戴伟平

（广西兰科资源再生利用有限公司，537000）

摘 要 本文针对铸造混合型废砂的特点，采用湿法工艺再生，成功实现了玉柴混合型废砂再生循环利用的产业化生产，玉柴铸造厂已使用近10万吨再生砂用于三乙胺法冷芯盒制芯生产柴油机缸体缸盖铸件，铸件在脉纹、烧结、粘砂等方面的缺陷远少于其新砂。为探究其原因，我们采用了体式显微镜SM、红外光谱IR、X射线扫描能谱仪XPS、电子扫描电镜SEM、多功能高温性能测定仪等对再生砂进行较为系统的分析，分析结果显示，再生砂与新砂的红外谱图比较一致，再生砂的表面特性和高温性能优于新砂。

关键词 混合型废砂 湿法再生 再生砂 表面特性

wet reclaiming of mixed waste foundry sand and performance analysis of reclaimed sand

（Guangxi Lanco Recycling Resources CO.,LTD，537000）

Dai Weiping

Abstract:As the mixed characteristics of waste foundry sand,this paper successfully applies wet process to the recycling of Yuchai mixed waste sand,which has formed industrial production. Yuchai foundry has used nearly 100,000 tons of recycled sand for producing diesel engine cylinder block and head castings with cold box core making process,and castings in veining , sintering, sand burning and other aspects of the defect is far less than new sand.In order to explore the reason,we have adopted astereo microscope SM, infrared spectroscopy IR, X-ray scanning spectrometer XPS, scanning electron microscopy SEM, and multi-temperature performance analyzer for a more systematic analysis of recycled sand and the results show that the reclaimed sand is similar with new sand in the IR spectra but superior in surface characteristic and high temperature performance.

Keyword:mixed waste sand;wet reclaiming;reclaimed sand;surface characteristic

1 前言

我国每年铸件产量约为4000多万吨，已成为全球第一产量大国，但也伴随着大量对环境有较大负面影响的铸造废砂排放，铸造废砂的再生循环利用已刻不容缓。我国大量排放的铸造废砂中以混合型废砂为主，占总量的70%以上，主要构成为湿型砂和芯砂的混合物，主要成分为二氧化硅、煤粉、膨润土、少量涂料骨料及树脂残炭等。

近年，我国的混合型废砂的再生取得一些进展，最具代表性的工艺是热法焙烧结合机械再生的方法，但由于在机械再生过程中存在砂子粉化严重、粒径不断变小、酸耗值不断累积升高等不足，造成了砂子循环寿命短、再生砂收率不高、砂芯强度下降、大量细粉二次应用开发难度大等不利好因素，以致这种工艺方法的推广使用受到较大阻碍。

本文研究的混合型废砂的湿法再生工艺能较好避免以上存在问题，并成功实现了玉柴铸造厂混合型废砂再生循环利用的产业化生产，到目前为止，玉柴铸造厂已使用近10万吨再生砂用于三乙胺法冷芯盒制芯生产柴油机缸体缸盖铸件，铸件的脉纹、烧结、粘砂等缺陷远低于新砂，效果良好。

2 混合型废砂的湿法再生与再生砂性能分析

2.1混合型废砂的湿法再生

图1 混合型废砂再生循环利用工艺流程图

（注：强度检测采用玉柴化工YC201、YC202冷芯盒树脂，加入量为1.5%）

2.2技术特点

本工艺对废砂中的杂质去除效果好，再生砂品质高，各项技术指标稳定，再生砂收率高于95%；采用了水处理系统，擦洗用水经处理后符合工业用水要求可直接循环回用；产生的污泥含有效煤粉及膨润土的比例较大，经压滤、烘干和粉碎可生产复合粉用于造型，实现了废砂综合利用率达到了100%；由于采用了湿法作业，产生的扬尘小，前处理及干化过程的少量扬尘采用脉冲除尘器集中回收，可有效避免粉尘污染及尘肺等职业病产生；整个工艺工序简洁，自动化程度高，可任意设计和建设不同小时处理量的生产线，而且均具有很高的生产效率。

2.3 再生砂性能分析

常规性能：包括粒度、灼烧减量、含泥量、含水量、酸耗值、角形系数、烧结点、树脂砂强度等

主要分析仪器：粒度分析仪、马弗炉、电子分析天平、洗砂机、烘箱、PH酸度计、比表面积测定仪、烧结点测定仪、碗型混砂机、冷芯盒制样机、杠杆式强度试验机等；

表面特性：IR 、SM、XPS、SEM等分析

主要分析仪器：IR(红外吸收光谱仪,Thermo scientific,NICOLET IS10)；SM(体视显微镜,Scienscope,MZ7)；XPS （X射线扫描能谱仪, KRATOS, AXIS Ultra DLD）；SEM（电子扫描电镜,Hitachi,S-450）

高温性能：高温膨胀率、耐热时间

主要分析仪器：多功能高温性能检测仪（JT-GW-1）；

使用效果：铸件解剖分析脉纹、烧结、粘砂等情况。

3 分析结果与讨论

3.1常规性能数据统计分析

表1常规性能数据统计分析表

表1是对约7万吨玉柴混合型废砂再生生产及1.2万吨大林砂进货常规检测数据的结果进行统计分析。湿法再生是在水乳状下对旧砂进行柔性擦洗，所以虽然经过多次循环再生，再生砂的粒径与新砂一致，非常稳定，再生砂对砂含量的收率平均也高达95%；采用多缸串联连续擦洗，擦洗停留时间达45-50分钟，杂质去除干净，砂子棱角得到打磨整形，因此其含泥量、角形系数、强度等性能指标好于新砂，灼烧减量也与大林新砂一致；在湿法再生的后端对砂子进行了表面改性和精处理，酸耗值、树脂砂可使用时间、砂子表面特性等性能指标也优于新砂，完全符合《2012年玉柴铸造材料冷芯盒用擦洗砂使用技术条件》，玉柴铸造厂已使用了近10万吨再生砂生产柴油机缸体缸盖铸件的冷芯盒树脂砂芯，结果表明再生砂的综合使用性能优于其新砂。

3.2再生砂与大林新砂的红外比对分析

图2结果显示，再生砂与大林新砂具有比较相似的红外吸收曲线谱图，说明再生砂基本成分与大林新砂一致，湿法再生过程对杂质的去除效果比较优秀；再生砂的曲线在约817(cm-1)附近产生一吸收峰，对照标准图库和参考相关文献(2)后，发现其与碳化硅吸收峰相似。

3.3 体视显微镜观察表面微观形貌

表2 体视显微镜微观形貌观察结果

观察结果显示，再生砂表面已无明显煤粉和膨润土等杂质，部分砂子白色，呈较透明状，外观与大林新砂一致；部分砂子表面有较薄的灰色带光泽物质，呈半透明状，搓擦时发现其强度很高，难于剥落，如该物质是粘土膜等杂质，那么按常识用它制作“8”字块的树脂砂强度、再生砂的烧结点肯定要远低于新砂，如不是粘土膜，那就只有一种可能，即砂子表面在铸造浇注过程可能产生了一种新的物质，根据再生砂红外谱图在817(cm-1)附近出现的与碳化硅相似的吸收峰，结合相关参考文献(2)，本文对这种物质做出如下推断：

根据参考文献(2)研究的结果，在醇类或酯类、醚类等与二氧化硅同时存在的条件下，以镁、铝等为催化剂，在一定压力下，即使在较低温度下也可生成碳化硅。

冷芯盒树脂两个组分当中含有大量的醇类、酯类、醚类等有机溶剂，它们在吹胺时并不参与固化或部分不参与固化，而且它们的沸点极高，大部分在200℃以上，砂芯烘涂温度一般在180℃以下，这使得它们得以保全相当大的比例进入了装箱浇注环节，外型砂当中的膨润土含有一定数量的镁、铝、铁，砂子又提供了二氧化硅的平台，当铁水浇注时，由于瞬间过热和缺氧砂芯产生醇类、酯类、醚类等有机蒸汽，这些有机物蒸汽在型砂中不断扩撒，渗透到外型砂子表面当中。在浇注过程产生的一定温度和压力的条件下，这些有机物很可能与二氧化硅发生反应生成了碳化硅，高纯碳化硅为白色透明，但由于铁等杂质的存在，所以在体视显微镜的观察下表现为浅灰色半透明，常规目视观察为灰色。

3.4 砂子表面的XPS全谱分析

三张全谱图中的Si2p2、O1s的峰强很高，可以肯定是SiO2的主要特征峰(3), (4) ；废砂的C1s2的峰强也很高，可以肯定是煤粉、树脂残碳、石墨中碳的特征峰(4)。

再生砂与大林新砂的全谱图中Al2p、Al2s、Mg(A)、Ca2p、Fe2p、Na1s、 C1s2的特征峰及峰强比较一致，而废砂由于含膨润土、煤粉、树脂残炭、石墨等物质，其峰强要高出许多，由峰强差异也可以说明再生过程对粘土、煤粉及树脂残炭去除比较彻底。

但在废砂和再生砂的图中发现了硅Si和碳C的新特征峰，记为Si2p1、 C1s1，其分别紧邻Si2p2和C1s2，有一定峰强，与碳化硅特征峰相似，由于其结合能与Si2p2和C1s2比较接近，须做XPS的深度分析判别。

3.5 Si2p1、C1s1的XPS深度分析

从XPS深度表征分析图中可以看出，Si2p1的结合能在100(ev)附近，C1s1的结合能在283(ev)附近，根据参考文献(4)研究的结果，SiC的Si2p结合能为100(ev) ，SiC的C1s1结合能为283(ev)，而且再生砂红外图谱在817(cm-1)出现明显的吸收峰，这足以说明浇注过程在砂子表面生成了碳化硅。

3.6 砂子表面SEM分析

从图9可以看出，大林新砂表面凹坑多而深，棱角大，有明显裂纹和碎片，比表面积比再生砂大，表面二氧化硅晶体结构明显，其它物质极少；图10显示再生砂表面比较平整，凹坑较浅，棱角小，无明显裂纹和碎片，比表面积小；表面二氧化硅晶体结构明显，间杂分布有碳化硅的晶须团筑，其它物质极少，这表明再生砂表面质量好于新砂

3.7 高温性能的测定

从图11可以看出，再生砂的膨胀率比大林新砂膨胀率约低20%，再生砂膨胀阶段的曲线更为缓和，这对生产铸件减少脉纹缺陷有利；图12的结果显示，同等条件下，再生砂比大林新砂的试验柱的耐热时间能提高约10%，这对铸件减少烧结及粘砂缺陷有利。这都说明再生砂比新砂具有更好的耐高温性能。

3.8再生砂在铸造厂使用的实际效果

4.0 结论

4.1湿法再生工艺是铸造混合型废砂再生循环利用非常有效的方法，再生砂的收率高于95%，品质高，各项常温性能、高温性能和综合使用性能均优于其新砂，再生过程清洁环保节能，综合利用率达100%，玉柴铸造混合型废砂再生循环利用产业化的成功在铸造行业内具有推广示范意义。

4.2通过对再生砂表面进行SM、IR、XPS、SEM等多种手段的表征分析表明：再生效果优良，再生砂基本成分与新砂一致，经过浇注及再生处理后再生砂表面比较平整、凹坑浅、无明显裂纹及碎片，比表面积小，而且再生砂表面在特定的条件下生成碳化硅，正是这些变化促使再生砂的常温性能及高温性能均优于新砂。由于表面生成了碳化硅，再生砂目视表观为深灰色。

参考文献

（1）胡彭生主编,型砂,上海:上海科学技术出版社,1994

（2）李婷,碳化硅纳米材料的制备与表征,山东大学硕士论文,2009,P34-52

（3）刘芬等,用XPS法精确测量硅片上超薄氧化硅的厚度,化学通报,2006(5)

（4）于志战等,碳化硅的XPS和AES分析,真空与低温,1989(4)