CN115106479A

CN115106479A - 一种水玻璃铸造废砂的再生方法及得到的再生砂

Info

Publication number: CN115106479A
Application number: CN202210738870.3A
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 尹海军; 包羽冲; 訾豪; 秦申二
Original assignee: Beijing Renchuang Sand Industry Casting Materials Co ltd
Current assignee: Beijing Renchuang Sand Industry Casting Materials Co ltd
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2022-09-27

Abstract

本发明提供了一种水玻璃铸造废砂的再生方法，包括以下步骤：(1)将块状的铸造水玻璃废砂进行破碎；(2)将稻壳和破碎后的铸造水玻璃废砂进行焙烧，得到焙烧产物；(3)将所述焙烧产物与NaOH水溶液混合搅拌，反应完成后进行固液分离，得到湿砂和硅酸钠水溶液；(4)对湿砂依次进行清水洗涤、脱水和烘干，得到成品再生砂。该方法能够实现铸造废砂和稻壳等固废资源的综合利用，即使是废砂表面失去活性的水玻璃，通过本方法后能实现继续回用；由于焙烧过程中加入稻壳，因此工艺能耗低，减能减排；得到的再生砂表面离子残留少，导电率低，再生砂品质稳定。

Description

一种水玻璃铸造废砂的再生方法及得到的再生砂

技术领域

本发明涉及资源回收技术领域，具体涉及一种水玻璃铸造废砂的再生方法及得到的再生砂。

背景技术

根据相关数据统计，目前每生产1吨合格铸件，大约要排放废砂1～1.3t，废渣300kg。按此计算，我国铸造行业每年排放的废砂为3000万吨，废渣900万吨。而废砂的再生利用率不到30％，造成极大的资源浪费和环境污染。关键原因是废砂再生的技术落后，能耗高，再生砂品质低，造成废砂资源再利用难度系数大。

根据相关数据统计，我国每年产生稻壳接近4000万吨，一般情况下把稻壳当做一般固体废物处理，或作为简单的燃料利用，综合利用率很低。且燃烧后的稻壳灰作为废弃物排放，污染生态环境，稻壳灰的潜在价值没有被充分利用。

工业绿色发展既是能源消费的问题，也是生产方式的问题。推动工业绿色发展，不仅需要能源利用方式、使用效率和消费结构的转型升级，也需要从产品设计、生产工艺等方面的优化创新，在绿色制造方面，通过典型示范带动生产模式绿色转型，推动全产业链低碳发展。因此需要将稻壳灰和铸造废砂重新投入生产，实现废物利用。

基于以上现实情况和需求，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水玻璃铸造废砂的再生方法，该方法对稻壳和使用过的铸造水玻璃废砂混合后，依次进行焙烧、碱洗、脱水和烘干，能够实现稻壳灰和铸造废砂的综合利用，并在增强性能的前提下降低工艺能耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种水玻璃铸造废砂的再生方法，包括以下步骤：

(1)将块状的铸造水玻璃废砂进行破碎；

优选地，通过筛分的方式进行破碎，将所述块状的铸造水玻璃废砂破碎为单颗粒砂。

(2)将稻壳和破碎后的铸造水玻璃废砂进行焙烧，得到焙烧产物；

优选地，所述稻壳与废砂的质量比为1:(8-10)。

优选地，所述焙烧温度为200-400℃，焙烧时间为1-2h。

(3)将所述焙烧产物与NaOH水溶液混合搅拌，反应完成后进行固液分离，得到湿砂和硅酸钠水溶液；

优选地，所述NaOH水溶液的质量分数为10-15％。

优选地，所述混合在密闭的搅拌机内进行，所述焙烧产物与NaOH水溶液的质量比为(2～5):1，优选为3:1。

优选地，所述混合搅拌时，混合物的温度为90-100℃，反应时间为1-3h。

(4)对湿砂依次进行清水洗涤、脱水和烘干，得到成品再生砂。

本发明还涉及上述再生方法得到的再生砂。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种水玻璃铸造废砂的再生方法，通过对稻壳和使用过的铸造水玻璃废砂混合后，依次进行焙烧、碱洗、脱水和烘干，与现有技术相比具备以下优点：

1)实现铸造废砂和稻壳等固废资源的综合利用，即使是废砂表面失去活性的水玻璃，通过本方法后能实现继续回用；

2)由于焙烧过程中加入稻壳，因此工艺能耗低，减能减排；

3)再生砂表面离子残留少，导电率低，再生砂品质稳定；

4)收集的液体尾料为新的硅酸钠溶液，以及可用于配制氢氧化钠水溶液的原料，无额外排放，实现清洁生产。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例涉及一种水玻璃铸造废砂的再生方法，包括以下步骤：

(1)将块状的铸造水玻璃废砂进行破碎；

在本发明的一个实施例中，通过筛分的方式进行破碎，将块状的铸造水玻璃废砂破碎为单颗粒砂，目的是使后续反应更加充分。

在本发明的一个实施例中，稻壳与废砂的质量比为1:(8-10)。如稻壳加入量过大，则造成稻壳与废砂混合物中的SiO₂的含量较高，在后续焙烧产物与NaOH发生化学反应生成水玻璃的过程中，导致水玻璃的模数(水玻璃化学式为Na₂O·nSiO₂，其中n为水玻璃的模数)会超过3.5，模数大的水玻璃需要在蒸汽环境中才能溶解，不适宜做铸造粘结剂用；其次，如稻壳加入量过大则产生的热值温度高，造成热量浪费；如稻壳加入量过少，则稻壳与废砂共同焙烧提供的热量不足，需要补充的热源能耗增加，不利于节能减排。

在本发明的一个实施例中，焙烧温度为200-400℃，焙烧时间为1-2h。焙烧的作用包括：利用燃烧的稻壳提供热值，以除去废砂中的低熔点物质，主要为砂芯组合时所用的胶水粘结剂；并在下一步中加入NaOH溶液后使溶液升温，从而进一步减少能耗。

(3)将焙烧产物与NaOH水溶液混合搅拌，反应完成后进行固液分离，得到湿砂和硅酸钠水溶液；

在本发明的一个实施例中，NaOH水溶液的质量分数为10-15％。由于焙烧后的废砂和稻壳灰会吸附部分水分，所以NaOH水溶液的质量分数不宜过高，否则导致再生砂的酸耗值和pH值高，降低砂芯的强度。

在本发明的一个实施例中，混合在密闭的搅拌机内进行，焙烧产物与NaOH水溶液的质量比为(2～5):1，优选为3:1。

在本发明的一个实施例中，混合搅拌时，混合物的温度为90-100℃，反应时间为1-3h。反应时间过长或者NaOH水溶液浓度过高，会造成再生砂中的SiO₂和NaOH反应，破坏砂粒表面的形貌。

稻壳灰的主要化学成分如表1所示，其中的主要成分为SiO₂，含量在90％以上。

表1

化学成分	SiO<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>O	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	CaO	其他
						质量分数(％)	≥90	≥3	≥2	≥2	≤3

步骤(2)和(3)涉及的化学反应如下：

①水玻璃砂在制芯浇注过程中脱水，失去粘结性，发生式(I)所示的反应，即旧砂表面的水玻璃脱水生成氧化钠和硅酸。

(Na₂O mSiO₂ nH₂O)Na₂SiO₃·nH₂O→Na₂O+H₂SiO₃ (I)

②将焙烧产物与NaOH水溶液混合后，在碱性环境中，旧砂表面的硅酸和主要来自稻壳灰的二氧化硅吸水恢复活性，发生式(II)和式(III)所示的反应。

H₂SiO₃+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O (II)

SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O (III)

由式(II)和式(III)可知，废砂表面失去水的硅酸钠，在碱性水溶液环境中恢复活性，重新生成硅酸钠，作为粘结剂继续用于铸造生产。

常规的水玻璃湿法再生工艺包括以下步骤：利用酸碱中和原理，在水溶液中加入酸(如草酸、盐酸等)与废砂表面的硅酸钠发生化学反应，生成可溶于水的盐，将废砂与污水分离后烘干作为再生砂，并将污水处理后循环使用。该工艺的弊端是：循环水中的离子浓度越来越高，造成再生砂的导电率高，或者需要定期排放污水并加入清水，否则导致再生砂的导电率升高。

需要说明的是，水溶液的电导率高低与其内含的溶质盐，或其它会分解为电解质的化学杂质的浓度有关。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等的重要指标。水越纯净，电导率越低，相应的电阻率越高。

再生砂的导电率越高，说明砂表面的离子含量高，这些离子会加速粘结剂的化学反应，在制芯使用的时候，容易造成固化快(即单颗粒砂就发生固化，不能和周围的砂粒相互粘结)、强度低等问题，因此要尽量降低再生砂的导电率。

另外在步骤(3)中，稻壳中的SiO₂微粉会与NaOH反应，湿砂经过负压脱水后，得到的水溶液就是新的硅酸钠溶液(硅酸钠水溶液俗称水玻璃，制得的水玻璃按照标准GB/T4029-1996可用于衍生制备硅系列产品)，其中水玻璃的模数在2～3之间，可作为粘结剂继续用于铸造生产，实现稻壳的综合利用，无额外排出物。

其中，湿砂用清水洗涤和脱水处理后，收集的水分中主要含有Na⁺、OH^-，少量的SiO₃ ^2-等离子，可以用于后续配制步骤(3)中的NaOH溶液。

本发明实施例还涉及上述再生方法得到的再生砂，其灼烧减量低，可直接代替原砂使用。

实施例1

一种水玻璃铸造废砂的再生方法，包括以下步骤：

(1)将块状的铸造水玻璃废砂通过筛分的方式进行破碎，得到单颗粒砂；

(2)将稻壳和破碎后的铸造水玻璃废砂以1:9的质量比混合后进行焙烧，焙烧温度为300℃，焙烧时间为1h，得到焙烧产物；

(3)将焙烧产物与质量分数为12％的NaOH水溶液混合搅拌，混合在密闭的搅拌机内进行，其中焙烧产物与NaOH水溶液的质量比为3:1，混合物的温度为95℃，反应时间为2h。反应完成后进行固液分离，得到湿砂和硅酸钠水溶液；

根据《GBT 7143-2010铸造用硅砂化学分析方法》、《GBT 26659-2011铸造用再生硅》中记载的方法，对实施例1获得的再生砂进行性能测试，结果见表2。

表2

结果表明，通过本发明方法得到的再生砂，其物化性能接近原砂。其中含水率和含泥量低、灼烧减量低，可直接替代原砂生产使用。

得到的硅酸钠水溶液中，水玻璃的模数在2～3之间，可作为粘结剂继续用于铸造生产。

改变实施例2～8，及对比例1和2中的反应条件，具体设置见表3。性能测试结果见表4。

表3

*除表1中记载参数以外，每一实施例的其它参数同实施例1。

表4

从上述测试结果可知，对比例1未加入稻壳，燃气消耗量过高，会造成生产成本增加，和环保节能的政策不相符。

对比例2以氢氧化钙溶液替换氢氧化钠溶液。由于氢氧化钙溶解度小，残留的氢氧化钙会残留在湿砂表面，造成酸耗值急剧增加。

本发明实施例1在废砂焙烧过程中加入稻壳，再生工艺的天然气消耗明显下降；实施例3和4进一步增加稻壳用量，发现稻壳加入过量后，虽然可以进一步降低天然气的消耗，但是在NaOH定量的情况下，稻壳灰中多余的SiO₂会残留在湿砂表面，从而导致再生砂的微粉含泥量直接上升。

实施例7和8中，若NaOH加入过量，NaOH会残留在湿砂表面，从而导致再生砂的酸耗值、导电率直接上升。实施例6中NaOH加入量偏少，SiO₂会残留在湿砂表面，因为SiO₂不溶于水，这些微粉在后续的清水润洗中不能去除，导致再生砂的微粉含泥量直接上升，会急剧降低砂芯的强度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种水玻璃铸造废砂的再生方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将块状的铸造水玻璃废砂进行破碎；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，通过筛分的方式进行破碎，将所述块状的铸造水玻璃废砂破碎为单颗粒砂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述稻壳与废砂的质量比为1:(8-10)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述焙烧温度为200-400℃，焙烧时间为1-2h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述NaOH水溶液的质量分数为10-15％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述焙烧产物与NaOH水溶液的质量比为(2～5):1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述焙烧产物与NaOH水溶液的质量比为3:1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述混合搅拌时，混合物的温度为90-100℃，反应时间为1-3h。

9.权利要求1至8任一项所述方法得到的再生砂。