裝備制造業(yè)是 我國的支柱產(chǎn)業(yè)，而鑄造又是 裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。鑄造生產(chǎn)中使用的鑄型主要有砂型、陶瓷型、金屬型、石膏型等，其中采用砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件占到鑄件總產(chǎn)量的80%以上。砂型鑄造按所使用的粘接劑不同可分為粘土型砂、化學(xué)粘接劑型(芯)砂等。粘土砂生產(chǎn)工藝由于具有原材料價(jià)廉易得，易于處理，復(fù)用性強(qiáng)，適應(yīng)造型方式的能力強(qiáng)，儲(chǔ)存運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，成為 造型機(jī)砂型鑄造方法中最常用的鑄造生產(chǎn)工藝。
粘土型砂主要分為干型砂和濕型砂兩類，最常用的是 粘土濕型砂，用其生產(chǎn)的鑄件大約占到用砂型生產(chǎn)鑄件總量的70%~80%。粘土濕型砂具有許多其它粘結(jié)劑砂無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：良好的經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)異的強(qiáng)度性能、適用不同的造型方式、適應(yīng)各種原砂、適應(yīng)生產(chǎn)各種鑄造合金、利于環(huán)保。同時(shí)也有砂型強(qiáng)度不高、鑄件尺寸精度較差等問題。粘土濕型砂既 全自動(dòng)造型線造型也可手工造型，砂型無需烘干便可直接澆注金屬液，一般可用于生產(chǎn)中小型鑄鐵件和鑄造有色合金鑄件，也可以應(yīng)用于大批量機(jī)械化造型生產(chǎn)汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)、輕紡機(jī)械等鑄件。
粘土舊砂再生研究的意義
用粘土砂鑄造工藝生產(chǎn)鑄件已有悠久的歷史，可以追溯到幾千年以前，在世界各地都得到了廣泛的應(yīng)用。我國是 世界鑄件生產(chǎn)第一大國，2010年我國鑄件產(chǎn)量達(dá)到3960多萬噸。據(jù)估計(jì)，我國的鑄件生產(chǎn)約有60%采用粘土砂工藝，也就是 說我國每年采用粘土砂工藝生產(chǎn)的鑄件達(dá)到了2000多萬噸。
在鑄造生產(chǎn)中，型砂中靠近型腔表面的部分粘土由于澆注時(shí)高溫金屬液的熱作用，受到高溫烘烤失去結(jié)晶水從而喪失粘結(jié)能力，成為死粘土。這些粘土一部分以粉狀物混于型砂之中，另一部分以類似陶瓷薄膜狀的形式牢固地包裹在砂粒表面，嚴(yán)重地影響到型砂的性能，使其透氣性、可塑性降低，脆性增加；其次在鑄造生產(chǎn)過程中，由于受到高溫金屬的重復(fù)熱作用，少部分砂子被破碎，其破碎后的小砂粒也混于舊砂之中，成為舊砂中粉塵的一部分，從而影響到型砂的性能；另外，在現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)中大量應(yīng)用有機(jī)及無機(jī)粘結(jié)劑芯砂，這些芯砂及化學(xué)粘結(jié)劑的分解產(chǎn)物也部分混入型砂中；煤粉及其代用品高溫分解產(chǎn)物的混入，進(jìn)一步降低粘土型砂的活性，使型砂的性能惡化。各生產(chǎn)企業(yè)為了生產(chǎn)出合格的鑄件，通過定期或不定期排放部分舊砂，同時(shí)加入新砂的方式來穩(wěn)定型砂的性能。
性能惡化的粘土舊砂如果不經(jīng)再生而直接用于鑄造生產(chǎn)，將使型砂的發(fā)氣量增加，鑄件容易產(chǎn)生氣孔或嗆火等鑄造缺陷；殘存在舊砂表面的不完整粘土膜在進(jìn)行再次混砂時(shí)會(huì)在砂粒和新形成的粘結(jié)劑膜之間形成中介層，嚴(yán)重削弱砂型的強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有30%~40%的鑄件廢品都直接或間接的與型砂質(zhì)量有關(guān)。因此，性能惡化的粘土舊砂必須經(jīng)過再生處理才能滿足鑄造工藝的要求，繼續(xù)投入到鑄造生產(chǎn)中。
粘土舊砂再生的意義主要有以下幾點(diǎn)：
(1)自然環(huán)境及資源保護(hù)方面
采用粘土砂鑄造工藝時(shí)， 鑄造造型機(jī)型砂的需用量很大，一般砂鐵比為5~10：1。我國每生產(chǎn)1t合格鑄件，大約要排放廢氣1000~2000m³、廢渣300kg、粉塵50kg、廢砂1.3~1.5t，而發(fā)達(dá)國家每生產(chǎn)1t合格鑄件的三廢排放量不到我國的十分之一。大量粘土舊砂的任意排放，舊砂中的粘土、煤粉等粉塵，水玻璃等堿性物，樹脂等有機(jī)物，對大氣、土地、地下水均會(huì)造成一定的污染，危害人類的生產(chǎn)和生活。舊砂再生可以減少廢砂排放量，節(jié)約有限的硅砂資源，降低對自然環(huán)境的危害，對于實(shí)現(xiàn)綠色鑄造具有重要意義。
鑄造企業(yè)產(chǎn)生的粘土廢砂需要大面積場所存放，長時(shí)間的堆積囤放不僅易造成揚(yáng)塵對空氣造成污染，而且粘土砂中由芯砂帶入的有機(jī)和無機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑等有害物質(zhì)，經(jīng)雨水浸泡沖刷隨雨水一起滲入地下或流入江河湖泊，對水源造成了污染。隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，留住青山綠水成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基本國策，因此，逐漸提高鑄造企業(yè)生產(chǎn)和排污的環(huán)保要求，“綠色鑄造”不僅會(huì)成為鑄造企業(yè)更為成為整個(gè)機(jī)械行業(yè)可持續(xù)發(fā)展必然要求。鑄造粘土廢砂作為鑄造企業(yè)固體廢棄物的重要組成部分，在新出臺(tái)的鑄造行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)里也作了明確規(guī)定。因此，提高鑄造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粘土舊砂再生循環(huán)利用率，通過化學(xué)改性或機(jī)械改性對完全再生砂進(jìn)行改性處理，使其制備樹脂砂的鑄造工藝性能提高，促進(jìn)粘土舊砂再生技術(shù)在鑄造企業(yè)的應(yīng)用和推廣，使鑄造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢砂最大化利用，這不僅有利于節(jié)約硅砂資源和保護(hù)自然環(huán)境，也有利于實(shí)現(xiàn)鑄造企業(yè)的“綠色鑄造”生產(chǎn)經(jīng)營。
(2)經(jīng)濟(jì)效益方面
原砂的費(fèi)用直接影響鑄件的生產(chǎn)成本。舊砂的再生費(fèi)用低于新砂的購置費(fèi)用，舊砂回用后減少了舊砂的排放，可以節(jié)省新砂的購置費(fèi)用和廢砂的處理費(fèi)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
2014年和2015年，我國各類鑄件總產(chǎn)量分別為4620和4560萬噸，每年都產(chǎn)生3000萬噸以上的鑄造廢砂。如果不對這些鑄造廢砂進(jìn)行再生回用，鑄造企業(yè)不僅要承擔(dān)排放鑄造廢砂的額外費(fèi)用，而且要花費(fèi)大量資本購置新砂，大大增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，我國是 高品質(zhì)天然硅砂欠缺且分布不均的國家，高SiO2含量的鑄造用天然優(yōu)質(zhì)硅砂主要產(chǎn)于福建等東南沿海地區(qū)，而一般SiO2含量的鑄造用天然優(yōu)質(zhì)硅砂主要產(chǎn)于河北、遼寧、內(nèi)蒙、河南等地區(qū)，如果不對鑄造舊砂進(jìn)行再生回用，而僅靠購置天然硅砂，高昂的長途運(yùn)輸費(fèi)用同樣增加了鑄造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。相反，通過粘土舊砂的完全再生和改性使砂子重新回到砂循環(huán)系統(tǒng)，每噸砂的再生及改性處理的成本大約在100~120元，遠(yuǎn)低于購置新砂和排放廢砂的綜合費(fèi)用，因此，開展粘土完全再生砂改性及相關(guān)設(shè)備的研究，有利于促進(jìn)鑄造企業(yè)粘土舊砂完全再生技術(shù)的推廣和應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
(3)技術(shù)方面
舊砂在反復(fù)使用過程中都要經(jīng)受高溫金屬液的熱作用，此外在回收、再生過程中經(jīng)過機(jī)械作用、除塵等環(huán)節(jié)，使得再生砂具有新砂無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：顆粒圓整，急熱膨脹性小，化學(xué)及熱穩(wěn)定性好，粒度分布更趨均勻，且粉塵含量減少，有利于減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，降低廢品率。
鑄造用石英砂是 不可再生資源，我國優(yōu)質(zhì)石英砂儲(chǔ)量有限，過度開發(fā)和使用石英砂資源使可用石英砂資源越來越少，是 不符合可持續(xù)發(fā)展原則的行為；同時(shí)過度開發(fā)和使用天然石英砂是 對資源的浪費(fèi)，更不符合現(xiàn)行鑄造行業(yè)“綠色鑄造”的理念。與同種新砂相比，含樹脂芯砂粘土砂的完全再生砂每經(jīng)過一個(gè)鑄造循環(huán)和再生循環(huán)，砂子都要經(jīng)受一次澆注時(shí)金屬液的熱作用和高溫脆化時(shí)的熱作用，使得再生后的砂子物化特性熱穩(wěn)定性好、急熱膨脹性小，同時(shí)粘土舊砂在經(jīng)歷落砂、破碎、篩分等工藝過程和粘土完全再生在經(jīng)歷機(jī)械再生、風(fēng)選等工藝過程時(shí)，砂粒與砂粒之間，砂粒與設(shè)備之間產(chǎn)生激烈的機(jī)械沖擊、彼此之間產(chǎn)生搓擦作用，使砂粒尖角逐漸變鈍，角形系數(shù)逐漸趨向于1，砂粒的粒形更趨于圓整。與同種原砂相比，含樹脂芯砂粘土砂的完全再生砂在砂粒的物化性能方面擁有更多的優(yōu)點(diǎn)。因此，通過粘土舊砂完全再生技術(shù)和含樹脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂改性技術(shù)對含樹脂芯砂的粘土舊砂進(jìn)行一系列的處理，使粘土舊砂重新回到砂循環(huán)系統(tǒng)是 保護(hù)天然硅砂資源的重要手段和有效途徑。
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