CN111468673B

CN111468673B - 一种铸造旧砂的再生方法

Info

Publication number: CN111468673B
Application number: CN202010330546.9A
Authority: CN
Inventors: 尹海军; 包羽冲; 冯俊龙; 刘承翔; 秦申二
Original assignee: Nanyang Renchuang Sand Industry Technology Co ltd
Current assignee: Nanyang Renchuang Sand Industry Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: CN111468673A

Abstract

本发明涉及铸造旧砂的再回收技术领域，具体而言，涉及一种铸造旧砂的再生方法。本发明的铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：将预处理后的铸造旧砂进行焙烧和热态研磨。本发明通过对预处理后的砂进行焙烧，热态研磨处理，得到的再生砂能够100％替代新砂用于制芯生产，再生砂残留粘结剂膜的去除率≥95％，需要处理的污泥量很少，旧砂再生的直接成本只有新砂采购成本的30‑40％。

Description

一种铸造旧砂的再生方法

技术领域

本发明涉及铸造旧砂的再回收技术领域，具体而言，涉及一种铸造旧砂的再生方法。

背景技术

铸件生产过程中的粉尘、气味排放，绝大部分是和造型、制芯材料相关，比如酚醛树脂砂、粘土砂等，而无机粘结剂很好的避免这些问题，无机粘结剂的主要成份为硅酸钠。在铸件浇注后，砂粒表面的粘结剂不能燃烧掉和直接分解，在砂表面形成惰性膜，在大于800℃高温时硅酸钠会呈现液相，形成玻璃态粘附在硅砂表面。当前常规的再生工艺有干法、湿法；但是普通再生工艺很难去除粘结剂惰性膜，这两种工艺都存在很大的弊端，比如干法，通过摩擦去除旧砂表面的残留粘结剂与无机盐类，但是去除率最多40％，旧砂在多次循环后，再生砂表面的残留粘结剂越积越高，再生砂不能直接替代新砂用于制芯生产。而利用硅酸盐易溶于水的特性发展的湿法再生，存在污水、污泥排放的难题，100吨旧砂至少有3-4吨污泥。

因此，研制开发低成本、高性能，尤其是针对铸造旧砂再生能够实现工业化的技术、设备及系统，是实现企业节能减排和我国铸造产业绿色化生产的紧迫要求与必然趋势。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤；

将预处理后的铸造旧砂进行焙烧和热态研磨。

本发明通过对预处理后的砂进行焙烧，热态研磨，得到的再生砂能够 100％替代新砂用于制芯生产，再生砂残留粘结剂膜的去除率≥95％，旧砂再生的直接成本只有新砂采购成本的30-40％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对预处理后的砂进行焙烧，热态研磨及超声波处理，得到的再生砂能够100％替代新砂用于制芯生产；再生砂残留粘结剂膜的去除率≥95％(可用氧化钠的含量表征)；旧砂再生的直接成本只有新砂采购成本的30-40％；本工艺的水消耗量小，而且污水能够循环利用，污泥处理量很小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铸造旧砂的再生方法流程图；

图2为本发明原铸造旧砂的形貌图；

图3为本发明实施例1得到的成品砂的形貌图；

图4为本发明实施例5得到的成品砂的形貌图。

具体实施方式

下面将结合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，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

将预处理后的铸造旧砂进行焙烧和热态研磨。

优选地，所述预处理包括破碎和磁选；

优选地，所述破碎后的铸造旧砂的粒径≤16目。

在铸件浇注后，砂粒表面的无机粘结剂不能燃烧掉和直接分解，在砂表面形成惰性膜，在大于800℃高温时硅酸钠会呈现液相，形成玻璃态粘附在硅砂表面，当前常规的再生工艺(干法、湿法)很难去除粘结剂惰性膜，并且或多或少的存在各种约束，难以在工业化运用。本发明针对无机粘结剂铸造旧砂采用特定的再生处理方法，得到的再生砂能够100％替代新砂用于制芯生产，再生砂残留粘结剂膜的去除率≥95％，需要处理的污泥量很少，旧砂再生的直接成本只有新砂采购成本的30-40％。

本发明通过机械破碎将铸造旧砂破碎至粒径≤16目的颗粒，以便热法再生和杂质的去除，再通过磁选去除旧砂中金属屑，在机械破碎过程中也对旧砂表面粘结剂膜有破坏、剥离效果。此阶段的去除率在10％-20％。

本发明对预处理后的旧砂进行焙烧，其目的是：(a)去除旧砂中的低熔点物质；(b)在一定的温度下，裹在砂粒表面的残留无机粘结剂会失去结晶水，粘结膜呈现脆化，砂粒间的粘结桥发生断裂，部分粘结膜也会脱离。此阶段的去除率在20％-30％。

优选地，所述焙烧的温度为300-650℃，时间为0.5～3h。

优选地，所述焙烧的温度为350-500℃，时间为1～2h。

本发明特定的焙烧温度更有利于除去旧砂中的低熔点物质和粘结膜。焙烧温度太高，残留粘结剂中的硅酸钠和旧砂中二氧化硅的会形成液相，冷却后形成的玻璃态牢牢的吸附在硅砂表面，很难去除。焙烧温度太低，低熔点物质、残留粘结剂膜脆化得不到应有效果。焙烧时间30min-3h，时间太长效率和成本都不理想；时间太短，砂粒没有充分受热，则影响后续的热态机械再生。

在一种实施方式中，所述焙烧的温度为300-650℃，还可以选择320℃、 350℃、370℃、400℃、410℃、420℃、430℃、450℃、470℃、500℃、510℃、520℃、530℃、550℃、570℃、600℃、620℃、630℃或640℃。

在一种实施方式中，所述焙烧的时间为0.5～3h，还可以选择0.6h、0.7h、 0.8h、0.9h、1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h、 2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h或2.9h。

经过焙烧后的旧砂呈现的是热态，在此状态下进行机械研磨再生，利用转轮带动砂粒之间相互碰撞、摩擦，对已经脆化开裂的粘结剂膜有很好的去除效果，去除率在30％-40％。并且，利用焙烧后的自然热态更加节省能源，在获得优异效果的同时大大降低成本。

优选地，所述热态研磨的温度为150-400℃，时间为0.1～1h。

优选地，所述热态研磨的温度为200-350℃，时间为0.1～0.5h。

在一种实施方式中，所述研磨的温度为150-400℃，还可以选择160℃、 170℃、180℃、190℃、200℃、220℃、250℃、270℃、290℃、300℃、310℃、 320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃或390℃。

在一种实施方式中，所述研磨的时间为0.1～1h，还可以选择0.2h、0.3h、 0.4h、0.5h、0.6h、0.7h、0.8h或0.9h。研磨时间太长，不仅效率低，还会导致砂粒产生裂纹，降低强度。

通过进一步优选热态研磨的温度和时间，更有利于去除旧砂表面的粘结膜。

优选地，还包括在所述热态研磨后进行超声波处理。

经过对铸造旧砂进行预处理、焙烧和热态研磨后，旧砂表面的残留粘结剂膜的去除率能够达到70％-80％，粘结剂的量由原先的占砂重2％-4％，只剩余不到0.8％，但是这部分粘结剂的存在对再生砂的性能仍然有影响，主要表现在：1)粘结剂的活性是可逆的，处理后的砂容易吸潮而结块，影响砂的流动性；2)无机粘结剂固化方式有酯硬化、吹CO₂气体硬化，加热失水固化等，再生砂中的残留膜的存在，会提前固化，降低可使用时间；3) 再生砂经过多次循环后的残留膜越积越厚，恶化砂的使用性能。

基于以上，在热态研磨后又进行超声波湿态处理，利用超声波的机械效应、热效应、空化效应，进行湿法再生。超声波清洗原理如下：

(1)空化效应：超声波在砂水混合物中传播时，会形成在微气泡，该微气泡在超声波声场的作用下振动，当声压达到阈值时，空化气泡就会迅速的膨胀和压缩，然后突然崩溃闭合，在瞬间产生高温、高压以及冲击波等过程，产生超声空化效应。

(2)热效应：超声波的热效应使砂水溶液反应体系温度升高，导致清洗体洗内的粘结剂分子运动加剧，促进了反应速度，旧砂表面的残留粘结剂的溶解速度加快，从而提高铝盐混凝剂的回收率。

(3)机械效应：超声波在砂粒中传播时，能产生线性交变的振动作用，由于超声波的振动使砂粒介质之间相互摩擦，也能促进水溶液与砂粒的接触，不仅缩短处理时间，还能提高无机粘结剂膜的去除效果。

(4)自由基效应：铸件的浇注温度(700-1500)℃不等，浇注后的旧砂表面部分残留粘结剂老化而失去活性，普通湿法再生是很难去除的，通过超声波的自由基效应，这部分老化的粘结剂能够恢复活性，从而轻易的从旧砂表面去除。

超声波入射到清洗容器(不锈钢材质为佳)的分界面上，将产生声波的反射形成驻波，驻波的存在能够充分将容器角落里的旧砂进行清洗，有效的解决机械搅拌存在死角的局限。

完成以上步骤后，旧砂的温度有所降低，仍然是热态的，这个热态非常好的，热态的砂投料到水溶液后，能够提高水的温度(溶液的温度越高，其溶解速度越快，本发明工艺的在夏季水温最高能到80℃，冬季水温在30℃，即便在北方也能适应)，此外超声波的热效应也有助于水溶液温度提高。

优选的，所述超声波处理包括：将所述热态研磨后的铸造旧砂与水混合进行超声波处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1：(1～2)。

在一种实施方式中，所述旧砂和水的质量比为1：(1～2)，还可以选择 1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8或1:1.9。

优选地，所述超声波的功率为0.2～20KW，频率为20～100KHz。

在一种实施方中，所述超声波的功率为0.2～20KW，还可以选择1KW、 2KW、3KW、4KW、5KW、6KW、7KW、8KW、9KW、10KW、11KW、 12KW、13KW、14KW、15KW、16KW、17KW、18KW或19KW。

在一种实施方中，所述超声波的频率为20～100KHz、还可以选择30KHz、 40KHz、50KHz、60KHz、70KHz、80KHz、90KHz、100KHz、110KHz、 120KHz、130KHz、140KHz、150KHz、160KHz、170KHz、180KHz或 190KHz。

优选地，所述超声波处理的过程中进行搅拌；

优选地，所述搅拌的转速为30-600转/分钟。

在超声波的清洗箱增加搅拌装置：旧砂的比重为1.4g/cm³，比水要重，会沉淀在反应箱的底部，所以在旧砂和水溶液的反应箱中施加合适转速的搅拌，目的是旧砂在反应器内悬浮起来，传质阻力减小，提高超声波的传递效率。但是搅拌速度太块，则会降低超声波效果，原因是砂粒转速过快，会阻止超声波的传递和破坏溶液中的空化效应。

优选地，对所述超声波处理后的物料进行固液分离；

优选地，对所述固液分离后的固体进行干燥处理；

优选地，通过热交换器利用所述焙烧过程的余热对所述固液分离后的固体进行干燥处理。

通过热交换器利用热法再生的余热烘干湿态砂，节能环保，降低生产成本。

优选地，对所述固液分离后的液体进行中和处理和沉淀处理。

热态研磨处理后的旧砂中残留粘结剂的量已经比较低，所以用超声波清洗一遍既可以达到常规清洗3-5次的效果；而且溶解在水中的无机粘结剂量也很低，这样又极大的降低了对污水的处理难度。

污水溶液中的pH值在6-9之间，通过工业废酸进行中和；通过添加沉淀剂结合斜管进行沉淀，上层清水再回到超声波湿法再生工艺中。沉淀产生的微量的污泥，经过脱水、无害处理后用建筑材料产品制作。

在一种优选的实施方式中，所述铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(a)铸造旧砂预处理：通过机械破碎铸造旧砂，所述破碎后的铸造旧砂的粒径≤16目，再通过磁选去除旧砂中金属屑，在机械破碎过程中也对旧砂表面粘结剂膜有破坏、剥离效果；

(b)焙烧：对预处理后的旧砂进行焙烧，焙烧的温度为300-650℃，时间为0.5～3h；

(c)对经过焙烧后的热态旧砂进行机械研磨处理，研磨的温度为150-400℃，时间为0.1～1h；

(d)对研磨后的旧砂进行超声波湿法处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1：(1～2)，超声波的功率为0.2～20KW，频率为20～100KHz；

(e)对超声波湿法处理后的旧砂进行干燥处理：通过热交换器利用热法再生的余热烘干湿态砂；

(f)干燥后产生的废水通过工业废酸进行中和，通过添加沉淀剂和斜管进行沉淀，上层清水再回到工艺四的超声波湿法再生中，沉淀产生的微量的污泥，经过脱水、无害处理后用建筑材料产品制作。

本发明上述特定的铸造旧砂的再生方法具备以下优点：

(1)再生砂能够100％替代新砂用于制芯生产；

(2)再生砂残留粘结剂膜的去除率≥95％(可用氧化钠的含量表征)；

(3)湿法再生的水能够循环使用，无废水排放；

(4)需要处理的污泥量很少；

(5)旧砂再生的直接成本只有新砂采购成本的30-40％。

本发明铸造旧砂的再生方法的流程图参见图1。

下面将结合具体的实施例和对比例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1

一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(b)焙烧：对预处理后的旧砂进行焙烧，焙烧的温度为500℃，时间为2h；

(c)对经过焙烧后的热态旧砂进行机械研磨处理，研磨的温度为 200-300℃，时间为0.5h；

(d)对研磨后的旧砂进行超声波湿法处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1:1.5，超声波的功率为2KW，频率为40KHz；

本发明原铸造旧砂的形貌图如图2所示。

本实施例成品砂的形貌图如图3所示。

实施例2

一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(b)焙烧：对预处理后的旧砂进行焙烧，焙烧的温度为450℃，时间为2.5h；

(c)对经过焙烧后的热态旧砂进行机械研磨处理，研磨的温度为 180-210℃，时间为0.4h；

(d)对研磨后的旧砂进行超声波湿法处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1:1.2，超声波的功率为1KW，频率为30KHz；

实施例3

一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(a)铸造旧砂预处理：铸造旧砂预处理：通过机械破碎铸造旧砂，所述破碎后的铸造旧砂的粒径≤16目，再通过磁选去除旧砂中金属屑，在机械破碎过程中也对旧砂表面粘结剂膜有破坏、剥离效果；

(b)焙烧：对预处理后的旧砂进行焙烧，焙烧的温度为300℃，时间为3h；

(c)对经过焙烧后的热态旧砂进行机械研磨处理，研磨的温度为 200-300℃，时间为0.1h；

(d)对研磨后的旧砂进行超声波湿法处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1:0.6，超声波的功率为0.2KW，频率为20KHz；

实施例4

一种铸造旧砂的再生方法，包括以下步骤：

(b)焙烧：对预处理后的旧砂进行焙烧，焙烧的温度为650℃，时间为0.5h；

(c)对经过焙烧后的热态旧砂进行机械研磨处理，研磨的温度为 300-400℃，时间为1h；

(d)对研磨后的旧砂进行超声波湿法处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1:2，超声波的功率为2KW，频率为100KHz；

实施例5

一种铸造旧砂的再生方法，除不进行超声波湿法处理，其他操作同实施例1。

本实施例得到的成品砂的形貌图如图4所示。

对比例1

一种铸造旧砂的再生方法，除不进行研磨处理，其他操作同实施例1。

对比例2

一种铸造旧砂的再生方法，除焙烧的温度为700℃，时间为0.3h，其他条件同实施例1。

本对比例的焙烧温度和时间不在本发明要保护的范围内。

对比例3

一种铸造旧砂的再生方法，除焙烧的温度为250℃，时间为0.4h，其他条件同实施例1。

本对比例的焙烧温度和时间不在本发明要保护的范围内。

对比例4

一种铸造旧砂的再生方法，除焙烧后的旧砂冷去后再进行研磨以外，其他条件同实施例1。

实验例

对本发明实施例和对比例得到的再生砂，原铸造旧砂、常规工艺的再生砂、内蒙原砂进行性能测试，结果如表1所示。

表1砂的性能测试结果

说明：(1)电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数，本发明中能够直接体现出硅砂表面无机盐可溶物的量，导电率越高，说明硅砂表面无机盐的量越多。(2)酸耗值：表示铸造用砂中碱性物质的含量，碱性物质越多，则酸耗值越高，其使用性能越差。

由表1可知，本发明特定方法得到的再生砂表面无机盐的量较低，并且酸耗值较低，使用性能相对于对比例1～4和常规工艺的再生砂更加优异。

2、本发明实施例、对比例的方法与常规工艺再生砂的成本优势比对情况如表2所示。

表2成本优势比对情况

工艺对比	污水浊度NTU	污水pH值	水需求量(占砂重)	污泥量(占砂重)
					实施例1	560	8.3	5.2％	0.32％
实施例2	620	8.7	6.1％	0.38％
					实施例3	790	9.7	8.4％	0.41％
实施例4	640	8.3	6.8％	0.42％
					实施例5	680	8.2	7.2％	0.43％
对比例1	950	10.3	9.6％	0.46％
					对比例2	970	9.8	8.9％	0.49％
对比例3	1023	8.3	8.2％	0.52％
					对比例4	930	8.3	9.2％	0.62％
常规工艺再生砂	≥2000	≥12	50-150％	2-3％
					本发明再生砂	500-1000	8-10.5	5-10％	0.3-0.5％

本发明的方法，每生产1吨再生砂，只需要50-100kg的清水，产生污水浊度低、碱度低，能够更好的进行循环使用；污泥只有3-5kg，远远低于常规湿法再生。

3、本发明实施例1方法的能耗情况如表3所示；

表3本发明实施例1方法的能耗情况

备注：1)工业电能按照0.7元/kmh，水按照3元/吨，天然气按照4元 /m³；2)湿砂烘干过程中，会带走5-10％的水份，每吨砂消耗0.1吨的清水。

成本计算如下：

(a)电费＝105kw×0.7元/km＝73.5元，每小时处理量5T，折算为14.7 元/吨；

(b)天然气按最高的消耗算＝14×4＝64元/吨；湿砂的含水量10％左右被蒸发掉，每吨砂需补充10％的自来水；

(c)水费＝0.1×3＝0.3元/吨；

(d)每吨污水沉淀剂加入量为150-200g，合计到再生砂为1.5元/吨；

(e)整套设备投资约为500万元，按照10年折旧，年产量为30000 吨，再生砂的设备折旧费用为16.7元/吨。

总计再生砂的成本为97.2元/吨，当前新砂不含税的采购成本为300元 /吨，每吨砂节省200元，每年可节省新砂采购费用600万。

本发明特定的方法运行成本低，投资见效快，再生砂质量好；充分利用余热、循环水，符合节能减排的政策；污水和污泥的处理量只有常规湿法再生的10％，解决湿法再生的瓶颈问题；结合热法、湿法再生，可实现工业化生产。

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，但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。

Claims

1.一种铸造旧砂的再生方法，其特征在于，包括以下步骤：

将预处理后的铸造旧砂进行焙烧和热态研磨；

所述焙烧的温度为350-500℃，时间为1～2h；

所述热态研磨的温度为150-220℃或310-400℃，时间为0.1～1h；

所述热态研磨后进行超声波处理；所述超声波处理包括：将所述热态研磨后的铸造旧砂与水混合进行超声波处理，所述热态研磨后的铸造旧砂和水的质量比为1：(1.1～1.9)；所述超声波的功率为0.2～20KW，频率为20～100KHz。

2.根据权利要求1所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，所述预处理包括破碎和磁选。

3.根据权利要求2所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，所述破碎后的铸造旧砂的粒径≤16目。

4.根据权利要求1所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，在所述超声波处理的过程中进行搅拌。

5.根据权利要求4所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，所述搅拌的转速为30-600转/分钟。

6.根据权利要求1所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，对所述超声波处理后的物料进行固液分离。

7.根据权利要求6所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，对所述固液分离后的固体进行干燥处理。

8.根据权利要求7所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，通过热交换器利用所述焙烧过程的余热对所述固液分离后的固体进行干燥处理。

9.根据权利要求6所述的铸造旧砂的再生方法，其特征在于，对所述固液分离后的液体进行中和处理和沉淀处理。