水玻璃鑄造舊砂應用濕法再生的工藝設計

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400）

0 引言

近年來，在鑄造砂處理工藝設計過程中，經常有客戶咨詢水玻璃舊砂的再生處理問題。當談到采用濕法再生處理時，又擔心污水處理工序。

前幾年，研究設計的一條廢舊砂濕法再生的生產線。應用了干法、濕法和烘干的聯合再生處理工藝，為企業解決了長期存在的問題（廢舊砂的去向）。技改投資不大，回收處理效果明顯，主體上清理了工況場地、增加了空間利用、回用砂集約入庫，改善了環境。

顯然，從鑄造產業綜合效益來講，水玻璃砂的舊砂再生是生產全過程的重點環節。在工藝措施上可采用在線再生或離線再生。整個環節體現在：原砂資源的再利用，廢棄物排放的減少和改善作業環境等，是一種符合可持續發展的綠色鑄造工藝[1]。

1 水玻璃的性質

水玻璃是水溶性的硅酸鹽（常用硅酸鈉）。鑄造工藝中添加某種的表面活性劑而形成流態化自硬水玻璃砂。水玻璃砂鑄造工藝在鑄鋼、鑄鐵、有色金屬鑄造中廣泛應用。

硅酸鈉本身是一種弱酸強堿的生成物，在水解時與H+結合成離解度小的H2SiO3、H2Si2O5等分子，使溶液中出現多余的OH-離子，使之呈堿性。

水玻璃的堿度大小與其模數有關，常用水玻璃的pH 值在10～13 之間。

水玻璃舊砂回用宜采用濕法處理比較實用。濕法再生就是將舊砂用水浴沖洗，使水玻璃薄膜中的堿和硅膠在水浴中溶解、分解。如果適當提高水溫、或帶弱酸性，其再生效果更好。

由于水玻璃舊砂的再生性能與原砂還存在一定差距，必須對回用量進行控制，一般不超過50%[2，3]。

2 水玻璃砂舊砂處理方法

水玻璃砂舊砂，如果采用干法再生處理，再生效果不好，膠質狀的水玻璃不宜脫膜，不是合理的再生方法；如果采用熱法再生處理，焙燒爐的焙燒溫度需要很高，成本太大，后續處理工藝復雜，不是理想的再生方法；而采用濕法再生處理，針對它的性狀通過水浴搓磨達到水玻璃溶解、松散、脫膜，凈化而實現砂再生，工藝不是很復雜，處理規模較大時，是比較理想的再生方法[3]。濕法再生的三個重點要素：水浴沖洗、脫水烘干、污水處理，而污水處理是一個難題（環保要求、不宜直接排放）。

3 工藝方案與核心設備

水玻璃舊砂的再生，采用獨立的、離線濕法再生處理工藝，并考慮舊砂來源的復雜性。通過濕法、烘干的綜合再生處理，使再生砂應用指標達到品質合格的常規要求。

3.1 工藝流程

再生處理的工藝流程：對水玻璃舊砂先進行破碎、磁選、篩選（控制顆粒度、去鐵雜物），再經滾筒水浴浸泡、搓磨水洗（水解、脫膜、控制pH 值），脫水烘干（控制含水率）和凈化、冷卻的過程。

水浴浸泡的作用，是便于水玻璃溶解，不是單純的水洗。

設計產能20t/h 舊砂濕法再生工藝單元，其工藝流程設計：舊砂預處理（破碎機、輸送機、磁選機、提升機）進入滾筒搓磨水洗機，經搓磨水洗后負壓脫水，再進入快速立式烘干爐（電加熱），再經冷卻處理和第二道磁選機后提升入庫。單元的核心設備是滾筒搓磨水洗機。

整個工藝流程配置組合布袋除塵系統，構成一個獨立的離線再生單元。水洗過程排放的污水通過污水處理池進行集中化學中和處理，形成循環水回用，避免二次水污染[4]。

3.2 滾筒搓磨水洗機

滾筒搓磨水洗機是一種臥式滾筒體配置、軸向葉片攪拌的水洗設備（水浴功能），是集搓磨攪拌、定向輸送和冷卻（需要冷卻時）多道工序為一體的砂再生設備。更適合水玻璃舊砂的水洗再生處理。

滾筒搓磨水洗機采用臥式結構，其動力驅動穩定性好。在實際應用中，滾筒搓磨水洗機空載時的噪音低于80dB（A）（樣機檢測結果）。

滾筒與攪拌主軸的轉動方向相反，可有效利用主軸上導向葉片（弧形）對砂料的搓磨攪拌，螺旋形導向，達到輸送、清洗的效果。砂料進入筒體后、同時進入大量循環水水浴浸泡沖洗。并實現對砂料的切向對流和搓磨攪拌，砂料含有的小顆粒團塊不影響水洗過程。

采用常溫循環水在筒體內攪拌水洗，對熱舊砂有冷卻的作用。蒸發熱氣流隨除塵系統排放（設置除塵罩），不影響生產環境。

3.3 主要技術參數：

滾筒體直徑：?1400 mm；滾筒轉動速度：9.11 r/min；滾筒驅動功率：11kW；攪拌筒體直徑：?1200 mm；攪拌筒轉動速度：27.71r/min；攪拌驅動功率：15kW；生產能力：10～20t/h。

4 再生砂的脫水

在現實生產中，滾筒搓磨水洗機是必須的常用設備，經搓磨水洗的濕砂首先進行脫水（砂水分離），然后是烘干。

圖1 滾筒搓磨水洗機

脫水的方法通常采用：

（1）脫水池自然環境脫水（自然沉降法）：在現場設置一個脫水池，底部采用過濾網板重力降水過濾。其工藝簡單、成本低，但消耗時間比較長，脫水率不是很高。（2）脫水桶離心脫水：采用離心機離心脫水，間斷性工作，其脫水能力有限，小規模生產可以采用（一般在選礦洗礦中應用）。（3）真空脫水：利用真空原理，進行負壓脫水。

例如，設計應用的一種振動輸送機，利用振動輸送過程進行負壓脫水，輸送槽面局部采用過濾篩網（高密度），底部真空負壓，實現連續脫水輸送的工作狀態。砂脫水后即進入舊砂烘干流程，而水（污水）引流到沉淀池，工藝上并不復雜。

還有一種真空皮帶輸送機的脫水工藝，砂脫水后即進入烘干工藝。

5 污水處理與水循環系統

應用滾筒搓磨水洗機的供水壓力選擇150～250kPa，可滿足滾筒水浴的應用要求（有浸泡時間）。連接水循環處理系統（含有冷卻塔和補水管路）充分利用循環水回用。

5.1 污水沉淀與回用

水洗后的污水沉淀、回用是利用四個相連的沉淀池（設計二個沉淀池、一個凈化池、一個清水池）。污水進入第一沉淀池，比重較大的泥沙先沉淀，而溢流到第二沉淀池的泥砂大部分在池中沉淀。由于沉淀污水是堿性水溶液，必須進行凈化檢測和化學中和處理（模數不同的水玻璃，酸堿度不同，注意檢測）。

沉淀池的沉淀物一般以細砂為主，還有未溶解的惰性膜成分以及其他雜物，應進行有效的環保處理。

5.2 水循環系統

圖2 水循環污水處理沉淀池

二道沉淀池（水容量約18m3/個）為污水二次溢流過渡的泥砂在池中沉淀、并處理浮沫（膠質物）。可以設置污水攪拌裝置，達到快速沉淀的目的。當過程回流到凈化池時，應進行pH 值檢測，控制酸堿平衡。

水冷卻不是重點，可以在冷卻塔循環過程中實現。

凈化池為化學中和處理池，檢測調整水質的酸堿度（pH 值）。凈化后補水，溢流到清水池提升進入冷卻水塔，并回用。

在自然環境下，陽光和雨水的外來條件是污水凈化的有利因素。雨水可以補充清水池水源，陽光可以進一步凈化水質。清水池的溢流水可以向地溝排放（可以檢測pH 值、符合排放標準，即可排放）。

6 結束語

由于環保要求和原砂資源問題的突顯，直接影響鑄造產業生態發展的前景。所以，必須重視舊砂再生的重要性、必要性。重視綠色環保、資源再利用的創新發展理念。舊砂再生永遠是鑄造業的研究課題。上述水玻璃舊砂的濕法再生工藝設計供鑄造企業參考。