砂型鑄造固體廢棄物綜合利用概述

胡勝利，任文強*，吳武燦，廖朝宗

[1.柳晶科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213300；2.柳晶機械設備（溧陽）有限公司，江蘇 常州 213300]

中國鑄造歷史悠久，2000 年以來，我國鑄件總產量穩居世界第一。我國鑄件年產量約為5200 萬t，約占世界總產量的50%[1，2]。在各種鑄造工藝中，以原砂為主要骨料的砂型鑄造工藝歷史最為悠久。其具有不受鑄件形狀、大小和復雜程度限制，生產周期短，原材料來源廣泛，成本低等諸多優點，我國及世界80%以上的鑄件都源自砂型鑄造工藝[2]。

盡管大部分鑄造用砂可以在鑄造企業內循環使用，但仍有20%—30%的廢砂由于破碎變細、耐火度降低、砂性能變差等原因被廢棄。而且，為保證芯砂、型砂的性能在規定的工藝范圍之內，需要在添加新砂及粘結劑等材料時拋棄部分舊砂[3，4]。因此，為了實現綠色化鑄造[5，6]，必須對廢舊砂進行綜合利用。

廢舊砂已成為砂型鑄造企業產生的主要固體廢棄物，廢舊砂包括采用黏土砂型、水玻璃砂型、有機粘結劑自硬砂型和其他各種有機或無機粘結劑砂芯等工藝產生的廢砂、粉塵、無法破碎的砂塊、熔煉廢渣等。

20 世紀80 年代，我國首屆舊砂再生會議在昆明市召開，氣流橫吹式再生機和機械逆流式再生機等舊砂再生技術得以應用，在黏土砂和水玻璃砂再生領域取得初步成效。如今，隨著國家環保政策日益嚴格和全民環保意識的提高，鑄造工作者開始采用多種方法對砂型鑄造廢舊砂進行再生，并對固體廢棄物進行綜合利用。

目前，鑄造用硅砂大多來自內蒙古、遼寧、河北、福建、海南等地。其中，福建省與海南省已開始限制開采，需求與資源消耗之間的矛盾日益突出。而鑄造廢舊砂的再生循環利用，可極大地緩解該矛盾。2020 年3 月，中國鑄造協會牽頭編制的《排污許可證申請與核發技術規范 金屬鑄造工業》（HJ1115—2020）正式頒布并實施。2020 年9 月，第二次修訂后的《固體廢物污染環境防治法》（以下簡稱《固廢法》）頒布實施。由此所見，鑄造固體廢棄物資源化利用，已成為我國鑄造產業綠色發展的大勢所趨，對產業發展有著重大的意義。

1 砂型鑄造有機混合廢舊砂再生

粘土型砂與樹脂芯砂產生的混合舊砂占鑄造舊砂的70%—80%，是經澆注、冷卻、落砂后，廢砂芯或和一部分黏土砂混合形成的固體廢棄物。這些有機廢舊砂經過650℃—700℃焙燒、冷卻、機械研磨、除塵、篩分后，成為再生砂，可用于造型、制芯。焙燒和機械研磨的目的是去除砂粒表面的有機和無機殘留物，使砂粒盡量恢復到原始狀態[7，8]。經再生后的砂可用于制芯或造型，以替代原砂,而且再生過程中沒有二次污染[9]。

1.1 工藝流程

利用高溫焙燒的方法去除廢舊砂中的有機成分，再使用機械研磨的方法去除再生砂表面的黏土附著物（流程見下圖）。

熱法+機械法再生流程圖

1.2 主要設備及參數

沸騰式熱法再生焙燒爐，焙燒溫度670℃—690℃、3—7t/h；高速研磨機，磨輪速度為1440r/min；滾筒破碎機，10—20t/h。

1.3 再生主要指標

經過熱法和機械法再生，再生砂可滿足后續鑄造生產需要，可達到的質量指標見表1。

表1 熱法+機械法再生砂質量控制指標

2 無機廢舊砂處理

無機廢舊砂主要包括鑄鋼用普通水玻璃廢舊砂和有色合金用無機廢舊砂兩類。

2.1 鑄鋼用普通水玻璃廢舊砂再生

水玻璃砂，主要用于鑄鋼件生產的造型和制芯，所用的黏結劑為水玻璃。這種砂型及砂芯經過澆注和落砂后，廢舊砂可以采用濕法再生處理。因為水玻璃溶于水，所以可通過浸泡擦洗，溶解掉廢舊砂表面包覆的水玻璃，使砂粒基本恢復原始狀態。除此之外，中機鑄材可將水玻璃廢舊砂再生后產生的細粉制作成建筑涂料中使用的彩砂。需要強調的是，濕法再生工藝的廢水可循環利用。

2.2 有色合金鑄造的無機廢舊砂再生

無機砂，是近年來出現的用無機黏結劑代替冷芯盒制芯工藝中的有機黏結劑芯砂或型砂，主要用于鋁合金鑄造。無機廢舊砂再生利用包括熱法和濕法兩種工藝。熱法再生工藝需先將廢砂破碎、去除金屬物，經300℃風力研磨后，進入650℃焙燒爐中鈍化處理，經冷卻篩分后的再生砂產品可用于制芯。

濕法再生工藝過程為：舊砂經過水浸泡清洗，再用離心機脫水烘干，經篩分除塵后得到再生產品。處理該工藝產生的廢水不需要添加化學藥劑，固液分離后即可循環利用。

3 除塵灰綜合利用

除塵灰是指經由除塵器收集的、來自以上各種砂型鑄造工藝中的粉狀固體廢棄物?；厥绽脮r，除塵灰可通過造粒工藝制成不同粒徑、不同強度的顆粒，根據其成分可用于制作覆膜砂、建筑用陶粒等產品，也可通過高溫燒結工藝，將其制成保溫陶瓷板、種植保水陶粒、高強度建筑陶粒等。免燒結陶粒性能指標見表2。

表2 免燒結陶粒性能指標

4 鑄造廢渣綜合利用

鑄造爐渣是指火法冶金過程中生成的浮在金屬等液態物質表面的熔體，其組成以二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂等氧化物為主，還常含有硫化物并夾帶少量金屬。其中，高爐渣是很好的水泥原料，高磷渣可用于化肥生產，含釩鈦渣可作為提煉釩、鈦的原料。此外，爐渣還被廣泛應用于路基道砟、建材制造等領域。

5 鑄造固體廢棄物管理

2020 年9 月新修訂的《固廢法》開始實施，要求產生工業固體廢物的單位應當建立健全工業固體廢物產生、收集、貯存、運輸、利用、處置全過程的污染環境防治責任制度，建立工業固體廢物管理臺賬，如實記錄產生工業固體廢物的種類、數量、流向、貯存、利用、處置等信息，實現工業固體廢物可追溯、可查詢，并采取防治工業固體廢物污染環境的措施。根據相關要求，柳晶科技集團股份有限公司利用物聯網技術建立了鑄造固體廢棄物管控系統，實現了鑄造固體廢棄物收集、運輸、儲存和處置過程的可追蹤和可查詢，該系統包括鑄造固體廢物跟蹤系統和固體廢物處置管理（MES）系統。

固體廢物跟蹤系統實時更新，實現了鑄造固體廢棄物的收集、運輸和貯存過程的實時跟蹤，對相關數據的統計和分析，實現了可追蹤可查詢的目的，可為客戶提供處置證明，也可供相關部門進行監督檢查。

固體廢物處置管理（MES）系統可對鑄造固體廢棄物的處置進行全程實時記錄，實現生產計劃、生產數據、設備管理、生產預警、質量管理、庫房管理、產品追溯、能耗管理、員工管理和報表分析等模塊的信息化和自動化管理，可為固體廢物處置企業提供固體廢物處置證明。

6 結語

（1）采用先焙燒后研磨的方法對砂型鑄造的有機混合廢舊砂進行再生循環利用，可實現再生砂替代鑄造用原砂。

（2）可采用先高溫研磨再高溫鈍化的方法對有色砂型鑄造無機廢砂進行再生，如果采用濕法再生，污水處理是重點。

（3）將鑄造除塵灰進行免燒結造粒，制成免燒結陶粒替代建筑骨料。

（4）通過固體廢物跟蹤系統和固體廢物處置管理系統，實現鑄造固體廢物的可追蹤可查詢。