酯硬化堿酚醛樹脂砂再生方法對比及設(shè)備選擇

陳國新（南通強鴻鑄造有限公司，江蘇南通市 226351）

酯硬化堿酚醛樹脂砂再生方法對比及設(shè)備選擇

陳國新（南通強鴻鑄造有限公司，江蘇南通市 226351）

從再生砂性能、一次性投資、運行成本、二次污染和環(huán)境影響、以及可預(yù)期的經(jīng)濟效益等方面對現(xiàn)有的多種再生方法進(jìn)行了綜合比較，確定了工廠設(shè)備選型原則和目標(biāo)，為企業(yè)取得了預(yù)期的效果。

酯硬化堿酚醛樹脂砂；舊砂再生；強力摩擦再生機

當(dāng)今，現(xiàn)代鑄造新工藝的采用和發(fā)展，應(yīng)歸功于鑄件設(shè)計要求的提高和檢驗手段的現(xiàn)代化、精確化和多樣化，應(yīng)歸功于市場競爭的推動。近年來國內(nèi)鑄造業(yè)可以用一句話來形容：自硬砂大行其道。

自硬砂工藝已成為業(yè)界的主導(dǎo)工藝，占據(jù)了絕對優(yōu)勢的地位（濕型砂工藝除外），傳統(tǒng)的干型砂工藝已到了罕見的程度。

1 酯硬化堿酚醛樹脂砂的工藝特點

（1）由于其樹脂是在強堿性催化條件下由苯酚和甲醛縮合而成的甲階酚醛樹脂水溶液，完全不含N，固化劑為有機酯，如甘油醋酸酯、環(huán)內(nèi)酯或混合物，因此不含S，用于鑄鋼、合金鋼鑄件不會產(chǎn)生N氣孔、針孔缺陷。

（2）由于堿酚醛樹脂砂常溫下常常只有大部分樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，在澆注受熱后，未交聯(lián)的樹脂才進(jìn)一步完成交聯(lián)反應(yīng)，實現(xiàn)一個再硬化的過程，通常稱為“二次硬化”。這種先表現(xiàn)出塑性，再進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂?，顯現(xiàn)出了一種非常可貴的優(yōu)點——高溫退讓性好，鑄件裂紋少；高溫尺寸穩(wěn)定性好，鑄件尺寸精度高。這就是此種工藝能在鑄鋼特別是合金鋼件、大型鑄鋼件的生產(chǎn)上應(yīng)用愈來愈廣的直接原因。

（3）因堿酚醛樹脂水溶液中不含硫、磷和氮等元素，而且其中游離醛、游離酚等含量低，在混砂、造型、制芯、澆注和落砂清理中釋放出來的有毒氣體少，對環(huán)境污染較輕，工人勞動環(huán)境好，這也是工業(yè)發(fā)達(dá)國家和國際上著名企業(yè)極力推薦和紛紛選用此種工藝的主要原因。

2 酯硬化堿酚醛樹脂砂舊砂再生的必要性

事物都是一分為二的。酯硬化堿酚醛樹脂砂工藝本身的缺點也是明顯的：

（1）堿酚醛樹脂砂常溫強度較低，樹脂加入量較大，通常都在1.6%～2.2%之間，有的廠家更高，直接導(dǎo)致鑄件成本升高。據(jù)初步測算，每噸型砂因粘結(jié)劑的原因比呋喃樹脂砂要高100～150元人民幣，砂鐵比若按4∶1估算，每噸鑄件成本將會上升400～600元人民幣。

（2）堿酚醛樹脂砂的硬化劑是有機酯，固化劑加入量達(dá)到一定比例后，調(diào)節(jié)硬化時間只能用酯的品種而不能用加入量調(diào)節(jié)。

（3）對原砂要求較高，如對粒度、粒形、SiO2含量、微粉含量、堿金屬鹽及粘土含量等都有較嚴(yán)格要求，需要使用經(jīng)過水洗或擦洗過的袋裝成品砂。這就促使一些采用面背砂工藝的企業(yè)，每噸鑄件成本再次提升數(shù)百元。

因此，對堿酚醛樹酯砂舊砂進(jìn)行高效率的再生，使其達(dá)到或接近新砂的性能，滿足各種工藝要求，能夠反復(fù)長期地循環(huán)使用，而不再添加新砂或使用面砂，是節(jié)約資源，降低成本，減少廢棄物排放，提高鑄件產(chǎn)品在國際市場上的競爭力的最直接的方法。

3 酯硬化堿酚醛樹脂砂再生方法綜述

所謂的砂再生，就是采取合適的工藝方法和手段，人為地去除包覆在舊砂顆粒表面的沒有被鋼液燒損掉，殘留的樹脂粘結(jié)膜以及一些有機和無機物雜質(zhì)，使砂粒在一定程度上恢復(fù)原來的形貌和性能，可以替代新砂來使用。為了此目的，鑄造工作者和工程師們進(jìn)行了持續(xù)不斷的努力和探索，不斷研究出新的裝置和方法，取得了長足的進(jìn)步和提高，逐漸向人們的終極目標(biāo)靠近。概括來講，歐美國家比較喜歡熱法再生，典型的系統(tǒng)如圖1所示。而日本則比較流行干法（機械法），如圖2、圖3所示。而在我國，由于酯硬化堿酚醛樹脂砂工藝應(yīng)用較晚，應(yīng)用的范圍還局限在一些結(jié)構(gòu)特殊、裂紋傾向嚴(yán)重或是特厚大型的鑄件，以及一些使用要求特殊，對鑄件質(zhì)量要求非?？量痰蔫T鋼件、合金鋼件上，目前還處在一種初級階段，還未形成完整的工藝體系，還未找到行之有效的舊砂再生方法和裝置。雖然目前已有數(shù)百家工廠（車間）擁有此工藝和設(shè)備，但基本上是靠面背砂工藝或靠添加一定量的新砂，或靠比較高的樹脂固化劑加入量來進(jìn)行生產(chǎn)的。這種狀況在很大程度上降低了鑄造廠家的盈利能力，削弱了我國鑄件在國際市場上的競爭力。反過來，這一現(xiàn)狀又限制了酯硬化堿酚醛自硬砂工藝的推廣和普及，形成一個瓶頸，這也是本文要探討的出發(fā)點和目的。

3.1 砂再生工藝方法的分類及特點

目前國內(nèi)外應(yīng)用到酯硬化堿酚醛樹脂砂方面的舊砂再生方法和設(shè)備，幾乎包括了所有類型自硬砂的再生工藝和方法。因為酯硬化堿酚醛樹脂砂是后來發(fā)展起來的工藝，所以，以前的老的成熟的舊砂再生工藝和方法都得到了移植和擴展，畢竟技術(shù)上的借鑒和嫁接，往往是最可行最簡潔的道路和方法。從宏觀上可以大體上歸納為濕法、熱法和干法（機械法）。事實上并非如此簡單，除機械再生之外，往往都是兩種以上的聯(lián)合再生法。這是因為人們在大量研究和實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，酯硬化堿酚醛樹脂砂是一種比較難以有效再生的自硬砂，其再生難度僅次于水玻璃砂，遠(yuǎn)難于呋喃樹脂砂和pep－set砂，其最明顯的特點是再生砂的砂型強度越來越低，以至于造成斷型、塌型、難以起模，或造成鑄件的沖砂粘砂、氣孔等缺陷。如同現(xiàn)代化戰(zhàn)爭多兵種協(xié)同作戰(zhàn)一樣，鑄造工程師們更多使用了聯(lián)合再生法，以期得到滿意的可長期重復(fù)使用的再生砂，減少、節(jié)約和保護(hù)寶貴的新砂資源。

3.1.1 濕法

人們沒有忘記堿酚醛樹脂是在強堿性催化條件下由苯酚和甲醛縮合而成的甲階酚醛樹脂水溶液，其水溶性是比較好的，因此采用水洗的方法來去除砂粒表面的殘留樹脂膜和雜質(zhì)是一種合理的選擇，不過不是單純的用水來洗滌，而是水洗和搓擦相結(jié)合。試驗和研究都證明這是一種有效的方法，可以獲的幾乎和新砂性能一樣的再生砂，具有非常理想的LOI值和鑄型強度。但是，濕法再生并未得到推廣和應(yīng)用，其原因主要是兩點：①污水及沉淀物污泥處理的麻煩和高費用；②水洗后的砂子的烘干和冷卻所帶來的費用的升高。

3.1.2 熱法

既然堿酚醛是一種有機樹脂，其高分子結(jié)構(gòu)肯定是可以燃燒的，通過足夠高的溫度，來燒掉舊砂砂粒表面的樹脂膜及雜質(zhì)，不失為一種可行的方法。典型的熱法再生系統(tǒng)如圖1所示。

燃燒溫度以及砂子在焙燒爐中的停留時間是關(guān)鍵所在，直接決定著再生砂的質(zhì)量和性能。試驗和研究證明：燃燒溫度過低（＜300℃），不能充分去除樹脂膜及雜質(zhì)，不能獲得好的再生砂；燃燒溫度過高（＞1000℃），又容易引起砂粒表面的鮞化或砂粒燒結(jié)成團，這是由酯硬化酚醛樹脂砂中有堿性殘余物的存在引起的。已有的研究表明合適的燃燒溫度應(yīng)該在600～900℃之間。毫無疑問，熱法再生同樣可以得到理想的再生砂，達(dá)到非常滿意的指標(biāo)和性能，可以與新砂媲美，因而在國外，尤其是在歐美得到應(yīng)用。

但是，熱法再生的缺點和它的優(yōu)點一樣明顯：

（1）系統(tǒng)龐大。僅焙燒爐的投資就是機械再生全套設(shè)備價格的2～3倍。據(jù)介紹一臺進(jìn)口焙燒爐就需要250～300萬人民幣。

（2）高溫?zé)煔獾奶幚硇枰透邷爻龎m器和足夠大的野風(fēng)的摻入，或是采用水冷式換熱器。過高的設(shè)備投資和運行費用是不可低估的。

（3）過多的能源消耗以及高成本。據(jù)有關(guān)資料介紹，每噸再生砂需要15～20L柴油，或者100kg原煤，僅燃料費就足可以超過機械再生的全部費用。

（4）高溫砂子的冷卻，同樣要耗去很高的能源和費用。因此，熱法再生并非可行，只能是一種在沒有理想的再生方法的情況下的無耐之選；一旦有了理想的方法，熱法再生就會逐漸淡出。

3.1.3 干法

其實就是機械再生法，就是在常溫下，靠機械設(shè)備，包括氣流沖擊，通過砂粒之間的相互撞擊和機械摩擦，有效去除砂粒表面的殘留的樹脂膜和雜質(zhì)，使砂粒表面得到一定程度上的凈化和恢復(fù)，獲得接近新砂的性能和指標(biāo)。

常用的干法再生裝置主要有氣流沖擊式、離心摩擦式以及最新型的輪碾摩擦式，如圖2、圖3所示。

氣流沖擊式再生靠高壓高速氣流帶動砂粒做高速運動，形成砂粒之間的相互沖擊和摩擦，來實現(xiàn)樹脂膜的剝離，因噪聲大，功率消耗大和砂粒破碎率高而應(yīng)用較少。

離心摩擦式再生主要是靠砂粒之間的相對高速運動，產(chǎn)生一定的沖擊和摩擦力，從而實現(xiàn)砂粒表面樹脂膜的破壞和剝離，達(dá)到再生的目的。

不管是氣流沖擊，還是離心摩擦式，應(yīng)用于呋喃樹脂和pep－set這樣的脆性膜，都能達(dá)到預(yù)期的效果，只要系統(tǒng)配置合理，生產(chǎn)運行管理到位，都可以獲得好用的再生砂。

但是，對于像酯硬化堿酚醛樹脂砂以及酯硬化水玻璃砂這樣的韌性膜，上述幾種再生裝置都表現(xiàn)得無能為力，一籌莫展。

事實和研究都表明，對付舊砂表面的韌性膜，單靠砂粒之間的高速運動，靠砂粒自身的摩擦力是不能湊效的，必須施加強力，靠強力摩擦切削，才會收效。應(yīng)運而生的輪碾式強力摩擦再生機就是新一代專用設(shè)備，完全可以收到良好的效果。

當(dāng)然，機械再生后的舊砂的性能指標(biāo)在一定程度上要低于濕法和熱法，在這里套用一句流行語：沒有最好，只有更好；適合的就是最好的。

3.2 再生砂性能評定方法和指標(biāo)

3.2.1 灼燒減量（LOI）

再生砂中殘留有機物質(zhì)及雜質(zhì)的數(shù)量可以作為再生效果的最直接的評定指標(biāo)，它和型砂強度、可使用時間及硬化速度，還有型砂的發(fā)氣量以及鑄件的氣孔缺陷都有著直接的聯(lián)系，因此成為公認(rèn)的最常用的檢驗指標(biāo)之一。過去，曾有一段時間，人們強調(diào)脫膜率，試圖應(yīng)用脫膜率來評價再生裝置的優(yōu)劣，同時用來評價再生砂的性能。但是，對于單個的砂粒來講，要定量地計算它的表面積以及殘留樹脂膜以及去除量，是一件不太容易的事情，幾乎是要進(jìn)入微觀領(lǐng)域了，力學(xué)模型和計算公式都很復(fù)雜，否則，準(zhǔn)確性就有限。后來人們選擇了更為容易檢測的LOI值，脫膜率漸漸地淡出人們的視野，不再強調(diào)和考究。事實上，在樹脂砂領(lǐng)域里，用灼燒減量（LOI）反應(yīng)脫膜率應(yīng)該是準(zhǔn)確和直觀的。

灼燒減量（LOI）對鑄造生產(chǎn)的作用和影響如圖4所示。由圖4中左圖可以看出，再生砂灼燒減量低，型砂強度就高，因而就可以降低樹脂和固化劑的加入量；而樹脂、固化劑加入量的減少又可以降低舊砂的酌減量，因此系統(tǒng)進(jìn)入了良性循環(huán)。

相反，圖4右圖即是一種惡性循環(huán)系統(tǒng)：再生裝置的灼燒減量偏高，勢必造成鑄型強度降低，只好提高樹脂及固化劑的加入量；樹脂和固化劑的加入量提高，直接又會進(jìn)一步提高舊砂的灼燒減量，系統(tǒng)進(jìn)一步惡化，如不加入新砂，整個舊砂系統(tǒng)將不能使用。

根據(jù)日本花王公司的研究，灼燒減量只有控制在1.0%以下，再生砂才具備合格的工藝性能，才可以替代新砂，可以長期反復(fù)使用。

3.2.2 篩分細(xì)度（ASF）

不管是何種再生方法，砂粒的大小和尺寸都會發(fā)生變化。定期對再生砂進(jìn)行篩分和測定可以有3方面的好處：一是檢查再生砂的粒度分布是否滿足生產(chǎn)工藝要求；二是檢查是否有砂團或復(fù)合砂粒的情況發(fā)生；三是確定再生砂粉塵含量，尤其是干法再生，砂粒的破碎會導(dǎo)致粉塵含量增加，會顯著降低型砂的粘結(jié)強度，增加樹脂粘結(jié)劑的加入量，影響型砂的透氣性，進(jìn)而影響到鑄件質(zhì)量。篩分細(xì)度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)各自工廠的不同的產(chǎn)品的不同要求來制定。

3.2.3 型砂強度

質(zhì)量不高的再生砂會明顯降低型砂的強度，引起起模壞型、塌型、沖砂、夾砂，甚至完全不能使用。檢查再生砂的強度是最直接最終的評價方法。

3.3 再生方法及設(shè)備的綜合對比

再生砂及設(shè)備除了以上幾條主要技術(shù)指標(biāo)之外，還有一些更為重要、更為引起人們關(guān)切和重視的方面：

（1）初始的一次性投資規(guī)模

這主要體現(xiàn)在設(shè)備的復(fù)雜程度和數(shù)量的多少，對廠房和生產(chǎn)面積的要求；除塵和排放物處理，砂溫調(diào)節(jié)等附加和配套系統(tǒng)的復(fù)雜程度等。

（2）設(shè)備的運行成本和維護(hù)費用

這主要牽涉到設(shè)備及裝置的運轉(zhuǎn)要求，能源及資源的使用和占用的多少，利用率的高低，生產(chǎn)效率和投入產(chǎn)出比例，還有易磨易損件的多少，使用的壽命和更換頻率，是否有特殊材料，以及采購和運輸成本。

（3）二次污染和環(huán)境影響

舊砂再生和重復(fù)使用本身就是一項節(jié)約資源、減少廢棄物排放、保護(hù)資源和環(huán)境的方法和措施，但是，這種過程的本身，又是一個能源和資源的再投入和使用，同時又會產(chǎn)生污染的過程，煙塵、廢氣、粉塵、廢水、污泥和噪聲等二次污染，是人們更為關(guān)心的。

酯硬化堿酚醛樹脂砂比較典型的砂再生方法和系統(tǒng)的綜合比較如表1所示。從表1中可以比較直觀地看出，干法再生中的輪碾強力摩擦式是一種綜合指標(biāo)最高的再生方法，綜合評定達(dá)到了4個星。

表1 酯硬化堿酚醛樹脂砂再生方法綜合對比

我公司結(jié)合自身的實際情況以及國際市場需求，選擇了一套5t/h的機械式（輪碾式強力摩擦）再生設(shè)備，于2008年6月份安裝調(diào)試完成，投入運行，徹底告別了面背砂工藝，實現(xiàn)了單一砂循環(huán)生產(chǎn)。整個砂再生系統(tǒng)如圖5所示。所生產(chǎn)的低合金鋼、碳鋼鑄件，達(dá)到了比較高的質(zhì)量，滿足了外商對鑄件的各種技術(shù)要求。

4 輪碾式強力摩擦再生機原理及特點

輪碾式強力摩擦再生機主要由連續(xù)定量下砂斗、輪碾再生機、沸騰床和微粉分離裝置組成，如圖6所示。

輪碾式摩擦再生機的核心技術(shù)就是采用了加壓滾輪強力碾搓，足以應(yīng)對韌性很高的堿酚醛樹脂膜，剝離和去除一半以上的惰性膜和雜質(zhì)。如圖7和圖8所示。

輪碾式強力摩擦再生機的再生砂之所以能夠作為面砂使用，而且具有符合工藝要求的鑄型強度，具有甚至比新砂還要低的樹脂加入量，是因為它可以獲得小于1.0%的LOI值，大大低于國內(nèi)現(xiàn)有其它機械再生設(shè)備的性能指標(biāo)（國內(nèi)目前的最好水平大概是1.5%）。表2是我公司實際運行的監(jiān)測記錄。

LOI是評定再生砂質(zhì)量的最直接最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，也是當(dāng)今世界鑄造業(yè)界公認(rèn)的最基本的技術(shù)指標(biāo),是再生砂能否做為面砂而且無限次循環(huán)使用的必須條件。當(dāng)LOI值在%1以上時，鑄型的強度大幅度降低，無法生產(chǎn)出尺寸和表面質(zhì)量都合格的鑄件；只有LOI值達(dá)到1%以下或更低，才可以在生產(chǎn)中正常使用和長期反復(fù)多次回用。

表2 我公司實際運行的監(jiān)測記錄

輪碾式強力摩擦再生機再生砂的AFS系數(shù)的變化如表3所示，砂粒的破碎率在6%～12%之間，這與原砂的SiO2含量高低以及抗破碎性能有關(guān)。

表3 輪碾式強力摩擦再生機再生砂的AFS系數(shù)的變化

5 結(jié)束語

輪碾式強力摩擦再生機適用于酯硬化堿酚醛樹脂砂的舊砂再生，能夠提供符合生產(chǎn)要求的再生砂，可以采用單一砂工藝長期循環(huán)使用，同時具有系統(tǒng)簡單、投資規(guī)模小、能源消耗低、運行成本低、二次污染少、環(huán)境效益好等特點，可以為企業(yè)取得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

（1）輪碾式強力摩擦再生機的直接經(jīng)濟效益

經(jīng)過初步測算，輪碾式強力摩擦再生機所生產(chǎn)的再生砂的成本大概在60～70元人民幣（包括設(shè)備運行費用、人員工資、設(shè)備折舊費等）。最直接的效果就是可以使每噸鑄件節(jié)省至少約一噸的新砂消耗量。假如企業(yè)年產(chǎn)量是一萬噸鑄鋼件的話，直接經(jīng)濟效益至少應(yīng)在250萬～300萬元。同時，漸少了廢砂的排放及其費用，也是一筆可觀的間接經(jīng)濟效益。據(jù)某大型企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不包括廢砂堆放的占地費用，僅每年每噸廢砂的處置費用平均在30元以上；如果像國外一樣，再計入國家強行征收的排污費，每噸廢砂的處置費用甚至比新砂價格還要高。

（2）輪碾式強力摩擦再生機的社會效益

減少可貴的新砂資源的開發(fā)和占用，促使鑄造業(yè)向資源節(jié)約型方向發(fā)展；減少廢砂的排放，減少了對地球環(huán)境及水資源的污染，促使鑄造業(yè)向環(huán)保型方向發(fā)展。

Comparison Among Reclamation Methods of Ester Cured Alkaline Phenolic Resin Old Sand and Selection of Proper Equipment

CHEN GuoXin
（Nantong Power Grand Foundry Co.Ltd.,Nantong 226351，Jiangsu China）

The sectors such as performance of reclamed sand，investment once，operational cost，secondary contamination and environment influence，cost of reclamed sand and expectant economic benefits have been comprehensively compared among varieties of reclamation method in existence so that the principle and target of equipment model suited for foundry have been determined hence the anticipated effects for the enterprises.

Ester cured phenol resin sand；Old sand reclamation；High tension wheel milling type reclaimer

TG231.5;

A；

1006－9658（2010）02－4

2009－11－05

2009－148

陳國新（1955－），男，總工程師，從事鑄鋼工藝及設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用工作