樊自田，龍 威，劉富初

（1華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

2013年我國(guó)的鑄件產(chǎn)量已超4 000萬t。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鑄造每年要產(chǎn)生廢舊砂（廢渣）等固體廢棄物3 000萬～4 000萬t、廢氣300億～600億m3，鑄造行業(yè)引起的環(huán)境問題十分驚人［1－2］，高質(zhì)量、少污染、低成本地實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和綠色鑄造，一直是鑄造工作者的奮斗目標(biāo)。

表1為早期報(bào)導(dǎo)的來自不同鑄型中的污染物含量測(cè)試結(jié)果［3－4］。表2和表3為近期王玉玨等總結(jié)的國(guó)外有關(guān)鑄造型砂原材料鑄造熱時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物 VOC（Volatile Organic Compound）和危險(xiǎn)性空氣污染物 HAP（Hazardous Air Pollutant）的測(cè)試報(bào)導(dǎo)［5－9］。由于檢測(cè)方法不盡相同，得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)相差較大。

表1 來自鑄型中的微粒、含苯環(huán)化合物和ɑ－苯并芘的污染物總重量［3－4］

表2 煤粉、酚醛樹脂粘結(jié)劑、呋喃粘結(jié)劑熱解HAP產(chǎn)物構(gòu)成%［8－9］

表3 砂型鑄造中澆注、冷卻與落砂過程的VOC 與 HAP 排 放因子［8－9］

本文介紹了筆者對(duì)典型砂型鑄造方法的環(huán)境測(cè)評(píng)（主要是污染氣體及舊砂再生）研究結(jié)果，由此闡述了筆者對(duì)鑄造粘結(jié)劑的發(fā)展趨勢(shì)的看法。

1 典型砂型鑄造方法氣體排放物的環(huán)境特征研究

為了對(duì)比不同型砂種類澆注時(shí)排放的氣體種類及數(shù)量，筆者以鑄鋼件為例，對(duì)生產(chǎn)鑄鋼件的5種典型砂型鑄造方法的氣體污染物成分及相對(duì)含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

為了防止?jié)沧⒑髿怏w被污染，影響氣體成分和相對(duì)含量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，筆者設(shè)計(jì)了一種砂型鑄造尾氣采集方法［10］。將砂箱放置于密封罩內(nèi)抽真空，采用反重力澆注，澆注完成后抽取密封罩內(nèi)的氣體，獲得純凈的鑄造尾氣用于氣體成分及其相對(duì)含量檢測(cè)，氣體成分和相對(duì)含量采用GC－MS氣質(zhì)聯(lián)用儀檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果利用CAS化學(xué)編號(hào)檢索。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及材料

采用鑄鋼ZG35為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，澆注溫度為1 570～1 600℃，澆注試樣重量為2 000g。為了防止舊砂中的各種摻雜物的影響，型砂采用新砂進(jìn)行混砂，型砂配比如下。

1）粘土濕型砂（無型芯），2 000g大林砂（40／70目），160g鈉基膨潤(rùn)土，4gα淀粉添加劑。

2）堿性酚醛樹脂自硬砂：1 000g大林砂（40／70目），30g堿酚醛樹脂，6g六亞甲基四胺固化劑。

3）呋喃樹脂自硬砂：1 000g大林砂（40／70目），10g呋喃樹脂，4g苯磺酸固化劑。

4）CO2吹氣硬化水玻璃砂：1 000g大林砂（40／70目），70g水玻璃。

5）酯硬化水玻璃砂：1 000g大林砂（40／70目），30g水玻璃，3g酯。

1.3 測(cè)定結(jié)果及分析

對(duì)澆注中采集到的氣體進(jìn)行成分檢測(cè)和CAS檢索，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 五種型砂的實(shí)際澆注氣體相對(duì)含量表

表4中，通過成分檢測(cè)，5種典型砂型鑄造的尾氣中，無機(jī)氣體主要包括CO、CO2、H2O等，其中CO的含量較低，在5%以下。有機(jī)氣體中，水玻璃砂澆注后產(chǎn)生的毒害性有機(jī)氣體含量相對(duì)較少，尾氣成分檢測(cè)中沒有檢測(cè)到苯，甲苯以及苯環(huán)類化合物；粘土砂中的毒害性有機(jī)氣體相對(duì)含量為25.23%，其尾氣中檢測(cè)到了約12%相對(duì)氣體含量的苯，粘土砂尾氣中苯的產(chǎn)生主要可能是由于型砂添加了工業(yè)α淀粉、膨潤(rùn)土粘結(jié)劑在鈉化改性時(shí)的添加劑及一些膨潤(rùn)土礦中雜質(zhì)物所造成的；兩種樹脂砂的毒害性有機(jī)氣體相對(duì)含量較高，尾氣中均檢測(cè)到了苯、甲苯、二甲苯和帶苯環(huán)類有機(jī)物，這些毒害性有機(jī)氣體主要是因?yàn)樯靶秃托托局械挠袡C(jī)粘結(jié)劑熱解而產(chǎn)生的。

2 典型舊砂再生回用性分析

不同的鑄造舊砂呈現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)特性，其再生回用方法也各有差異，通常應(yīng)采用不同的再生方法才能獲得符合使用要求的高質(zhì)量的再生砂。以國(guó)內(nèi)某大型鑄造廠混合廢砂為例，針對(duì)工廠送來的多種粘土廢砂和樹脂廢砂，選取兩種造型線上使用最廣的型砂的廢砂進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)2種廢砂樣過6目篩去芯砂和鐵渣等雜物后，分別測(cè)試粘土廢砂和樹脂廢砂的含水量、粒度分布、灼燒減量、含泥量和酸堿度（pH值），測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 粘土廢砂和樹脂廢砂的性能測(cè)試結(jié)果

當(dāng)前，舊砂再生方法及裝備技術(shù)通常是針對(duì)單一舊砂進(jìn)行的，而采用單一的再生方法所處理的“粘土－樹脂”混合廢砂達(dá)不到型砂的性能要求。因此，針對(duì)“粘土－樹脂”混合廢砂的不同型砂的再生特征，開發(fā)基于“濕法－熱法”的復(fù)合再生方法，對(duì)粘土廢砂采用濕法再生，對(duì)樹脂廢砂采用熱法再生，利用熱法再生砂的熱量烘干濕法再生砂，達(dá)到混合廢砂的高質(zhì)量低成本再生回用之目的［11］。

試驗(yàn)中，樹脂廢砂再生處理溫度600℃、700℃和800℃，再生時(shí)間30min。不同溫度下的樹脂廢砂再生性能見表6，其中酸堿度pH值為砂樣熱法再生后，在自來水（pH值7.40）中浸泡后測(cè)試得到。

表6 不同溫度下的樹脂廢砂再生性能測(cè)試結(jié)果

將干法預(yù)處理后的粘土廢砂樣進(jìn)行濕法再生，濕法再生次數(shù)為4次，分別測(cè)試砂水比例分別為1∶1、1∶1.5和1∶2的砂樣再生效果，測(cè)試性能為含泥量、灼燒減量、粒度分布和酸堿度，測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 不同砂水比例濕法再生砂樣性能變化

將熱法再生溫度為800℃，熱／濕再生砂混合比例為1∶2.5的熱法與濕法再生砂混合，混合后的再生砂含水量可以達(dá)到企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，混合再生砂的性能和造型后的抗拉強(qiáng)度性能（造型配比：1 000g再生砂＋0.6%固化酯＋3%堿酚醛樹脂）見表8。

表8 復(fù)合再生混合再生砂性能

從上述的“粘土－樹脂”混合廢舊砂的再生回用可以看出，采用新的復(fù)合再生回用方法，混合廢舊砂再生回用后的再生砂完全可以達(dá)到企業(yè)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 鑄造粘結(jié)劑的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 少污染無機(jī)粘結(jié)劑大量采用

目前，有機(jī)粘結(jié)劑在鑄造工業(yè)中應(yīng)用較大，具有生產(chǎn)產(chǎn)量大、能耗小、鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度高、換模速度快、便于柔性化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，有機(jī)粘結(jié)劑存在著環(huán)境污染重、生產(chǎn)成本高等突出缺點(diǎn)，少污染、高質(zhì)量、低成本的無機(jī)粘結(jié)劑的大量使用是鑄造生產(chǎn)的一個(gè)趨勢(shì)。

水玻璃粘結(jié)劑具有不燃燒、耐高溫、資源豐富、成本低廉、不析出各種有毒氣體和冷凝物、不污染作業(yè)環(huán)境和鑄造工裝等許多優(yōu)點(diǎn)。水玻璃砂不僅作業(yè)環(huán)境好，而且改善鑄件質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，備受鑄造工作者的重視和青睞，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有可能實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的型砂。德國(guó)HA化學(xué)公司和ASK化學(xué)公司分別開發(fā)了Cordis系列和Inootec系列的新型改性水玻璃砂工藝、國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)樊自田等人開發(fā)了新型改性水玻璃成功，應(yīng)用于批量化的鑄造生產(chǎn)，在環(huán)境、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)等方面都取得了令人滿意的效果，為水玻璃無機(jī)粘結(jié)劑在高效、復(fù)雜、高質(zhì)量的鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用開辟了一條新路。因此，水玻璃無機(jī)粘結(jié)劑的大量鑄造應(yīng)用，對(duì)于減少鑄造行業(yè)的污染，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，水玻璃無機(jī)粘結(jié)劑在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)展前景十分廣闊［12］。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)水溶性的動(dòng)物蛋白質(zhì)粘結(jié)劑應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)開展了研究，國(guó)外已有動(dòng)物膠粘結(jié)劑應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)［9－10］。水溶性動(dòng)物蛋白質(zhì)具有無毒害、強(qiáng)度高、原料豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)水溶性動(dòng)物蛋白質(zhì)粘結(jié)劑在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用，將有利于降低鑄件生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)水溶性動(dòng)物蛋白質(zhì)做鑄造粘結(jié)劑還沒有產(chǎn)品投入市場(chǎng)，主要在實(shí)驗(yàn)室研究［13－14］。

總之，在我國(guó)鑄件產(chǎn)量逐年增加的情況下，少污染無機(jī)粘結(jié)劑的大量使用將有效降低鑄造業(yè)帶來的環(huán)境污染，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色鑄造具有重大理論與實(shí)際意義。

3.2 低成本無排放的舊砂再生回用技術(shù)

我國(guó)每年產(chǎn)生的鑄造舊砂超過3000萬t，一些大型鑄造企業(yè)年排放鑄造廢舊砂都在10萬t以上，廢舊砂的丟棄造成了硅砂資源的大量浪費(fèi)，同時(shí)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也給我國(guó)的資源和環(huán)境帶來巨大壓力。因此，鑄造廢舊砂的處理和回收再利用已成為我國(guó)迫切需要解決的問題，對(duì)于我國(guó)鑄造產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

目前，低成本無排放的舊砂再生回用技術(shù)研究主要包括舊砂再生新技術(shù)和高效再生設(shè)備的開發(fā)。舊砂再生新技術(shù)主要是針對(duì)目前現(xiàn)有的干法、濕法、熱法再生技術(shù)多只針對(duì)單一舊砂的現(xiàn)狀，開發(fā)基于混合廢舊砂的復(fù)合再生方法，如“干法－濕法”、“干法－熱法”、“干法－濕法－熱法”等復(fù)合再生新技術(shù)，利用復(fù)合再生技術(shù)低成本、高質(zhì)量、無二次排放的再生回用廢舊砂［15］。

舊砂再生回用技術(shù)中，濕法再生和熱法再生后的再生砂質(zhì)量高，可代替新砂使用，因此，廢舊砂再生的高效再生設(shè)備的開發(fā)主要針對(duì)濕法再生設(shè)備、熱法再生設(shè)備和基于舊砂復(fù)合再生原理的“濕法－熱法”復(fù)合再生設(shè)備。如開發(fā)高效濕法再生設(shè)備（包括高效濕法再生機(jī)（含連續(xù)式、間隔式再生機(jī)））、濕砂脫水設(shè)備、水砂分離、污水處理等關(guān)鍵設(shè)備；開發(fā)高溫?zé)岱ㄔ偕鸂t（110～150℃低溫烘干爐、300～350℃中溫加熱爐、700～800℃高溫焙燒爐）等，高溫爐余熱利用技術(shù)及方法，構(gòu)建高效、低成本的舊砂熱法再生回用成套技術(shù)與設(shè)備系統(tǒng)；構(gòu)建高效混合廢舊砂復(fù)合再生設(shè)備生產(chǎn)線及各式濕法、熱法再生設(shè)備的連接方式，實(shí)現(xiàn)大量混合鑄造廢舊砂的低成本再生回用。

3.3 存在的問題及發(fā)展方向

隨著科技的進(jìn)步，綠色鑄造技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但不論是少污染鑄造用無機(jī)粘結(jié)劑還是低成本無排放的舊砂再生回用技術(shù)都存在著一些問題［14－15］。

水玻璃粘結(jié)劑在鑄造上的應(yīng)用越來越多，但是水玻璃砂也存在著舊砂潰散性差、再生回用困難，濕法再生水玻璃砂的堿性污水回用等問題制約著水玻璃砂的發(fā)展。酯硬化水玻璃砂技術(shù)的發(fā)展，使得水玻璃舊砂的潰散性和再生回用問題得到了一些解決，但距離完全解決水玻璃舊砂再生問題還有一段距離。近年來，將微波硬化技術(shù)應(yīng)用于水玻璃砂鑄造上，使得水玻璃砂中的水玻璃加入量進(jìn)一步降低，提高了水玻璃砂的潰散性和再生回用性，微波硬化水玻璃砂技術(shù)的發(fā)展使得水玻璃砂實(shí)現(xiàn)綠色鑄造又邁進(jìn)一大步。

鑄造單一舊砂的再生回技術(shù)成熟度較高，但是針對(duì)目前企業(yè)普遍存在的混合廢舊砂的再生回用技術(shù)尚不成熟，低成本、高質(zhì)量、無二次排放的舊砂再生回用技術(shù)仍是未來鑄造廢舊砂資源化再生利用的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

目前，砂型鑄造仍然是我國(guó)鑄造生產(chǎn)的主要方式。砂型鑄造中的廢舊砂的低成本再生回用、鑄造尾氣的少排量無害化排放都對(duì)鑄造粘結(jié)劑提出了更高的要求。國(guó)家提出的鑄造業(yè)可持續(xù)發(fā)展及21世紀(jì)的綠色清潔生產(chǎn)方式促使鑄造工作者設(shè)計(jì)和開發(fā)使用安全無公害的綠色鑄造用粘結(jié)劑。新型綠色鑄造粘結(jié)劑的開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)于加速我國(guó)鑄造生產(chǎn)清潔化的進(jìn)程和傳統(tǒng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，從源頭上根除鑄造生產(chǎn)中的環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本和提高鑄件產(chǎn)量，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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