一種鑄造廢砂再生方法與流程

本發明涉及一種廢砂的再生利用方法，尤其是一種鑄造廢砂的再生方法。

背景技術：

在鑄造企業中會產生大量的廢砂，產出1噸合格鑄件，就要產生約1.5噸廢砂，而廢砂的再利用率只有20～30％，其大部分就會被丟棄，一方面會造成環境污染，另一方面也會造成資源的極大浪費。目前，鑄造行業中大約90％的鑄件是采用砂型鑄造的工藝生產的。制造砂型的基本原材料是鑄造砂和型砂粘結劑，常用的型砂粘結劑可以分為有機型(例如：酚醛樹脂、冷芯盒樹脂等)和無機型(例如：粘土、水玻璃等)，而常用的鑄造砂是硅砂(20-140目顆粒)，一般生產1噸鑄件會產生1～1.5噸的鑄造廢砂，大量的硅砂來源于自然界，鑄造業的規模發展必然導致天然硅砂資源的大量開采和大量含有害物質廢砂的丟棄。為了鑄造行業的可持續發展，很有必要對鑄造廢砂進行再生循環利用，以保護我們的地球資源和環境。砂子實現再生，必須克服兩個技術問題：1、完全去除砂子表面雜質；2、同時不得損傷砂子。

目前公開的鑄造廢砂的再生方法主要有干法機械再生、熱法再生、濕法機械再生幾種：

干法機械再生主要采用離心和碾磨兩種方法使物料進行撞擊摩擦而去除廢砂表面雜質膜，以達到再生的目的；

熱法再生是在700-800℃條件下對廢砂進行焙燒，將硅砂表面的雜質燒盡除去，以達到脫膜再生的目的；

濕法機械再生通過以水為介質，對廢砂進行浸潤、擦洗，從而去除廢砂表面雜質膜，以達到脫膜再生的目的；

熱法再生方式對于酚醛樹脂、冷芯盒樹脂等具有可燃性的有機雜質膜具有良好的去除效果，但對于粘土、水玻璃等無機雜質膜的去除效果不佳；而且焙燒后的尾氣需要進行凈化處理。

中國專利cn101869965b公開了一種鑄造廢砂再生的方法，包括以下步驟：a、將廢砂破碎至5mm以下的粒度；b、在廢砂中，按廢砂中鈉：氯化鈣或氯化亞鐵＝2:0.8～1.5的摩爾比，將氯化鈣或氯化亞鐵溶于水中；c、將b步驟中的水溶液加入廢砂中，并調整廢砂含水量在4～10％質量比；d、攪拌均勻c步驟中的混合物，得再生砂。

另一篇專利cn103769531b公開了一種鑄造潮模砂再生方法，步驟如下：(1)將棕剛玉磨料摻入已經破碎篩分后的潮模砂廢砂中；(2)將步驟(1)中混合好的潮模廢砂和棕剛玉磨料一起放入焙燒爐沸騰焙燒，其中焙燒溫度為650～700℃，焙燒時間為6～8h。(3)將步驟(2)中焙燒后的潮模廢砂和棕剛玉磨料冷卻；(4)將步驟(3)中冷卻后的潮模砂廢砂和棕剛玉磨料篩分，分離出棕剛玉磨料；其中步驟(1)中棕剛玉磨料的質量是潮模廢砂質量的5～10％。

雖然，現如今廢砂再生方法種類很多，但是這些方法中存在很多問題，干法機械再生對于雜質膜脫除率不超過80％，再生過程對砂子的磨損較大，會產生大量的細粉，再生砂粒徑不斷變小，一方面大幅度降低再生砂的回收率(不超過80％)，得到的再生砂表面會產生裂紋、再生砂酸耗值高，無法滿足鑄造砂技術質量的要求，另一方面產生大量細粉，二次處理及利用的技術壓力較大；

熱法再生方式對于酚醛樹脂、冷芯盒樹脂等具有可燃性的有機雜質膜具有良好的去除效果，但對于粘土、水玻璃等無機雜質膜的去除效果不佳；而且焙燒后的尾氣需要進行凈化處理；

濕法機械再生方式對于粘土、水玻璃等具有水溶性的無機雜質膜具有良好的去除效果，但對于酚醛樹脂、冷芯盒樹脂等有機雜質膜的去除效果不佳；而且后續砂、水、雜質需進行進一步分離，甚至生產過程產生的污水還需進行水處理。

而專利文獻cn101869965b和cn103769531b公開的廢砂再生方法，都要在廢砂中加入一些物質(如鈉：氯化鈣或氯化亞鐵以及棕剛玉磨料)，操作過程復雜而，所需時間長。

技術實現要素：

本發明目的在一種鑄造廢砂再生的方法，即分子脫膜法，去除砂子表面雜質，還原砂子原狀，同時不損傷砂子，使其獲得再生，達到重復循環使用。

具體技術方案如下：一種鑄造廢砂再生的方法，包括以下步驟：

(1)將鑄造廢砂裝入密封容器中；

(2)打開密封容器上的蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓強上升；

(3)待密封容器中的壓強達到0.5-5mpa以及溫度達到150-260℃時，停止加水蒸汽；

(4)關閉密封容器上的蒸汽閥，待壓強恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓5-20min；

(5)打開密封容器上的泄壓閥，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；

(6)對步驟(5)中的砂子進行干燥脫離、風選完成整個廢砂再生過程。

所述鑄造廢沙的堆體積與密封容器的體積比為(0.2-0.7)：1；

所述鑄造廢沙由沙子和包裹在沙子表面的雜質膜組成，其中所述沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：100×α沙子＜α雜質膜；

所述步驟(6)是將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離。

所述鑄造廢沙的堆體積與密封容器的體積比也可稱為鑄造廢沙填充到密封容器的填充系數，即填充系數為0.2-0.7。

如果鑄造廢沙的堆體積占比超過密封容器的0.7倍(即填充系數)以上，在本發明壓強0.5-5mpa和溫度150-260℃下的水蒸汽對于破裂粉碎雜質膜的效果較差，廢沙過多，水蒸汽進入雜質膜和沙子之間作用的效率降低，作用有限；如果填充系數太低，則會造成水蒸汽資源和能量資源的浪費。

本發明所用方法的原理是：密封容器中的水蒸汽跟廢砂結合，附著在廢砂上的雜質膜被水蒸汽浸潤、溶脹、滲透；由于砂子主要成分是二氧化硅，是不良導熱體，熱膨脹低，水蒸汽得以滲透進入雜質膜與砂子結合層；待水蒸汽充分滲透進入雜質膜與砂子的結合層后，使容器內瞬間泄壓，產生汽爆效應；雜質膜被破裂粉碎成微小顆粒；然后對廢砂進行干燥脫離、風選完成整個廢砂再生過程。

所以采用本發明方法中的鑄造廢沙不需滿足上述條件，即為所述沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：10×α沙子＜α雜質膜；雜質膜的熱膨脹系數要大于沙子熱膨脹系數的10倍以上，優選的是大于100倍以上，這種條件的鑄造廢沙才能被本發明設定的壓強0.5-5mpa和溫度150-260℃下的水蒸汽破裂溶脹，破裂粉碎的效果最佳。

優選的，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：100×λ沙子＜λ雜質膜。

優選的，500×λ沙子＜λ雜質膜。

沙子與雜質膜的導熱系數限定進一步進行優選，如果雜質膜的導熱系數遠大于沙子，即雜質膜的吸熱效果非常好，更利于雜質膜的吸熱膨脹。

優選的，所述加壓方法為向容器中注入水蒸汽，加壓到1-3mpa，恒壓溫度范圍為180-240℃。

優選的，所述加壓方法為向容器中注入水蒸汽，加壓到1.6-2mpa，恒壓溫度范圍為200-220℃。

優選的，所述廢沙的堆體積與容器的體積比為0.4：1。

優選的，所述沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：1000×α沙子＜α雜質膜。

優選的，所述瞬間泄壓時間為1-5秒。

優選的，所述廢砂類型為潮模砂、樹脂砂、水玻璃砂中的一種或多種；所述雜質膜的成分包括有機雜質和無機雜質，所述有機雜質包括酚醛樹脂、冷芯盒樹脂，所述無機雜質包括粘土、水玻璃。

本發明還提供一種根據上述的方法得到的再生鑄造用的廢砂。

本發明的有益效果：

1、本發明方法能有效再生鑄造廢沙，無論是水溶性的雜質膜還是有機型的雜質膜，均能有效從沙子表面剝離。

2、現有的通過機械碰撞或者摩擦的方式去除砂子表面雜質，無法百分之百去除雜質膜，而且劇烈的碰撞或者摩擦，使砂子發生破裂粉碎，降低了再生得率。而本發明通過高溫高壓的蒸汽進行滲透、剝離，可以保證砂子全方位脫膜，而且對砂子沒有任何損傷。

3、以水為介質的濕法機械擦洗，屬于柔性摩擦，減輕了對砂子的損傷，而且水流的沖刷作用，也提高了去除雜質膜的概率，但隨之而來的砂、水、脫除物之間的分離，甚至是污水處理，則又加大了再生的成本。本發明僅需要少量的水來提供水蒸汽，保證脫膜效果的同時，不存在后續的污水處理問題，大大的簡化了再生工序。

4、熱法再生通過火焰將表面雜質膜燃燒去除，對于一些無機不可燃的雜質，則顯得無能為力，再生利用的廣泛性受到了限制。而本發明通過水分子的溶脹滲透作用，對于各類雜質膜均具有良好的去除效果，適應性更為廣泛。

附圖說明

圖1-4為高溫高壓水蒸汽脫雜質膜的原理圖，其中1為密封容器，2為蒸汽閥，3為泄壓閥，4為沙子，5為雜質膜，6為水蒸汽；

圖1表示打開蒸汽閥，使水蒸汽接觸到鑄造廢沙的表面；

圖2表示水蒸汽充分滲透進入沙子和雜質膜的結合層；

圖3表示打開泄壓閥，被水蒸汽浸潤、溶脹、滲透的雜質膜脫離沙子表面；

圖4表示雜質膜被破裂粉碎成細小顆粒后，在水蒸汽的作用下，從沙子表面剝離。

具體實施方式

下面結合附圖1-4對本發明的具體實施方式作進一步說明。

本方法的原理如圖1-4所示，其中1為密封容器，2為蒸汽閥，3為泄壓閥，4為沙子，5為雜質膜，6為水蒸汽；

圖1表示將鑄造廢沙置于密封容器1中，打開蒸汽閥2，使水蒸汽6接觸到鑄造廢沙的表面；

圖2表示水蒸汽6充分滲透進入沙子4和雜質膜5的結合層；

圖3表示打開泄壓閥3，被水蒸汽6浸潤、溶脹、滲透的雜質膜脫離沙子表面；

圖4表示雜質膜5被破裂粉碎成細小顆粒后，在水蒸汽6的作用下，從沙子表面剝離。

實施例1一種鑄造廢砂再生的方法

將水玻璃廢砂裝入密封容器中，所述水玻璃廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.6：1，或者填充系數為0.6；所述水玻璃廢沙中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：400～420×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：100×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；

打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到0.5mpa、溫度達到151℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓5min；5min后打開密封容器上的泄壓閥使密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為5秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。

通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達85％以上。

實施例2一種鑄造廢砂再生的方法

將粘土廢砂裝入密封容器中，所述粘土廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.5：1，或者填充系數為0.5；所述粘土廢砂中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：600～640×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：1000×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；

打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到3.5mpa、溫度達到255℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓10min；10min后打開密封容器上的泄壓閥使密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為5秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。

通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達90％以上。

實施例3一種鑄造廢砂再生的方法

將樹脂廢砂裝入密封容器中，所述樹脂廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.45：1，或者填充系數為0.45；所述樹脂廢砂中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：1000～1100×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：1000×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到1.6mpa、溫度達到204℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓10min；10min后打開密封容器上的泄壓閥密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為2秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達94％以上。

實施例4一種鑄造廢砂再生的方法

將樹脂廢砂裝入密封容器中,，所述樹脂廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.65：1，或者填充系數為0.65；所述樹脂廢砂中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：1000～1100×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：1200×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到2.0mpa、溫度達到214℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓5min；5min后打開密封容器上的泄壓閥使密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為1秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。

通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達95％以上。

實施例5一種鑄造廢砂再生的方法

將潮模砂廢砂裝入密封容器中,所述潮模砂廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.42：1，或者填充系數為0.42；所述潮模砂廢砂中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：800～900×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：800×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到3mpa、溫度達到235℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓20min；20min后打開密封容器上的泄壓閥使密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為3秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。

通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達93％以上。

實施例6一種鑄造廢砂再生的方法

將潮模砂廢砂裝入密封容器中，所述潮模砂廢砂的堆體積與密封容器的體積比為0.7：1，或者填充系數為0.7；所述潮模砂廢砂中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：800～880×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，所述沙子與雜質膜的導熱系數λ的關系為：1000×λ沙子＜λ雜質膜，檢測方法參考jc/t675-1997；打開密封容器上蒸汽閥向密封容器中加入水蒸汽，此時密封容器上的泄壓閥是關閉的，容器內壓力上升；

待密封容器中的壓強達到3mpa、溫度達到235℃時，停止加水蒸汽；

關閉密封容器上蒸汽閥，待壓力恒定后，使密封容器中保持恒溫恒壓20min；20min后打開密封容器上的泄壓閥使密閉容器瞬間泄壓，泄壓時間為10秒，待密封容器中的壓強降為常壓時，收集密封容器中的砂子；將被破裂粉碎成細小顆粒的雜質膜和沙子的混合物進行干燥脫離、風選，利用風力和沙子表面的余溫使沙子表面的雜質膜沸騰脫離，完成整個廢砂再生過程。

通過該再生方法得到的再生砂完整，不會發生破裂粉碎，產率高，廢砂表面雜質去除率可達92％以上。

對比例實施例

對比例1

將實施例5和實施例6中的潮模砂廢砂采用專利號cn103769531b公開的焙燒的方法，最后得到的廢沙表面雜質去除率為40％，遠低于本發明采用的高溫高壓水蒸汽法，且再生砂破裂不完整。

對比例2

將實施例1中的水玻璃廢砂采用專利號cn101869965b公開的化學反應生成方法，最后得到的廢沙表面雜質去除率為50％，遠低于本發明采用的高溫高壓水蒸汽法，水玻璃廢沙中的雜質膜易溶于水，更利于水蒸汽浸潤溶脹、滲透。

對比例3

采用傳統的濕法再生工藝處理實施例1的水玻璃廢沙，濕法再生工藝參考樊自田“酯硬化水玻璃舊沙濕法再生工藝試驗研究，鑄造設備研究，1994.年第2期”)，最后得到的廢沙表面雜質去除率為46％，低于本發明實施例1采用的高溫高壓水蒸汽法。

對比例4

與實施例1相比，將密封容器的加壓升溫環節降低，即使密封容器中的壓強達到0.4mpa、溫度達到140℃時，馬上停止加水蒸汽，其他條件和步驟與實施例1相同，最后得到的廢沙表面雜質去除率為20％，遠低于本發明實施例1采用的高溫高壓水蒸汽法。這說明壓力和溫度不夠，在同樣的恒溫恒壓時間里，廢沙的雜質膜不能完全脫離沙子，最終再生效果不佳。

對比例5

與實施例1相比，將密封容器的加壓升溫環節升高，即使密封容器中的壓強達到6.5mpa、溫度達到290℃時，停止加水蒸汽，其他條件和步驟與實施例1相同，最后得到的廢沙表面雜質去除率為84％，與本發明實施例1采用的高溫高壓水蒸汽法的去除率效果當，但是升高水蒸汽的溫度和密封容器的壓力，在不能提高效率的情況下會造成資源能源的浪費，還會存在安全隱患，過高的壓強和溫度會影響設備壽命，增加設備損壞幾率。

對比例6

選擇一種水泥廢沙，水泥廢沙外面包裹水泥，檢測發現所述水泥廢沙中的沙子與雜質膜的熱膨脹系數α的關系為：2-5×α沙子＝α雜質膜，檢測方法參考gb/t16920-2015，這種廢沙在本發明實施例1的方法下再生，發現最后得到的廢沙表面雜質去除率為68％，低于本發明實施例1的效果，這說明采用本發明方法要達到很好的效果，需要對廢沙的選擇具有一定的要求。將本對比例6中的水泥廢沙采用傳統的機械碰撞和摩擦法或者司法機械擦洗，其再生效率均低于30％，效果不如采用本發明的高溫高壓水蒸汽法。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。