裝備制造業(yè)是 我國(guó)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(wú)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(wèn)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(wú)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(chē)、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(guó)是 世界鑄件生產(chǎn)第一大國(guó)，2010年我國(guó)鑄件產(chǎn)量達(dá)到3960多萬(wàn)噸。據(jù)估計(jì)，我國(guó)的鑄件生產(chǎn)約有60%采用粘土砂工藝，也就是 說(shuō)我國(guó)每年采用粘土砂工藝生產(chǎn)的鑄件達(dá)到了2000多萬(wàn)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(guò)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(wú)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(guò)定期或不定期排放部分舊砂，同時(shí)加入新砂的方式來(lái)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(guò)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(guó)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(guó)家每生產(chǎn)1t合格鑄件的三廢排放量不到我國(guó)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(shù)脂等有機(jī)物，對(duì)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?gòu)U砂排放量，節(jié)約有限的硅砂資源，降低對(duì)自然環(huán)境的危害，對(duì)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(chǎng)所存放，長(zhǎng)時(shí)間的堆積囤放不僅易造成揚(yáng)塵對(duì)空氣造成污染，而且粘土砂中由芯砂帶入的有機(jī)和無(wú)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(duì)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(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基本國(guó)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(guò)程中產(chǎn)生的粘土舊砂再生循環(huán)利用率，通過(guò)化學(xué)改性或機(jī)械改性對(duì)完全再生砂進(jìn)行改性處理，使其制備樹(shù)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(guò)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(yíng)。
(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(gòu)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(gòu)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(guó)各類鑄件總產(chǎn)量分別為4620和4560萬(wàn)噸，每年都產(chǎn)生3000萬(wàn)噸以上的鑄造廢砂。如果不對(duì)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(gòu)置新砂，大大增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，我國(guó)是 高品質(zhì)天然硅砂欠缺且分布不均的國(guó)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(duì)鑄造舊砂進(jìn)行再生回用，而僅靠購(gòu)置天然硅砂，高昂的長(zhǎng)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(guò)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(gòu)置新砂和排放廢砂的綜合費(fèi)用，因此，開(kāi)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(guò)程中都要經(jīng)受高溫金屬液的熱作用，此外在回收、再生過(guò)程中經(jīng)過(guò)機(jī)械作用、除塵等環(huán)節(jié)，使得再生砂具有新砂無(wú)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(guó)優(yōu)質(zhì)石英砂儲(chǔ)量有限，過(guò)度開(kāi)發(fā)和使用石英砂資源使可用石英砂資源越來(lái)越少，是 不符合可持續(xù)發(fā)展原則的行為；同時(shí)過(guò)度開(kāi)發(fā)和使用天然石英砂是 對(duì)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(shù)脂芯砂粘土砂的完全再生砂每經(jīng)過(guò)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(guò)程和粘土完全再生在經(jīng)歷機(jī)械再生、風(fēng)選等工藝過(guò)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(shù)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(guò)粘土舊砂完全再生技術(shù)和含樹(shù)脂砂芯砂粘土砂的完全再生砂改性技術(shù)對(duì)含樹(shù)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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