水玻璃舊砂的再生技術(shù)進(jìn)展

水玻璃舊砂的再生技術(shù)進(jìn)展

水玻璃砂是制造和應(yīng)用最廣泛的三大砂之一。它與另外兩大型砂——粘土砂、樹(shù)脂砂相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì),也有其顯明的缺點(diǎn)。與粘土砂比較,水玻璃砂具有:型砂流動(dòng)性好、易緊實(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度低,操作簡(jiǎn)便、能耗低、勞動(dòng)條件好,型(芯)尺寸精度高、鑄件質(zhì)量好、鑄件缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。與樹(shù)脂砂比較,水玻璃砂又具有:成本低、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)毒無(wú)味、勞動(dòng)條件好等優(yōu)勢(shì)。水玻璃砂的主要缺點(diǎn)是:舊砂潰散性差、落砂清理困難,舊砂再生回用性差、舊砂廢棄容易造成環(huán)境污染,型(芯)砂的吸濕性較強(qiáng)、貯放穩(wěn)定性較差等。水玻璃砂鑄造工藝成本低、操作簡(jiǎn)單為許多工廠(chǎng)企業(yè)所喜愛(ài),其環(huán)境友好更被許多專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)為是21世紀(jì)鑄造工業(yè)綠色清潔生產(chǎn)的希望,但關(guān)鍵之一是要解決水玻璃舊砂再生的難題。1干法再生砂塊的殘留物對(duì)其重復(fù)使用的影響大量實(shí)踐和研究結(jié)果表明,水玻璃舊砂具有如下的性能特點(diǎn)[2~4]:(1)水玻璃舊砂粒上的殘留粘結(jié)膜在高溫澆注后不能燃燒分解,而是形成一種低熔點(diǎn)的硅酸鈉膠牢固地粘附在砂粒表面,使采用干法再生(對(duì)舊砂粒進(jìn)行機(jī)械碰撞、摩擦處理)時(shí)該類(lèi)舊砂的脫膜率較低。(2)舊砂塊破碎后,舊砂粒表面上的殘留硅酸鈉膠、鹽等具有很強(qiáng)的吸濕性,使得該類(lèi)舊砂很易回潮、其干法再生的效果較差,干法再生前對(duì)舊砂進(jìn)行加熱預(yù)處理可提高干法再生的除膜效果。(3)水玻璃舊砂粒表面上的殘留物(殘留水玻璃粘結(jié)劑、鹽、酯等)溶于水,故濕法再生水玻璃舊砂的效果好。(4)再生砂粒表面上殘留的高模數(shù)水玻璃、殘留酯、鹽等對(duì)再生砂的性能(強(qiáng)度、可使用時(shí)間等)具有巨大影響,去除上述殘留物是舊砂再生的主要任務(wù)。與新砂的性能相比較,水玻璃再生砂(尤其是普通干法再生砂)的可使用時(shí)間縮短、再粘結(jié)強(qiáng)度降低,其原因還未徹底查明。由于水玻璃再生砂(或舊砂)的殘留粘結(jié)劑中,除了含有殘留水玻璃外,還有殘留酯、鹽等多種物質(zhì),這些物質(zhì)與新加入的水玻璃或硬化劑作用,可能涉及到復(fù)雜的表面化學(xué)與催化化學(xué)現(xiàn)象,還有待于進(jìn)一步深入研究。水玻璃舊砂的再生方法有干法再生和濕法再生。2水玻璃廠(chǎng)舊砂的濕再生技術(shù)2.1濕法再生機(jī)組上世紀(jì)六、七十年代,曾在我國(guó)的許多工廠(chǎng)被廣泛采用(目前仍有一些工廠(chǎng)在使用)的水玻璃舊砂濕法再生系統(tǒng)是將水力清砂或水瀑清砂工藝與舊砂的濕法再生結(jié)合起來(lái),組成水玻璃砂工藝的“水力清砂-濕法再生系統(tǒng)”和“水瀑清砂-濕法再生系統(tǒng)”。上述濕法再生系統(tǒng)的濕法再生主機(jī)為旋流式濕法再生機(jī)(或稱(chēng)水力旋流器),如圖1所示。其工作原理為:砂水混合物(含砂量為10%~15%),以一定的壓力和速度從進(jìn)漿管切向流入旋流式濕法再生機(jī)筒體內(nèi),沿圓筒及圓錐體內(nèi)壁形成高速旋流。砂粒在離心力作用下克服砂漿中水的粘性形成的阻力而趨于器壁,與此同時(shí)砂粒與器壁、砂粒與砂粒之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦作用,使砂粒表面的泥塵被洗刷、殘留粘結(jié)劑膜被剝落。泥塵和微粒隨旋轉(zhuǎn)上升的水流從處于中心部位的溢流管中逸走;砂粒則沿器壁螺旋下沉,呈濃縮砂漿(含砂量為70%~80%)狀態(tài)從排砂口排出。上述濕法再生系統(tǒng)的特點(diǎn)是:生產(chǎn)量大、與水力清砂和水瀑清砂結(jié)合使用,濕法再生的效率不高。但總體來(lái)講,設(shè)備系統(tǒng)龐大、能耗大、耗水量大,再生設(shè)備的磨損較嚴(yán)重、脫膜率不太高(Na2O的去除率為50%~60%),自然沉淀污水使水循環(huán)的效果不夠理想。2.2濕法再生的特點(diǎn)上世紀(jì)九十年代末,由我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的新型水玻璃舊砂濕法再生工藝及設(shè)備系統(tǒng)的流程如圖2所示,主要由舊砂破碎設(shè)備、濕法再生設(shè)備、砂水分離及脫水設(shè)備、污水處理設(shè)備、濕砂烘干設(shè)備等組成。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)采用強(qiáng)擦洗濕法再生設(shè)備結(jié)構(gòu),Na2O的去除率高:兩級(jí)強(qiáng)擦洗濕法再生Na2O的去除率為85%~95%;單級(jí)濕法再生,Na2O的去除率為70%~80%。(2)濕法再生砂的質(zhì)量好,可代替新砂作面砂或單一砂使用。(3)濕法再生的耗水量小,每噸再生砂耗水2~3t;污水經(jīng)處理后可循環(huán)使用或達(dá)標(biāo)排放。單級(jí)濕法再生設(shè)備布置如圖3所示。它由濕法再生機(jī)、砂水分離機(jī)、濕砂脫水機(jī)三臺(tái)設(shè)備組成(也可由濕法再生機(jī)、砂水分離機(jī)兩臺(tái)設(shè)備組成,采用其它脫水設(shè)備去除濕砂中的水分)。該再生系統(tǒng)的工作過(guò)程為:經(jīng)破碎磁選后的水玻璃舊砂與清水按一定的比例(砂水質(zhì)量比為1:1~1:1.5)混合,并以一定的流量連續(xù)進(jìn)入濕法再生機(jī)體內(nèi)再生;經(jīng)一定時(shí)間的再生后(再生時(shí)間的長(zhǎng)短取決于砂水混合物的流量和再生機(jī)的容積),砂水混合物從濕法再生機(jī)內(nèi)卸出,進(jìn)入砂水分離機(jī)中進(jìn)行砂水分離;來(lái)自砂水分離機(jī)的濕砂再經(jīng)濕砂脫水設(shè)備初步脫水后,進(jìn)入下一級(jí)濕法再生或被直接送入濕砂池存放等待烘干使用。3舊水玻璃砂的干燥再生系統(tǒng)3.1熱反應(yīng)對(duì)水玻璃舊砂再生效果的影響(1)水玻璃粘結(jié)劑(膜)經(jīng)不同溫度加熱后的變化筆者曾將酯硬化水玻璃倒入小坩堝內(nèi)進(jìn)行不同溫度的加熱試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為:將一定量的水玻璃與有機(jī)酯一起按10:1的質(zhì)量比例混合均勻,然后倒入多個(gè)小坩堝內(nèi)硬化;硬化48h后倒去小坩堝中的殘留液(水及酯等),再將小坩堝放入干燥瓶中;數(shù)天后,將裝有完全硬化并干燥的水玻璃粘結(jié)劑的小坩堝,分別在120℃、220℃、320℃、420℃、520℃、620℃下加熱保溫,觀(guān)察小坩堝中水玻璃粘結(jié)劑的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)不同溫度加熱保溫20min后的水玻璃粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)變化很大,如圖4所示。經(jīng)120℃加熱后的粘結(jié)劑膜與未加熱的粘結(jié)劑膜相比變化不大,粘結(jié)劑膜仍具有彈塑性;經(jīng)220℃、320℃加熱后的粘結(jié)劑膜,體積明顯膨脹,變成了“多孔海綿狀”結(jié)構(gòu)的白色物質(zhì),且加熱溫度越高、孔隙率越大(這可能是粘結(jié)劑中的結(jié)晶水或有機(jī)物受熱揮發(fā)所致);當(dāng)加熱溫度高于420℃后(420℃、520℃、620℃),粘結(jié)劑膜變成了玻璃狀物質(zhì)(顏色由420℃的褐黑色變?yōu)?20℃的灰白色,玻璃狀結(jié)構(gòu)可能是由于硬化的水玻璃受高溫后熔化的結(jié)果)。因此,不同受熱溫度的水玻璃舊砂,具有不同的再生難易程度。采用干法再生時(shí),受熱220℃以下或420℃以上的水玻璃舊砂都具有較大的再生脫膜難度。(2)舊砂受熱溫度對(duì)干法再生去膜率的影響不同受熱溫度下,干法再生對(duì)水玻璃舊砂中殘留Na2O的除去效果見(jiàn)圖5所示。從圖5中可以看出,水玻璃舊砂在受熱220~320℃時(shí),干法再生的脫膜效果較好(水玻璃舊砂的殘留Na2O含量與經(jīng)干法再生后其殘留Na2O含量之差較大),而受熱溫度較低(小于120℃)或較高(大于420℃)時(shí),其干法再生的脫膜效果較差。由于舊砂的受熱溫度與鑄型(芯)的砂鐵比、鑄件的澆注溫度、鑄件澆注后的保溫時(shí)間等因素有密切關(guān)系,減少砂鐵比、提高澆注溫度、延長(zhǎng)鑄件澆注后的保溫時(shí)間,都可提高舊砂的受熱溫度。3.2干法再生水玻璃舊砂加熱使用試驗(yàn)從原理上講,各種干法再生設(shè)備系統(tǒng)都可用于水玻璃舊砂的再生,只是再生脫膜率的高低問(wèn)題。由于水玻璃舊砂粒上的殘留粘結(jié)劑與砂粒的結(jié)合力較為牢固,通常需要有較大再生強(qiáng)度(即碰撞力和摩擦力)的再生機(jī)(逆流式再生機(jī)、多級(jí)機(jī)械離心式再生等),才能迫使殘留粘結(jié)劑從原砂粒上剝離下來(lái)?？紤]到水玻璃舊砂表面殘留粘結(jié)劑的吸濕性和受低溫作用的舊砂表面殘留粘結(jié)劑的可塑性,在干法再生設(shè)備系統(tǒng)中,再生前安排了對(duì)舊砂進(jìn)行加熱烘干是必要的。但我們的研究結(jié)果表明,干法再生前對(duì)水玻璃舊砂進(jìn)行不同溫度的加熱,對(duì)水玻璃再生砂的性能具有很大影響。表1所示為不同的預(yù)熱溫度對(duì)干法再生砂性能的影響,從中可以看出,干法再生砂的性能與其舊砂的加熱溫度有很大的關(guān)系。粘結(jié)強(qiáng)度隨加熱溫度增加而增加;受熱溫度為320℃時(shí),干法再生砂的可使用時(shí)間和再粘結(jié)強(qiáng)度大大增長(zhǎng),接近新砂;而低溫加熱(120℃、220℃)對(duì)再生砂的可使用時(shí)間的延長(zhǎng)幫助不大。(2)干法再生水玻璃舊砂的最佳加熱溫度區(qū)國(guó)外有些設(shè)備制造商提出采用高溫(600~800℃)熱法再生水玻璃舊砂,主要是將樹(shù)脂舊砂熱法再生設(shè)備引用到水玻璃舊砂的再生中,但由于大部分殘留水玻璃粘結(jié)劑的不可燃性,因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到樹(shù)脂舊砂熱法再生(能完全去除殘留樹(shù)脂粘結(jié)劑膜)的效果。高溫(600~800℃)熱法再生水玻璃舊砂,可以除去殘留水玻璃粘結(jié)劑的有機(jī)物成分、結(jié)晶水等物質(zhì),使再生砂上的殘留水玻璃粘結(jié)劑鈍化(即大大降低殘留水玻璃粘結(jié)劑對(duì)再粘結(jié)可使用時(shí)間的影響),但高溫?zé)岱ㄔ偕臍埩羲Ａд辰Y(jié)劑的去除率并不高。因?yàn)?當(dāng)加熱溫度高于400℃時(shí),殘留粘結(jié)劑變成玻璃狀物質(zhì),牢固地與原砂粒結(jié)合在一起,有的與原砂粒熔為一體,故較難從原砂粒表面剝離。此時(shí),再生砂的再粘結(jié)強(qiáng)度和可使用時(shí)間雖然可能接近新砂,但高溫?zé)岱ㄔ偕Ａf砂的能耗高、熱砂的冷卻麻煩,再生砂重復(fù)使用后耐火度下降。因此,實(shí)際生產(chǎn)中很少采用。我們認(rèn)為,干法再生水玻璃舊砂的最佳加熱溫度區(qū)間應(yīng)為:320~400℃。此時(shí),殘留粘結(jié)劑膜的去除率高、殘留酯等有機(jī)物對(duì)再生砂的有害作用也基本被消除(再生砂的可使用時(shí)間、再粘強(qiáng)度接近新砂),且與高溫?zé)岱ㄔ偕容^,能耗低、熱砂冷卻方便。(3)干法再生砂作單一砂使用時(shí),型砂潰散性下降現(xiàn)象由于水玻璃舊砂中殘留粘結(jié)劑膜與原砂粒的結(jié)合力較高,通常干法再生水玻璃舊砂的去膜率都較低,普通干法再生為5%~15%,加熱后干法再生20%~35%。因此,再生砂循環(huán)使用后的殘留粘結(jié)劑的積累增加是必然的。實(shí)踐和研究表明,干法再生砂多次循環(huán)使用后,型砂的潰散性和耐火度都較大下降。我們將破碎的舊砂經(jīng)320℃烘干后,再進(jìn)行干法再生,用這種干法再生砂進(jìn)行重復(fù)澆注試驗(yàn)(每次循環(huán)時(shí)加入20%的新砂),發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加,再生砂的潰散性惡化(即再生砂的殘留強(qiáng)度大大提高)[5~6]。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。多次循環(huán)使用后的干法再生水玻璃砂,作單一砂或面砂時(shí),其型砂的表面強(qiáng)度(或穩(wěn)定性)有所下降,型砂的耐火性降低(體現(xiàn)在鑄件表面的麻點(diǎn)缺陷增多),型腔表面的吸濕性增加、鑄型的硬透性降低,與新砂相比鑄件落砂清理更困難。4玻璃舊砂再生方案及比較4.1干法再生水玻璃砂使用的工藝措施(1)由于干法再生水玻璃舊砂的脫膜率低(10%~30%)、干法再生砂的再粘結(jié)強(qiáng)度低和可使用時(shí)間短,所以干法再生水玻璃砂通常只能做背砂使用。即使水玻璃舊砂通過(guò)高溫加熱(>320℃)后干法再生,可使其再生砂的粘結(jié)強(qiáng)度和可使用時(shí)間達(dá)到單一砂(或面砂)的使用要求,但因循環(huán)使用會(huì)使型砂的潰散性有惡化趨勢(shì)、型砂的耐火度也較大地降低,干法再生水玻璃砂作單一砂(或面砂)使用也不是最好的方案。假如要采用“加熱+干法再生”方案,一定要每次都加入一定量的新砂,以維持生產(chǎn)平衡。(2)作背砂使用的水玻璃干法再生砂,由于對(duì)其脫膜率和耐火度的要求不高,因此沒(méi)有必要對(duì)舊砂粒進(jìn)行過(guò)分強(qiáng)烈的碰撞摩擦作用以及追求高的除膜率,只要求背砂具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度和可使用時(shí)間就可滿(mǎn)足其使用要求。舊砂干法再生的機(jī)理是對(duì)舊砂粒的機(jī)械碰撞摩擦作用,以除去舊砂粒表面的殘留粘結(jié)劑膜,但強(qiáng)烈的機(jī)械碰撞摩擦作用是以砂粒的破碎為代價(jià)的。(3)對(duì)水玻璃舊砂塊進(jìn)行去磁、破碎、低強(qiáng)度的碰撞摩擦作用、篩分、除塵等干法回用處理過(guò)程(或普通的干法再生),使水玻璃舊砂塊變成砂粒、脫膜率為10%~20%,輔之水玻璃模數(shù)的調(diào)整和其它工藝措施,可使水玻璃回用砂達(dá)到作背砂的使用要求。(4)當(dāng)需要再生砂作面砂或單一砂使用時(shí),較好的方法是對(duì)水玻璃舊砂進(jìn)行高效率的濕法再生,以獲得高的脫膜率(大于90%),使再生砂的各項(xiàng)性能接近新砂。4.2水玻璃舊砂處理根據(jù)使用的要求不同,水玻璃舊砂的再生有如下三種(較佳的)供選擇的方案[7~8]:(1)采用“面砂—背砂”制的工廠(chǎng),可對(duì)水玻璃舊砂進(jìn)行干法回用處理,脫膜率為10%~30%,面砂(新砂)加入量為20%~30%,輔之其它工藝措施;約20%的廢砂被丟棄;(2)采用單一砂的工廠(chǎng),必須對(duì)水玻璃舊砂進(jìn)行濕法再生,使脫膜率達(dá)85%~95%,污水經(jīng)處理后循環(huán)使用或無(wú)害排放;新砂加入量約5%~15%,用砂量基本平衡。(3)水玻璃舊砂處理的理想方法是“干法回用、濕法再生”。即:采用方案(1)的回用處理方法,實(shí)現(xiàn)“面砂—背砂”制生產(chǎn);約20