Vol.56No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY 2021年1月
Jan.2021
龚小龙，胡胜利，杨致远，樊自田
（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）
摘要：实现绿铸造、清洁生产是当今铸造技术发展及研究的必然趋势。铸造固体废弃物占铸造生产排放物的90%以上，实现铸造固体废弃物的零排放是绿铸造的关键所在。目前，基于国家对环保要求的日趋严格，铸造旧砂再生回用已得到企业界的广泛认同与应用，铸造固体废弃物零排放的目标也越来越接近。介绍了几种典型铸造固体废弃物再生利用技术的新进展，展示了作者及其课题组在难再生废旧砂的再生回用、铸造除尘灰的回收利用、精密铸造废型壳的分离回用等技术方面的试验研究新成果，具有较强的理论及实用价值。 关键词：绿铸造；固体废弃物；再生利用技术；新进展
中图分类号:TG221文献标识码:A
DOI：10.3969/j.issn.l006-9658.2021.01.006文章编号：1006-9658（202]）01-0036-10
铸造是机械制造工业的基础产业之一，在国民经济中占有极其重要的地位。自2000年以来，我国铸件产量稳居世界首位,2019年中国各类铸件总产量为4875万吨。然而，铸造过程中产生大量的固体废弃物（铸造废旧砂、铸造废型壳和铸造除尘灰等）对环境带来了巨大的危害。大量铸造固体废弃物被随意丢弃，不仅浪费了重要的硅砂等矿物资源，而且会产生严重的水污染、土地污染和粉尘污染问。
2018年6月，国务院公布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，将铸造业纳入“两高”（高能耗、高污染）行业之列，给铸造企业带来了巨大的挑战。当前，铸造旧砂的再生回用技术逐渐成熟，并且得到了铸造行业的广泛认同和应用“。但对于难再生废旧砂、铸造除尘灰和精密铸造废型壳等固体废弃物的再生利用技术仍在研究中。随着国家对环保和绿可持续发展要求越来越高，实现铸造固体废弃物的零排放意义重大。
本文概述了几种较难回收的典型铸造固体废
收稿日期:2020-10-12；修订日期:2020-11-17
作者简介：龚小龙（1992-），男，博士，从事绿含铸造技术，造型材料，水溶性盐芯材料研究o E-m
ail：弃物再生利用技术的最新进展，主要包括难再生废旧砂的再生回用技术、铸造除尘灰的回收利用技术、精密铸造废型壳的分离回用技术，重点介绍了其回收利用或分离回用的方法和工艺，并对这些新方法和工艺进行了综合评价，最后展示了作者及其课题组在相关方向的实验研究新成果。
1难再生废旧砂再生回用技术
多次循环使用后的铸造废粘土旧砂（特别是粘土-树脂混合旧砂）、C02硬化水玻璃旧砂等，由于旧砂表面的残余物随着循环使用次数的增加而不断积累，这些废旧砂仅通过常规的（单一的）再生工艺而获得再生砂，再生砂的质量较低，较难达到单一砂或面砂的使用要求，属于难再生废旧砂。
铸造废旧砂的常用再生方法很多，根据其再生原理可分为干法再生、湿法再生、热法再生和化学法再生四大类叫叫针对上述难再生的废旧砂，不同单一的再生方法很难达到较理想的再生效果，再生砂不能满足单一砂或面砂的质量要求，需要进行多次复合再生。
张福丽等四提出了一种利用微波高效再生水
龚小龙，等：铸造固体废弃物再生利用技术新进展第1期水玻璃铸造
玻璃旧砂的方法。该方法将水玻璃旧砂和氢氧化钠溶液混合加入微波反应釜中，通过高温碱液快速溶解水玻璃表面的残留Na?。，然后过滤碱液并进行擦洗，使水玻璃旧砂再生脱模率到达98%以上，而
且脱模过程中还可以脱除型砂表面的其他杂质。但该再生方法的缺点是反应需在高温高压下进行，对再生设备要求很高，再生成本较高O 孙清州等妙呵公开了一种粘土旧砂完全再生用成套设备及方法，主要包括高温脆化装置、脆化旧砂冷却装置、多排磨轮再生机、微粉分离装置、再生砂改性装置和三回程滚筒（如图1所示）。该方法通过“高温催化+机械再生+微分分离+化学改性”可以实现粘土旧砂的完全再生，获得高质量的再生砂。但该再生系统复杂，再生工艺较繁琐。
I高温脆化装置L制冷却装置I修排磨誓再生机I三回程滚筒砂改性装置==!微粉磊装置I
图1粘土旧砂完全再生工艺流程图
近年来，针对难再生废旧砂，本课题组采用化学法再生与湿法再生相结合，开展了难再生C02硬化水玻璃废旧砂和粘土_树脂混合废旧砂的再生研究，并取得了一些成果期。1.1CO2硬化水玻璃废旧砂的再生
针对难再生co2硬化水玻璃废旧砂，对比研究了常温水浸泡再生、超声再生、滚筒摩擦再生和超声/滚筒/碱煮+酸浸复合再生。研究结果表明，采用常温水浸泡再生、超声再生和滚筒摩擦再生获得的再生砂粘结强度较低，无法满足铸造型砂的使用性能。以5.0wt.%的氢氧化钠溶液煮难再生水玻璃旧砂6min，脱水后进行淋洗，每次淋洗用水量为砂重的5%，能实现超过93%的Na2O去除率，并且碱煮再生砂粘结强度高，能直接代替新砂使用。将超声再生或滚筒再生后的湿砂用过量的盐酸浸泡，能将Na
2O去除率提高至98%以上，超声酸浸再生砂和滚筒酸浸再生砂粘结强度较高，能宜接代替新砂使用-将碱煮再生砂用过量的盐酸浸泡，能将嘔0去除率提高至99%以上，但碱煮酸浸再生砂的粘结强度与碱煮再生砂的粘结强度基本相同。综合来看，滚筒+酸浸复合再生法是最适合难再生水玻璃废旧砂的再生方法。
1.2粘土-树脂混合废旧砂的再生
针对难再生粘土_树脂混合废旧砂，采用“热废碱液浸泡+水/酸擦洗”再生方法对其进行完全再生，并与常规“热法+机械”再生和“水擦洗”再生方法进行对比分析。图2为不同砂样的体式
图2不同砂样体式显微镜图片
（a）新砂（b）混合废旧砂（c）“热废碱液浸泡+水擦洗”再生砂（d）“热废碱液浸泡+酸擦洗”再生砂
（e）“热法+机械”再生砂（f）“水擦洗”再生砂
第56卷中国铸造装备与技术
表1新砂、混合旧砂及其再生砂的性能
砂类型再生淞GFN含泥量/%pH LOI/%24h抗压强度/MPa
新砂/540.167.500.46 2.60粘土-树脂混合废旧砂/45 2.6911.42 3.32—
砂
“热废碱液浸泡+
水擦洗”再生
550.1910.910.78 2.04“热废碱液浸泡+
就洗”再生
560.177.950.63 2.64“热法+机械”再生520.5411.200.340.25“水擦洗”甦510.249.79 1.780.75
显微镜图片，表1为新砂、混合旧砂及其再生砂的性能，图3为新砂、混合废旧砂及其再生砂的抗压强度。
从图2中可以看出，与常规再生方法相比，将陶瓷粒的制造，通过造粒工艺制成不同强度和粒径的颗粒，用于建筑行业肌呵。
秦申二等购提出了一种铸造除尘灰陶粒及其制备方法。该方法宜接将铸造除尘灰作为原料并
混合废旧砂放入热废碱液中浸泡24h并脱水后经加入多种材料均匀混合后经造粒和养护而制成。
过水/酸擦洗可有效的去除混合废旧砂表面的粘土、树脂和煤粉等残留物，获得颗粒圆整、表面干净的再生砂。与同种新砂对比，再生砂粒度基本保持不变，含泥量和灼烧减量较低（如表］所示）。“热废碱液浸泡+酸擦洗”再生获得的再生砂粘结强度高，可完全代替新砂使用（如图3所示）。但当除尘灰中含有较高的有机物（煤粉）时，会降低陶粒强度，影响陶粒的使用寿命。尹海军等嚨出了一种铸造除尘灰无害化处理方法。该方法是将除尘灰与铸造废砂进行混合焙烧除去除尘灰内部有机物，然后再收集除尘灰进行造粒。但将有热值的除尘灰直接加入铸造旧砂热法再生工艺过程 时间/h
图3新砂、混合废旧砂及其再生砂的抗压强度中焙烧会影响热法再生的效率，增加再生砂的灰分。王克彬等的公开了一种铸造除尘灰再生型砂。该方法直接将除尘灰回收利用，为旧砂的回收利用添加了膨润土和煤粉。但除尘灰中含有较多杂质，会影响型砂的性能，而且除尘灰中的膨润土和煤粉一般不是以单体形式存在，导致膨润土或煤粉失去作用。综合来看，铸造除尘灰中煤粉的存在严重制约了除尘灰的回收利用，有效的除去或降低粉尘灰中煤粉的含量是其回收利用的关键。
近年来，本课题组从铸造除尘灰的综合利用
2铸造除尘灰回收利用技术
砂型铸造生产过程中（包括混砂、造型和落砂等）会产生大量固体废弃物，其中经过除尘器收集的粒径在100Rm左右的粉状固体废弃物为铸造除尘灰。目前，铸造除尘灰的回收利用主要集中在角度出发，对粘土砂铸造过程中产生的除尘灰的颗粒特征进行了综合分析，并采用浮选选矿技术对除尘灰进行了分离处理，分别获得煤粉和粘土矿物。图4为除尘灰的宏观和微观图片，表2为除尘灰的XRF分析结果，图5为除尘灰的电子探针面扫结果。
龚小龙，等：铸造固体废弃物再生利用技术新进展第1期
由图4可知，粘土砂铸造过程中产生的除尘灰呈黑，主要是因为粘土砂铸造过程中为了防止铸件产生粘砂缺陷，改善铸件表面质量而加入了较多的煤粉。结合表2可以得出，除尘灰主要是由煤粉和粘土矿物组成，其中煤粉的含量在38.4%左右。由图5可以看出，每个除尘灰颗粒表面基本都是O、Al、Si元素富集区,C元素主要集中在除尘灰颗粒表面的局部区域，这说明煤粉颗粒被粘土矿物包裹着，表现形式为煤粉颗粒被粘土矿物部分或全部包裹，图6为除尘灰颗粒特征示意图。
表2除尘灰的XRF分析结果
成分SiO2Ag CaO Fe2（）3MgO Na2O LOI 含量/%3&1714.28 3.17 2.39 2.16 1.4238.40
由上述分析可知，除尘灰中的煤粉被粘土矿物包裹着，这是导致除尘灰难以通过浮选技术分离煤粉和粘土矿物的主要原因。因此，浮选之前有必要对除尘灰进行充分破碎解离，但需保证煤粉颗粒完整性，不被过度破碎。超声的空化效应会对颗粒表面产生强烈的物理剪切作用，可很好地从粘土矿物中解离出煤粉颗粒込旳。
图7为粉尘灰的XRD图谱。由图7可知，粉尘灰中的粘土矿物主要是由蒙脱石和石英组成。其中，蒙脱石来自于粘土砂中的膨润土粘结剂，石英来自于破碎的硅砂。由于膨润土具有吸水膨胀性，导致膨润
土粒子间距增大，内部吸引力降低血旳，更有利于超声破碎解离出煤粉。所以，浮选前可采用先浸泡再超声预处理的工艺对除尘灰进
图4除尘灰的宏观和微观图片
图5除尘灰的电子探针面扫图片
■16%CK
24%CK
14%CK
42%CK |100|im
第56卷中国铸造裝备与技术
煤粉粘土矿物煤粉粘土矿物
图6除尘灰颗粒特征示意图
（a）煤粉被粘土部分包裹（b）煤粉被粘土全部包裹
1020304050607080
20/°
图7除尘灰的XRD图谱
行破碎解离，图8为除尘灰的超声破碎解离示意图。
图9为经过不同超声预处理时间的除尘灰浮选煤粉和粘土矿物的回收率和灼烧减量，图10为经过30min超声预处理后浮选煤粉和粘土矿物的SEM和EDS分析结果。由图9可知，煤粉的回收率在42%左右，其灼烧减量最高可达69.35%；粘土矿物的回收率在58%左右，其灼烧减量最低可达19.2%。从图10中可以看出，煤粉颗粒的含碳量高达89.91wt.%，但浮选获得的煤粉中仍然存在一些粘土矿物（图10a中
灰部分）；粘土矿物颗粒粒度较小，其主要由粘土矿物组成（含O、Al、Si 元素较多），但仍有小颗粒的煤粉存在。
本课题组还提出了一种铸造除尘灰的浮选分离方法叭该方法的步骤为：将铸造除尘灰、水、浮选药剂放入处理池中混合得到混合物，并对该混合物进行预处理（超声、高速搅拌等处理）；将预处理后的混合物进行一级浮选得到初级煤粉和初级尾矿；将初级尾矿进行过滤得到_次滤液和一次滤渣，对该一次滤液和初级煤粉进行二级浮选得到次级煤粉和精选尾矿；将次级煤粉进行过滤得到二次滤液和二次滤渣，该二次滤渣即为精选煤粉，从而得到精选尾矿和精选煤粉。图11为铸造
超声预处理
煤粉粘土矿物_____
（a）除尘灰颗料（b）浸泡24h（c）破碎与解离
图8除尘灰的超声破碎解离示意图
70 60 50 40 30 20 100
回收率
灼曉减量
*
寛
幾
反
展
褂
轻
回
罡
辱
fa
出
龚
80-
70-
60-
50-
40-
30-
20-
10-
0-
0102030
超声时间/min
虽灼烧减量
遂回收率
102030
超声时间/min
O
（a）煤粉（b）粘土矿物
图9浮选煤粉和粘土矿物的回收率和灼烧减量
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