一种铸造废砂再生方法与流程

本发明涉及一种废砂的再生利用方法，尤其是一种铸造废砂的再生方法。

背景技术：

在铸造企业中会产生大量的废砂，产出1吨合格铸件，就要产生约1.5吨废砂，而废砂的再利用率只有20～30％，其大部分就会被丢弃，一方面会造成环境污染，另一方面也会造成资源的极大浪费。目前，铸造行业中大约90％的铸件是采用砂型铸造的工艺生产的。制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂，常用的型砂粘结剂可以分为有机型(例如：酚醛树脂、冷芯盒树脂等)和无机型(例如：粘土、水玻璃等)，而常用的铸造砂是硅砂(20-140目颗粒)，一般生产1吨铸件会产生1～1.5吨的铸造废砂，大量的硅砂来源于自然界，铸造业的规模发展必然导致天然硅砂资源的大量开采和大量含有害物质废砂的丢弃。为了铸造行业的可持续发展，很有必要对铸造废砂进行再生循环利用，以保护我们的地球资源和环境。砂子实现再生，必须克服两个技术问题：1、完全去除砂子表面杂质；2、同时不得损伤砂子。

目前公开的铸造废砂的再生方法主要有干法机械再生、热法再生、湿法机械再生几种：

干法机械再生主要采用离心和碾磨两种方法使物料进行撞击摩擦而去除废砂表面杂质膜，以达到再生的目的；

热法再生是在700-800℃条件下对废砂进行焙烧，将硅砂表面的杂质烧尽除去，以达到脱膜再生的目的；

湿法机械再生通过以水为介质，对废砂进行浸润、擦洗，从而去除废砂表面杂质膜，以达到脱膜再生的目的；

热法再生方式对于酚醛树脂、冷芯盒树脂等具有可燃性的有机杂质膜具有良好的去除效果，但对于粘土、水玻璃等无机杂质膜的去除效果不佳；而且焙烧后的尾气需要进行净化处理。

中国专利cn101869965b公开了一种铸造废砂再生的方法，包括以下步骤：a、将废砂破碎至5mm以下的粒度；b、在废砂中，按废砂中钠：氯化钙或氯化亚铁＝2:0.8～1.5的摩尔比，将氯化钙或氯化亚铁溶于水中；c、将b步骤中的水溶液加入废砂中，并调整废砂含水量在4～10％质量比；d、搅拌均匀c步骤中的混合物，得再生砂。

另一篇专利cn103769531b公开了一种铸造潮模砂再生方法，步骤如下：(1)将棕刚玉磨料掺入已经破碎筛分后的潮模砂废砂中；(2)将步骤(1)中混合好的潮模废砂和棕刚玉磨料一起放入焙烧炉沸腾焙烧，其中焙烧温度为650～700℃，焙烧时间为6～8h。(3)将步骤(2)中焙烧后的潮模废砂和棕刚玉磨料冷却；(4)将步骤(3)中冷却后的潮模砂废砂和棕刚玉磨料筛分，分离出棕刚玉磨料；其中步骤(1)中棕刚玉磨料的质量是潮模废砂质量的5～10％。

虽然，现如今废砂再生方法种类很多，但是这些方法中存在很多问题，干法机械再生对于杂质膜脱除率不超过80％，再生过程对砂子的磨损较大，会产生大量的细粉，再生砂粒径不断变小，一方面大幅度降低再生砂的回收率(不超过80％)，得到的再生砂表面会产生裂纹、再生砂酸耗值高，无法满足铸造砂技术质量的要求，另一方面产生大量细粉，二次处理及利用的技术压力较大；

热法再生方式对于酚醛树脂、冷芯盒树脂等具有可燃性的有机杂质膜具有良好的去除效果，但对于粘土、水玻璃等无机杂质膜的去除效果不佳；而且焙烧后的尾气需要进行净化处理；

湿法机械再生方式对于粘土、水玻璃等具有水溶性的无机杂质膜具有良好的去除效果，但对于酚醛树脂、冷芯盒树脂等有机杂质膜的去除效果不佳；而且后续砂、水、杂质需进行进一步分离，甚至生产过程产生的污水还需进行水处理。

而专利文献cn101869965b和cn103769531b公开的废砂再生方法，都要在废砂中加入一些物质(如钠：氯化钙或氯化亚铁以及棕刚玉磨料)，操作过程复杂而，所需时间长。

技术实现要素：

本发明目的在一种铸造废砂再生的方法，即分子脱膜法，去除砂子表面杂质，还原砂子原状，同时不损伤砂子，使其获得再生，达到重复循环使用。

具体技术方案如下：一种铸造废砂再生的方法，包括以下步骤：

(1)将铸造废砂装入密封容器中；

(2)打开密封容器上的蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压强上升；

(3)待密封容器中的压强达到0.5-5mpa以及温度达到150-260℃时，停止加水蒸汽；

(4)关闭密封容器上的蒸汽阀，待压强恒定后，使密封容器中保持恒温恒压5-20min；

(5)打开密封容器上的泄压阀，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；

(6)对步骤(5)中的砂子进行干燥脱离、风选完成整个废砂再生过程。

所述铸造废沙的堆体积与密封容器的体积比为(0.2-0.7)：1；

所述铸造废沙由沙子和包裹在沙子表面的杂质膜组成，其中所述沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：100×α沙子＜α杂质膜；

所述步骤(6)是将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离。

所述铸造废沙的堆体积与密封容器的体积比也可称为铸造废沙填充到密封容器的填充系数，即填充系数为0.2-0.7。

如果铸造废沙的堆体积占比超过密封容器的0.7倍(即填充系数)以上，在本发明压强0.5-5mpa和温度150-260℃下的水蒸汽对于破裂粉碎杂质膜的效果较差，废沙过多，水蒸汽进入杂质膜和沙子之间作用的效率降低，作用有限；如果填充系数太低，则会造成水蒸汽资源和能量资源的浪费。

本发明所用方法的原理是：密封容器中的水蒸汽跟废砂结合，附着在废砂上的杂质膜被水蒸汽浸润、溶胀、渗透；由于砂子主要成分是二氧化硅，是不良导热体，热膨胀低，水蒸汽得以渗透进入杂质膜与砂子结合层；待水蒸汽充分渗透进入杂质膜与砂子的结合层后，使容器内瞬间泄压，产生汽爆效应；杂质膜被破裂粉碎成微小颗粒；然后对废砂进行干燥脱离、风选完成整个废砂再生过程。

所以采用本发明方法中的铸造废沙不需满足上述条件，即为所述沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：10×α沙子＜α杂质膜；杂质膜的热膨胀系数要大于沙子热膨胀系数的10倍以上，优选的是大于100倍以上，这种条件的铸造废沙才能被本发明设定的压强0.5-5mpa和温度150-260℃下的水蒸汽破裂溶胀，破裂粉碎的效果最佳。

优选的，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：100×λ沙子＜λ杂质膜。

优选的，500×λ沙子＜λ杂质膜。

沙子与杂质膜的导热系数限定进一步进行优选，如果杂质膜的导热系数远大于沙子，即杂质膜的吸热效果非常好，更利于杂质膜的吸热膨胀。

优选的，所述加压方法为向容器中注入水蒸汽，加压到1-3mpa，恒压温度范围为180-240℃。

优选的，所述加压方法为向容器中注入水蒸汽，加压到1.6-2mpa，恒压温度范围为200-220℃。

优选的，所述废沙的堆体积与容器的体积比为0.4：1。

优选的，所述沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：1000×α沙子＜α杂质膜。

优选的，所述瞬间泄压时间为1-5秒。

优选的，所述废砂类型为潮模砂、树脂砂、水玻璃砂中的一种或多种；所述杂质膜的成分包括有机杂质和无机杂质，所述有机杂质包括酚醛树脂、冷芯盒树脂，所述无机杂质包括粘土、水玻璃。

本发明还提供一种根据上述的方法得到的再生铸造用的废砂。

本发明的有益效果：

1、本发明方法能有效再生铸造废沙，无论是水溶性的杂质膜还是有机型的杂质膜，均能有效从沙子表面剥离。

2、现有的通过机械碰撞或者摩擦的方式去除砂子表面杂质，无法百分之百去除杂质膜，而且剧烈的碰撞或者摩擦，使砂子发生破裂粉碎，降低了再生得率。而本发明通过高温高压的蒸汽进行渗透、剥离，可以保证砂子全方位脱膜，而且对砂子没有任何损伤。

3、以水为介质的湿法机械擦洗，属于柔性摩擦，减轻了对砂子的损伤，而且水流的冲刷作用，也提高了去除杂质膜的概率，但随之而来的砂、水、脱除物之间的分离，甚至是污水处理，则又加大了再生的成本。本发明仅需要少量的水来提供水蒸汽，保证脱膜效果的同时，不存在后续的污水处理问题，大大的简化了再生工序。

4、热法再生通过火焰将表面杂质膜燃烧去除，对于一些无机不可燃的杂质，则显得无能为力，再生利用的广泛性受到了限制。而本发明通过水分子的溶胀渗透作用，对于各类杂质膜均具有良好的去除效果，适应性更为广泛。

附图说明

图1-4为高温高压水蒸汽脱杂质膜的原理图，其中1为密封容器，2为蒸汽阀，3为泄压阀，4为沙子，5为杂质膜，6为水蒸汽；

图1表示打开蒸汽阀，使水蒸汽接触到铸造废沙的表面；

图2表示水蒸汽充分渗透进入沙子和杂质膜的结合层；

图3表示打开泄压阀，被水蒸汽浸润、溶胀、渗透的杂质膜脱离沙子表面；

图4表示杂质膜被破裂粉碎成细小颗粒后，在水蒸汽的作用下，从沙子表面剥离。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本方法的原理如图1-4所示，其中1为密封容器，2为蒸汽阀，3为泄压阀，4为沙子，5为杂质膜，6为水蒸汽；

图1表示将铸造废沙置于密封容器1中，打开蒸汽阀2，使水蒸汽6接触到铸造废沙的表面；

图2表示水蒸汽6充分渗透进入沙子4和杂质膜5的结合层；

图3表示打开泄压阀3，被水蒸汽6浸润、溶胀、渗透的杂质膜脱离沙子表面；

图4表示杂质膜5被破裂粉碎成细小颗粒后，在水蒸汽6的作用下，从沙子表面剥离。

实施例1一种铸造废砂再生的方法

将水玻璃废砂装入密封容器中，所述水玻璃废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.6：1，或者填充系数为0.6；所述水玻璃废沙中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：400～420×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：100×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；

打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到0.5mpa、温度达到151℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压5min；5min后打开密封容器上的泄压阀使密闭容器瞬间泄压，泄压时间为5秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。

通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达85％以上。

实施例2一种铸造废砂再生的方法

将粘土废砂装入密封容器中，所述粘土废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.5：1，或者填充系数为0.5；所述粘土废砂中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：600～640×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：1000×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；

打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到3.5mpa、温度达到255℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压10min；10min后打开密封容器上的泄压阀使密闭容器瞬间泄压，泄压时间为5秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。

通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达90％以上。

实施例3一种铸造废砂再生的方法

将树脂废砂装入密封容器中，所述树脂废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.45：1，或者填充系数为0.45；所述树脂废砂中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：1000～1100×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：1000×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到1.6mpa、温度达到204℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压10min；10min后打开密封容器上的泄压阀密闭容器瞬间泄压，泄压时间为2秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达94％以上。

实施例4一种铸造废砂再生的方法

将树脂废砂装入密封容器中,，所述树脂废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.65：1，或者填充系数为0.65；所述树脂废砂中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：1000～1100×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：1200×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到2.0mpa、温度达到214℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压5min；5min后打开密封容器上的泄压阀使密闭容器瞬间泄压，泄压时间为1秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。

通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达95％以上。

实施例5一种铸造废砂再生的方法

将潮模砂废砂装入密封容器中,所述潮模砂废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.42：1，或者填充系数为0.42；所述潮模砂废砂中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：800～900×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：800×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到3mpa、温度达到235℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压20min；20min后打开密封容器上的泄压阀使密闭容器瞬间泄压，泄压时间为3秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。

通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达93％以上。

实施例6一种铸造废砂再生的方法

将潮模砂废砂装入密封容器中，所述潮模砂废砂的堆体积与密封容器的体积比为0.7：1，或者填充系数为0.7；所述潮模砂废砂中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：800～880×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，所述沙子与杂质膜的导热系数λ的关系为：1000×λ沙子＜λ杂质膜，检测方法参考jc/t675-1997；打开密封容器上蒸汽阀向密封容器中加入水蒸汽，此时密封容器上的泄压阀是关闭的，容器内压力上升；

待密封容器中的压强达到3mpa、温度达到235℃时，停止加水蒸汽；

关闭密封容器上蒸汽阀，待压力恒定后，使密封容器中保持恒温恒压20min；20min后打开密封容器上的泄压阀使密闭容器瞬间泄压，泄压时间为10秒，待密封容器中的压强降为常压时，收集密封容器中的砂子；将被破裂粉碎成细小颗粒的杂质膜和沙子的混合物进行干燥脱离、风选，利用风力和沙子表面的余温使沙子表面的杂质膜沸腾脱离，完成整个废砂再生过程。

通过该再生方法得到的再生砂完整，不会发生破裂粉碎，产率高，废砂表面杂质去除率可达92％以上。

对比例实施例

对比例1

将实施例5和实施例6中的潮模砂废砂采用专利号cn103769531b公开的焙烧的方法，最后得到的废沙表面杂质去除率为40％，远低于本发明采用的高温高压水蒸汽法，且再生砂破裂不完整。

对比例2

将实施例1中的水玻璃废砂采用专利号cn101869965b公开的化学反应生成方法，最后得到的废沙表面杂质去除率为50％，远低于本发明采用的高温高压水蒸汽法，水玻璃废沙中的杂质膜易溶于水，更利于水蒸汽浸润溶胀、渗透。

对比例3

采用传统的湿法再生工艺处理实施例1的水玻璃废沙，湿法再生工艺参考樊自田“酯硬化水玻璃旧沙湿法再生工艺试验研究，铸造设备研究，1994.年第2期”)，最后得到的废沙表面杂质去除率为46％，低于本发明实施例1采用的高温高压水蒸汽法。

对比例4

与实施例1相比，将密封容器的加压升温环节降低，即使密封容器中的压强达到0.4mpa、温度达到140℃时，马上停止加水蒸汽，其他条件和步骤与实施例1相同，最后得到的废沙表面杂质去除率为20％，远低于本发明实施例1采用的高温高压水蒸汽法。这说明压力和温度不够，在同样的恒温恒压时间里，废沙的杂质膜不能完全脱离沙子，最终再生效果不佳。

对比例5

与实施例1相比，将密封容器的加压升温环节升高，即使密封容器中的压强达到6.5mpa、温度达到290℃时，停止加水蒸汽，其他条件和步骤与实施例1相同，最后得到的废沙表面杂质去除率为84％，与本发明实施例1采用的高温高压水蒸汽法的去除率效果当，但是升高水蒸汽的温度和密封容器的压力，在不能提高效率的情况下会造成资源能源的浪费，还会存在安全隐患，过高的压强和温度会影响设备寿命，增加设备损坏几率。

对比例6

选择一种水泥废沙，水泥废沙外面包裹水泥，检测发现所述水泥废沙中的沙子与杂质膜的热膨胀系数α的关系为：2-5×α沙子＝α杂质膜，检测方法参考gb/t16920-2015，这种废沙在本发明实施例1的方法下再生，发现最后得到的废沙表面杂质去除率为68％，低于本发明实施例1的效果，这说明采用本发明方法要达到很好的效果，需要对废沙的选择具有一定的要求。将本对比例6中的水泥废沙采用传统的机械碰撞和摩擦法或者司法机械擦洗，其再生效率均低于30％，效果不如采用本发明的高温高压水蒸汽法。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。