中国铸造协会顾问 李传

铸造生产中，粘土湿型砂造型工艺仍然是应用最广、生产量最多的工艺，特别是在铸铁件的生产中，用其生产的铸件约占总量的85%。

表面看来，采用粘土湿型砂工艺过程中，回收的旧砂可以经砂处理后循环使用。实际上，经多次循环使用后，由于反复受到高温的作用，型砂的实际构成逐渐发生变异，从而影响铸件的质量，这样，就不得不将其替换下来。年产量相同的铸造厂，采用粘土湿型砂工艺时，其废弃砂的排放量一般都比采用树脂自硬砂工艺的多得多。

大量废弃砂的排放，一方面造成环境污染，另一方面也增大了硅砂资源开发的压力。

2011年，我国铸铁件的总产量为3047万t，其中采用粘土湿型砂工艺生产的铸铁件约2500万t，仅在铸铁方面，我国每年产生的废弃砂可能就不下1500万t。

汽车行业是采用粘土湿型砂生产铸铁件的大户，也是废弃砂排放的大户。各工业国家汽车行业的铸造厂，三十多年前就很重视废弃砂再生和循环使用的问题，一些大型铸造厂早就装设了砂再生设备，这方面的研究工作也从未间断。

近十多年来，我国铸造行业发展很快，为了体现可持续发展的方针，废弃砂再生处理日益受到重视。目前，已有生产废弃粘土湿型砂再生设备的厂家，一些大型铸造厂都配置了用于废弃粘土湿型砂的再生设备，同时，也出现了为多家铸造厂集中处理废弃砂的企业。总体上，形势是十分喜人的，但是，我们在这方面的研究、开发工作仍然是不够的，自主创新成果很少，希望铸造行业的同仁今后对此予以更多的关注。

一、粘土湿型砂废弃砂的特点

粘土湿型砂的主要组分是硅砂，粘接剂是膨润土和水，此外还加有煤粉、淀粉等附加材料。型砂经循环使用后，实际的构成相当复杂，除上述主要组分外，还有因受热而失去粘结能力的死粘土、煤粉热分解后残留的灰分、硅砂碎屑，以及含铁、铝等成分的复合硅酸盐。因此，砂粒表面附着物的烧结温度可低到1100℃左右。贴近铸件的砂粒，浇注后受高温作用，就会形成变质烧结层。型砂经多次循环使用后，就逐步形成了多层变质烧结层，这也就是型砂中的“易熔组分”。

不太厚的变质烧结层能改善砂粒的形貌，还能减轻因硅砂相变膨胀而导致的铸件缺陷，是有益的。在正常情况下，以旧砂为主配制的型砂，性能和使用效果往往优于全部用新砂配制的型砂。如型砂循环使用的时间太长，变质烧结层越来越厚，型砂中易熔组分的量很大，就会导致铸件产生表面粗糙、粘砂等缺陷，这样的型砂就应该予以替换。

当然，废弃砂砂粒的表面上还有由活性粘土、煤粉、淀粉之类添加剂和水分混合而成的粘结膜。

砂粒表面的这些附着物的量很大，在废弃砂中一般都在20%以上，如图1所示。

要使砂粒表面的附着层完全剥落是很不容易做到的，粘土湿型砂再生处理的难度比一般的树脂粘结砂大得多。而且，铸造厂排放的废弃湿型砂中，还混有不同数量、不同品种的芯砂，如冷芯盒砂、热芯盒砂、壳芯砂等，使情况更为复杂。

同时，目前对再生砂清洁度的要求日益严格，不仅要适于配制型砂，而且应该能够用于冷芯盒、热芯盒、壳芯等工艺制芯。

二、废弃砂再生处理的方式

废弃砂再生就是将砂粒表面上残留的粘结膜、变质烧结层等附着物脱除，得到清洁的砂粒。目前，废弃砂再生的方式主要是三种：最基本的方式是机械再生；对于某些在砂粒表面附着比较牢固而又具亲水性的附着物，可以采用湿法再生方式；对于某些在砂粒表面附着比较牢固而在高温下可以燃烧掉，或可使之脆化的附着物，则可采用焙烧再生的方式。

1.机械再生

机械再生是借助于外力的作用使砂粒表面的附着物剥落，是废弃砂再生的主要环节。单一的机械再生设备自不必说，就是采用湿法再生或焙烧再生，也都不能没有机械作用。

机械再生对砂粒的作用，主要是通过撞击、摩擦、研磨等方式实现的，如图2所示。

实际上，任何机械再生设备都不可能只有某种单一的作用，往往是以某种作用为主，还兼有其他种作用。

以下，就一些重要的机械再生装置作简单的介绍。

（1）以撞击为主的机械再生装置 20世纪50年代，美国国家工程公司就开发了气流再生设备，曾一度广泛应用于世界各国。其作用机制是：使高速气流携带砂粒上升，撞击一固定的挡板。由于上升气流的作用，挡板下方会贴附一层砂，上升砂粒主要撞击的是砂层，而挡板的磨损则不太严重。

粗看起来，是以撞击作用为主，实际上，携带砂粒的气流在管道内运动的过程中，管壁处砂粒的流速低于中心部分，而且还有涡流作用，砂粒之间产生的摩擦对再生效果有重要的作用。实际应用于生产的装置可以由多个这样的单元组成。

气流再生的优点是没有太强烈的机械撞击，再生过程中砂粒的破碎很少。其缺点是能耗高，目前已很少应用。

日本太洋铸机株式会社生产的RC型离心撞击式砂再生装置，20世纪80～90年代采用者也不少，图3是这种再生装置的一个单元，旧砂进入后，由高速旋转的叶轮1（2000r/min）将其抛向耐磨挡板2，砂粒与档板产生多次碰撞，当然，砂粒在运动过程中的互相摩擦也起很重要的作用。

生产中采用的再生装置，可以由多个单元自上而下地串联组成。

（2）以摩擦为主的机械再生装置 日本铸造株式会社研制的转筒式再生机，剥离附着物主要是由砂粒之间的摩擦实现的。其再生作用如图4所示。

旧砂进入再生装置后，最初，由于离心力的作用，在转筒内形成积砂，此积砂层随转筒旋转。此后进入的旧砂，因重力和离心力的作用，与转筒中的积砂产生强烈的摩擦，使砂粒表面的附着物剥落。砂粒然后再进入固定环，再次与固定环中的积砂摩擦。

再生装置可以由若干单元串联组成。

除此以外，也有多种借助于振动使砂粒之间相互摩擦，使砂粒表面的覆盖物剥离的装置。

（3）以研磨为主的机械再生装置 目前，这类机械再生装置主要有滚压轮加压式和旋转磨轮式两种。

滚压轮加压式旧砂再生装置是日本新东公司研制的，其装置如图5所示。

主体工作部件是一个内壁镶嵌有陶瓷衬的转盘和一对陶瓷质的滚压轮。转盘由电动机驱动。滚压轮则由其与转盘内壁之间砂层的摩擦作用而旋转，不需动力。滚压轮对砂层的压力，由控制装置底部的液压缸予以调定，以适应不同的再生要求。再生砂从装置底部卸出后，再经流化床脱除粉尘。

据报道，这种装置的再生效果优于转筒式再生装置，可用于粘土湿型砂和碱性酚醛树脂自硬砂的再生。

旋转磨轮式砂再生装置，在欧洲、日本都有应用，其结构如图6所示。

主要工作部件是高速旋转的专用磨轮。磨轮的外面有一同轴的多叶片刮板轮，作与磨轮方向相反的低速旋转。刮板刮起的砂粒自磨轮的上方撒向磨轮，由磨轮的作用使砂粒表面的附着层剥落。粉尘自上方抽取，再生砂自下方卸出。

据日本的报道，这种装置的再生效果也很好，可用于粘土湿型砂和碱性酚醛树脂自硬砂的再生。但是，意大利泰克西公司的铸铁厂前几年曾将这种装置用于粘土湿型砂的再生处理，生产性试验的结果表明，如果只采用单一的机械再生处理，效果也并不很好，再生砂不能适应制芯的要求。

2.湿法机械再生

湿法机械再生是将旧砂加水后予以强烈地搅拌、擦洗，以脱除其表面的附着物，对于以亲水性膨润土为粘结剂的型砂，应该说是可行的。

美国早在1940年前后，就采用这种方法对废弃的粘土湿型砂进行再生处理。那时，型砂中没有以树脂为粘结剂的芯砂混入，也不要求将再生砂用于制芯，废弃砂经再生处理后主要用于型砂，对于改善型砂质量应该说是大有裨益的，早期，其他国家采用的也不少。

但是，只用湿法擦洗再生，很难完全脱除砂粒表面的变质烧结层，不能适应当前对再生砂质量的要求，而且，处理含大量泥浆的废水也是一个不容忽视的问题。

近期，泰克西公司在其生产性试验中，在湿法擦洗的基础上，增加一次硫酸清洗，结果再生砂的质量可以满足制芯的要求。虽然泥浆、废水的处理比较麻烦，但是，砂再生的成本低于焙烧-机械联合再生，这种改进措施是可以借鉴的。

此外，第一次擦洗后泥浆中的活性膨润土和颗粒料的再利用，也是值得关注的，他们已将此项目列为研究、开发的课题。

3.焙烧－机械联合再生

对于废弃的粘土湿型砂，目前我国已有一些企业采用焙烧-机械联合再生的方式处理。其工艺流程是：先将待处理废砂经焙烧，冷却后再进行机械再生处理。由于并不是在加热状态下进行再生处理，不宜称之为“热法机械再生”。

焙烧处理的作用是：使待处理砂中残留的活性膨润土丧失粘结能力；除去砂中残留的煤粉及其他有机物质；使砂粒表面的变质烧结层脆化。焙烧温度通常是800℃左右。如焙烧温度太高，粘土就可能被烧结于砂粒表面，反而不利于此后的机械再生处理。

在焙烧装置的设计方面，则应注意充分利用型砂中所含煤粉和其他有机物的热能。

由于篇幅所限，在焙烧－机械联合再生工艺方面只说两个问题。

（1）焙烧前的预处理 国外的研究开发工作表明：采用焙烧-机械联合再生工艺时，在焙烧前将干燥的待处理砂进行一次低强度的摩擦再生处理是非常有益的。

这种预处理的作用是分离待处理砂中残留的活性膨润土，从而可以提高焙烧后脱除变质烧结层的工效。而且，分离出的细粉中活性膨润土的含量相当高，可以回收、利用，国外也已将其列为研究、开发的课题。

（2）焙烧装置的改进 早期采用的焙烧装置是传统的竖炉、回转炉之类，热效率低，炉内温度也不均匀。

也有人采用直接在搅拌机中用烧嘴加热的方式，既可以加热，又有机械摩擦的作用，如德国Eirich公司生产的逆流搅拌式热再生就是一例。但是，为保持设备的正常运转，焙烧温度不能超过400℃，这一点制约了其推广应用。

流态化焙烧炉也称沸腾床焙烧炉，由于其加热均匀，燃料利用率高，且设备维修简单，是当前广泛采用的焙烧装置。

在使用流态化焙烧炉的条件下，日本钢管接头公司作了一项很好的改进，如图7所示。

图7a是通常使用的流态化焙烧炉，其缺点如下：一是炉内砂粒的温度不匀，难以保持最适宜的焙烧温度；二是焙烧砂的显热未能利用，而且使此后砂冷却作业的负担重；三是热效率低，燃料耗量多。

图7b是改进后的流态化焙烧炉，改进主要有两点：一是在底部装有对流热交换器，利用焙烧砂的显热加热鼓入的空气，由热空气使砂粒流态化，促进炉内温度的均匀，并节省燃料；二是旧砂经分散器分布于炉内，与炉内原有的热砂很易混匀，升温快，焙烧效果好。

改进的焙烧炉，特别适合规模较小的铸造厂采用。

三、废弃粘土湿型砂再生工艺方案的选取

目前，废弃粘土湿型砂的再生，已经是铸造业必须面对的课题。一般说来，比较适用的是焙烧-机械联合再生和湿法擦洗再生两种工艺。但是，采用这两种方式，设备都比较复杂，投资额也较大，适合于具有多条生产线的大型企业（如大型汽车铸铁件生产厂家）。

产业集群化的铸造工业园区、铸造企业较集中的地区，可以设立专业化的砂处理厂。

单一机械再生，设备比较简单，投资额也不大，如果不要求将再生砂用于制芯，在选用功能较好设备的条件下，也是可以采用的。

总体方案选定后，还要根据主要铸件产品的特点、制芯工艺、芯砂混入量，以及废弃砂处理量等具体情况，确定工艺流程的安排和设备的选用，务求经济、实用。