结剂，最常用的为钠水玻璃，并以硅砂或特种砂等骨料混制成水玻璃用砂。相对于黏土砂，水玻璃砂具有流动性好、强度高、铸件质量好等优点；相比于树脂砂，水玻璃砂具有硬化速度快、生产过程无毒无味等优点。我国每年产生铸造用水玻璃废砂的上百万吨，多数铸造企业将水玻璃废砂当作固废处理，造成环境严重的污染。由于水玻璃的主要成分为硅酸钠，经过制芯及浇注的高温作用，在水玻璃旧砂表面形成一层Na₂O惰性膜，难以去除。该Na₂O惰性膜主要成分为高模数水玻璃，其化学式为Na₂O.mSiO₂nH₂O，其容易吸水，吸水后水解产生硅酸具有粘结性，使得水玻璃旧砂再次使用会破坏新加入粘结剂的固定体系。因此研究并实行水玻璃旧砂的再生以除去其表面的Na₂O惰性膜势在必行。目前，水玻璃废砂的处理方式包括化学法再生、机械干法再生和湿法再生。

化学法再生是通过加入碱性溶液，使水玻璃旧砂表面的Na₂O恢复活性，然后直接回用。而化学法再生具有如下缺点：由于废砂中的残留物质会有波动，无法很好的控制碱液的加入量，工艺粗糙、误差大；并且由于使用碱液，会造成再生砂表面的Na₂O惰性膜越积越厚，大大降低再生水玻璃砂的使用效果。

机械干法再生是直接将废砂进行机械研磨，通过砂粒与砂粒之间的摩擦、砂粒与壁面的碰撞，以外力去除表面的Na₂O惰性膜。该法的缺点是：Na₂O去除率只能达到30～50％左右，砂粒表面仍然有大量Na₂O惰性膜残留物，只可作为背砂使用，无法单一使用。

湿法再生是利用Na₂O惰性膜的主要成分易溶于水，将水玻璃旧砂投入装有清水的水洗设备中，常见有离心水洗方式，砂粒在水中离心搅拌，之后将水甩干，最后投入烘箱中烘干，得到再生砂。该法的缺点是：水洗消耗水量太大，且会造成更加严重的问题—污水处理问题；并且由于当前市场上多种水玻璃砂中会添加硬化剂、交联剂、流变剂及溃散剂等多组分的粉类辅剂，这些粉剂几乎不溶于水，因此无法通过水洗去除。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种水玻璃旧砂的再生方法，包括：

采用气力冲击设备对水玻璃旧砂表面进行预处理；

向经所述预处理后的水玻璃旧砂中加入辅剂得到混合物，然后对所述混合物进行焙烧；

将经所述焙烧后的砂粒进行研磨处理。

作为上述技术方案的进一步改进，所述水玻璃旧砂为经破碎和过6～20目筛网后的旧砂。

作为上述技术方案的进一步改进，所述预处理过程中，通过控制所述气力冲击设备内管道的气压，使所述水玻璃旧砂以30～50m/s的速度进入所述管道。

作为上述技术方案的进一步改进，所述辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO中的一种或几种的混合物。

作为上述技术方案的进一步改进，所述辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO的混合物，其中，Fe₂O₃占所述辅剂总重量的10～45％，Al₂O₃占所述辅剂总重量的5～20％，CaO占所述辅剂总重量的50～80％。

作为上述技术方案的进一步改进，所述辅剂的用量为所述水玻璃旧砂重量的0.2～5％。

作为上述技术方案的进一步改进，所述焙烧的温度为500～800℃；所述焙烧的时间为3～8h。

作为上述技术方案的进一步改进，所述研磨处理过程中，研磨转速为1000～2000r/min，研磨时间为60～100s。

作为上述技术方案的进一步改进，所述研磨处理后还包括筛分。

作为上述技术方案的进一步改进，所述水玻璃旧砂的再生方法还包括：采用集尘装置收集整个再生过程中产生的粉尘。

本发明的有益效果是：

本发明水玻璃旧砂的再生方法结合了机械法再生工艺和热法再生工艺的优势，并在热法过程中添加辅剂，大大提高水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除效果，使水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除率达到90％以上；得到的再生砂可作为单一用砂使用，不会产生二次污染物，同时提升资源利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的不水玻璃旧砂的再生方法的流程图；

图2为本发明实施例1及对比例1-3中的水玻璃旧砂的显微图；

图3为发明实施例1得到的再生砂的显微图；

图4为对比例1得到的再生砂的显微图；

图5为对比例2得到的再生砂的显微图；

图6为对比例3得到的再生砂的显微图；

图7为对比例4的原砂的显微图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合实施例的方式对本发明的技术方案做详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。

但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

请参阅图1，本发明提供了一种水玻璃旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(1)采用气力冲击设备对水玻璃旧砂表面进行预处理。

需要说明的是，本发明的水玻璃旧砂优选为水玻璃砂用于制作铸造砂芯，在浇注铝液、铁水或钢水后，经过高温的作用后得到的水玻璃旧砂。该水玻璃砂优选以硅砂、陶粒砂、宝珠砂或内蒙焙烧砂为骨料，以钠水玻璃为粘结剂，加入硬化剂、交联剂、流变剂和溃散剂等添加剂得到。

优选地，上述水玻璃旧砂为依次经滚筒震动粗破碎和过6～20目筛网后的旧砂。

本发明先通过采用气力冲击设备先水玻璃旧砂表面进行预处理，使水玻璃旧砂先进行机械再生。优选地，上述预处理过程中，通过控制所述气力冲击设备内管道的气压，使所述水玻璃旧砂在高压气体的作用下，以30～50m/s的速度进入所述管道，冲击位于管道内的两层金属挡板，使得旧砂表面的Na₂O惰性膜部分脱落，部分形成形成裂缝、孔洞，有利于后续焙烧过程中辅剂对残留的Na₂O惰性膜中的主要成分去除结晶水后的Na₂O.mSiO₂进行更加充分改性，使得残留的Na₂O惰性膜由韧性转变为脆性。

(2)向经所述预处理后的水玻璃旧砂中加入辅剂得到混合物，然后对所述混合物进行焙烧。

优选地，所述辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO中的一种或几种的混合物，即上述辅剂可以为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO中的任意一种，也可以为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO中任意两种或三种的混合物。

更优地，所述辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO三者的混合物，其中，Fe₂O₃占所述辅剂总重量的10～45％如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、或45％，Al₂O₃占所述辅剂总重量的5～20％如5％、10％、15％或20，CaO占所述辅剂总重量的50～80％如50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％。

优选地，所述辅剂的用量为所述水玻璃旧砂重量的0.2～5％如0.2％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4。5％或5％。

上述焙烧过程在高温焙烧炉中进行。优选地，上述焙烧过程中焙烧的温度为500～800℃如500℃、600℃、700℃或800℃；焙烧的时间为3～8h如3h、4h、5h、6h、7h或8h。需要说明的是，当焙烧温度从200℃提高到500℃时，Na₂O惰性膜的去除率保持上升状态，即该温度区间内，Na₂O惰性膜的去除率随着温度的升高明显递增，Na₂O惰性膜中的主要成分去除结晶水后的Na₂O.mSiO₂与辅剂的接触不充分，Na₂O惰性膜不易脱落；当温度超过800℃时，Na₂O惰性膜完全熔融重新附着于砂粒表面，使砂粒间二次粘结，严重时使得焙烧炉中大面积结块从而损坏设备。

在500～800℃高温焙烧条件下加入Fe₂O₃、Al₂O₃、CaO的效果最好，其机理为：通过加入辅剂(Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO中的一种或几种)在高温作用下与Na₂O惰性膜充分接触，对其进行改性，使得残留的Na₂O惰性膜由韧性转变为脆性，在后续研磨处理过程中容易去除。

(3)将经所述焙烧后的砂粒进行研磨处理，使得砂粒与砂粒间、砂粒与研磨机的金属壁面发生碰撞，去除砂粒表面脆化的残留的Na₂O惰性膜。另外该研磨过程还可去除砂粒表面的毛刺，使得到的再生砂更圆整，表面更洁净。

优选地，所述研磨处理过程中，研磨转速为1000～2000r/min如1000r/min、1500r/min或2000r/min，研磨时间为60～100s如60s、80s或100s。

优选地，所述研磨处理后还包括筛分，筛分根据需求调整，优选地，经筛分后保留40-70目的再生砂。

优选地，本发明的水玻璃旧砂的再生过程中，还包括：采用集尘装置对整个再生过程中产生的粉尘进行粉尘收集，使整个再生过程中达到无粉尘排放，避免造成环境污染。

本发明水玻璃旧砂的再生方法结合了机械法再生工艺和热法再生工艺的优势，并在热法过程中添加辅剂，大大提高水玻璃旧砂的Na₂O惰性膜的去除效果，使水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除率达到90％以上；得到的再生砂可作为单一用砂使用，不会产生二次污染物，同时提升资源利用率。

本发明水玻璃旧砂的再生方法相对于化学再生法的波动大和难以控制，本发明的再生方法易于控制，容易实现智能化生产，并且可长期反复再生，并保持良好的再生水玻璃砂的使用效果。

本发明水玻璃旧砂的再生方法相对于机械干法再生法，机械干法再生法对Na₂O惰性膜的去除率较低，并且不可作为单一用砂使用；而本发明再生工艺对Na₂O惰性膜的去除率可以达到90％以上，可作为单一用砂使用。

本发明水玻璃旧砂的再生方法相对于湿法再生法，湿法再生法会产生二次污染物—废水，这与工业环保的理念不相符；而本发明的再生方法不产生二次污染物，且对Na₂O惰性膜的去除率更高。

为了便于理解本发明，下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

(1)取120kg内蒙焙烧砂，加入模数为3.0的市售钠水玻璃2.4kg，加入市售添加剂(由硬化剂、交联剂、流变剂和溃散剂组成)1.0kg，在混砂机中混制成水玻璃砂；以某型号水玻璃制芯机制芯，设置模具温度150℃，射砂压力5MPa，吹气温度200℃，吹气时间50s；铝液浇注温度720℃，待铸件凝固后落砂清理，得到水玻璃旧砂备用。

(2)将上述得到的水比例旧砂依次经滚筒震动破碎和过20目筛网，将筛分后的旧砂送入气力冲击设备进行预处理，调整气力冲击设备的管道内的气压，使得砂粒以30m/s的速度进入该管道，冲击位于管道内的两层金属挡板，而后进入中转料仓。

(3将上述经预处理后的旧砂从中转料仓由斗提机送入焙烧炉，然后加入该旧砂重量0.5％的辅剂；设置焙烧炉内的焙烧温度为500℃，焙烧时间8h，之后出炉；其中，辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO三者的混合物，Fe₂O₃占比为10％，CaO占比为70％，其余为Al₂O₃。

(4)将经焙烧后的砂粒送入研磨机进行研磨，研磨转速为2000r/min，砂粒在研磨机内被研磨的时间为60s，研磨后冷却，再送入筛分机，成品入库。

实施例2

(1)取120kg内蒙焙烧砂，加入模数为3.0的市售钠水玻璃2.4kg，加入市售添加剂(由硬化剂、交联剂、流变剂和溃散剂组成)1.0kg，在混砂机中混制成水玻璃砂；以某型号水玻璃制芯机制芯，设置模具温度180℃，射砂压力3MPa，吹气温度180℃，吹气时间120s；铝液浇注温度700℃，待铸件凝固后落砂清理，得到水玻璃旧砂备用。

(2)将上述得到的水比例旧砂依次经滚筒震动破碎和过15目筛网，将筛分后的旧砂送入气力冲击设备进行预处理，调整气力冲击设备的管道内的气压，使得砂粒以40m/s的速度进入该管道，冲击位于管道内的两层金属挡板，而后进入中转料仓。

(3将上述经预处理后的旧砂从中转料仓由斗提机送入焙烧炉，然后加入该旧砂重量2％的辅剂；设置焙烧炉内的焙烧温度为600℃，焙烧时间6h，之后出炉；其中，辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO三者的混合物，Fe₂O₃占比为10％，CaO占比为70％，其余为Al₂O₃。

(4)将经焙烧后的砂粒送入研磨机进行研磨，研磨转速为1500r/min，砂粒在研磨机内被研磨的时间为80s，研磨后冷却，再送入筛分机，成品入库。

实施例3

(1)取120kg内蒙焙烧砂，加入模数为3.0的市售钠水玻璃2.4kg，加入市售添加剂(由硬化剂、交联剂、流变剂和溃散剂组成)1.0kg，在混砂机中混制成水玻璃砂；以某型号水玻璃制芯机制芯，设置模具温度230℃，射砂压力7MPa，吹气温度240℃，吹气时间40s；铝液浇注温度750℃，待铸件凝固后落砂清理，得到水玻璃旧砂备用。

(2)将上述得到的水比例旧砂依次经滚筒震动破碎和过10目筛网，将筛分后的旧砂送入气力冲击设备进行预处理，调整气力冲击设备的管道内的气压，使得砂粒以30m/s的速度进入该管道，冲击位于管道内的两层金属挡板，而后进入中转料仓。

(3将上述经预处理后的旧砂从中转料仓由斗提机送入焙烧炉，然后加入该旧砂重量5％的辅剂；设置焙烧炉内的焙烧温度为800℃，焙烧时间3h，之后出炉；其中，辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO三者的混合物，Fe₂O₃占比为10％，CaO占比为70％，其余为Al₂O₃。

(3)将经焙烧后的砂粒送入研磨机进行研磨，研磨转速为1000r/min，砂粒在研磨机内被研磨的时间为100s，研磨后冷却，再送入筛分机，成品入库。

上述实施例1～3中的采用集尘装置对整个再生过程中产生的粉尘进行粉尘收集。

对比例1

采用实施例1得到的水玻璃旧砂，然后使用现有的化学法再生工艺对该水玻璃旧砂进行再生，得到化学法的水玻璃再生砂。

对比例2

采用实施例1得到的水玻璃旧砂，然后使用现有的机械干法再生工艺对该水玻璃旧砂进行再生，得到机械干法的水玻璃再生砂。

对比例3

采用实施例1得到的水玻璃旧砂，然后使用现有的湿法再生工艺对该水玻璃旧砂进行再生，得到湿法的水玻璃再生砂。

另使用内蒙焙烧砂，其粒度分布与实施例1得到的水玻璃旧砂相同，作为对比例4。

一、对本发明实施例1～3、对比例1～3得到的再生砂及对比例4内蒙焙烧砂原砂的理化性能进行检测，检测结构如下表1所示。

表1理化性能

需要说明的是，通过计算Na₂O惰性膜的主要成分中Na₂O的去除率即为Na₂O惰性膜的去除率。

由表1结果可以得出，采用化学法、机械干法和湿法再生法对水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除率，均低于采用本发明的水玻璃旧砂的再生方法对水玻璃旧砂表面的Na₂O惰性膜的去除率。

采用本发明的水玻璃旧砂的再生方法对水玻璃旧砂进行再生得到的再生砂的酸耗值和导电率与对比例4的原砂的酸耗值和导电率最接近，且均低于采用化学法、机械干法和湿法再生法对水玻璃旧砂进行再生得到的再生砂的酸耗值和导电率。

二、以本发明实施例1～3、对比例1～3得到的再生砂及对比例4内蒙焙烧砂原砂作为骨料，加入某厂家钠水玻璃和添加剂(由硬化剂、交联剂、流变剂和溃散剂组成)，水玻璃的用量为骨料重量的2.4％，添加剂的用量为骨料重量的1.2％，用混砂机混合均匀备用。然后使用自动制块机制8字型试块，设置模具温度为150℃，射砂压力0.6MPa，射砂时间1.5s，吹气温度为150℃，吹气时间60s。

对上述以本发明实施例1～3、对比例1～3得到的再生砂及对比例4内蒙焙烧砂原砂作为骨料制得的试块的抗拉强度进行检测，检测结构如下表2所示。

表2抗拉强度

项目	即时强度(MPa)	1h强度(MPa)	24h强度(MPa)
				实施例1	0.685	2.085	2.098
实施例2	0.659	2.012	1.968
				实施例3	0.692	2.120	2.087
对比例1	0.495	1.418	1.298
				对比例2	0.345	1.273	1.080
对比例3	0.555	1.803	1.650
				对比例4	0.675	2.118	2.035

由表2结果可以得出：

(1)采用化学法、机械干法和湿法再生法得到的再生砂制得的试块的即时强度较低，均小于0.60MPa，机械手转移砂芯时易出现砂芯断裂；而采用本发明的再生方法得到的再生砂制得的试块的即时强度与采用原砂制得的试块的即时强度相当，均为0.7MPa左右，可保证机械手顺利转移砂芯。

(2)一般情况下，1h强度为水玻璃砂芯强度的峰值。采用化学法、机械干法和湿法再生法得到的再生砂制得的试块的1h强度均小不超过1.80MPa；而采用本发明的再生方法得到的再生砂制得的试块的1h抗拉强度，与采用原砂制得的试块的1h抗拉强度相当，均大于2.00MPa，可保证浇注过程砂芯具备足够的强度。

(3)采用化学法、机械干法、湿法再生法、本发明的再生方法得到的再生砂及原砂制得的试块的24h强度均与各自的1h强度相当，在干燥环境中24h强度均未出现明显衰退。

三、附图2为本发明实施例1及对比例1～3中的水玻璃旧砂的显微图；附图3为发明实施例1得到的再生砂的显微图；附图4～6为对比例1～3得到的再生砂的显微图，附图7为对比例4的原砂的显微图。

由附图2～7可以得出，对比例1～3得到的再生砂的表面仍然残留有大量的黑色密集分布的点状Na₂O惰性膜，而本发明的砂粒表面洁净程度与对比例4的原砂相当。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：包括：

采用气力冲击设备对水玻璃旧砂表面进行预处理；

向经所述预处理后的水玻璃旧砂中加入辅剂得到混合物，然后对所述混合物进行焙烧；所述辅剂为Fe₂O₃、Al₂O₃和CaO的混合物，其中，Fe₂O₃占所述辅剂总重量的10～45％，Al₂O₃占所述辅剂总重量的5～20％，CaO占所述辅剂总重量的50～80％；所述辅剂的用量为所述水玻璃旧砂重量的0.2～5％；

将经所述焙烧后的砂粒进行研磨处理。

2.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：所述水玻璃旧砂为经破碎和过6～20目筛网后的旧砂。

3.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：所述预处理过程中，通过控制所述气力冲击设备内管道的气压，使所述水玻璃旧砂以30～50m/s的速度进入所述管道。

4.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：所述焙烧的温度为500～800℃；所述焙烧的时间为3～8h。

5.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：所述研磨处理过程中，研磨转速为1000～2000r/min，研磨时间为60～100s。

6.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：所述研磨处理后还包括筛分。

7.根据权利要求1所述的水玻璃旧砂的再生方法，其特征在于：还包括：采用集尘装置收集整个再生过程中产生的粉尘。

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