摘要: 针对铸造粘土废砂传统处置方式导致的土地侵占、资源浪费及环境污染问题，本研究提出以湿法再生技术为核心，结合“机械–热法–湿法”三级工艺耦合的创新路径。通过开发选粉脱膜机、复式焙烧炉及强力擦洗机等核心装备，突破传统再生技术瓶颈；在湿法环节创新采用梯度压力旋流分离、SDBS-聚醚改性硅氧烷复配药剂及闭式水循环系统，显著提升再生砂洁净度与稳定性。工业化应用表明，本技术实现再生砂含泥量小于0.3%、角形系数接近新砂，可替代新砂用于高端铸件生产，为铸造业绿色转型提供技术支撑。
Abstract: In response to the problems of land occupation, resource waste and environmental pollution caused by traditional disposal methods of foundry clay waste sand, this study proposes an innovative path with wet recycling technology as the core, combined with the “mechanical-thermal-wet” three-stage process coupling. By developing core equipment such as powder selection and film removal machines, compound roasting furnaces and powerful scrubbing machines, the bottlenecks of traditional recycling technologies are broken through. In the wet process, innovative adoption of gradient pressure cyclone separation, SDBS-polyether modified siloxane compound reagents and a closed water circulation system significantly improves the cleanliness and stability of recycled sand. Industrial application shows that this technology enables the recycled sand to have a mud content of less than 0.3% and an angular coefficient close to that of new sand, which can replace new sand in the production of high-end castings, providing technical support for the green transformation of the foundry industry.
1. 引言
铸造行业作为装备制造业的基础支撑，在我国工业化进程中发挥着重要作用。然而，其生产过程中往往伴随着严重的环境资源问题：每生产1吨合格铸件就会产生1.5吨废砂，我国年排放量超过2000万吨，其中粘土废砂的占比高达70%。这些废砂的传统处置方式为填埋为主，再生率仅为20%~30%，这种处理方式不仅每年侵占土地5000亩，填埋层厚达3米，更迫使企业每年新开采天然硅砂1900万吨，加剧了硅砂资源的枯竭风险，同时丢弃大量含害废砂，导致资源枯竭与环境污染双重压力[1]。利用铸造废砂替代天然砂石制备土木工程材料(如混凝土路基、回填料等)，是消纳此类固体废弃物并实现资源化利用的主要路径[2]。
面对此类问题，行业内部对废砂再生循环利用的研究也在不断加深。目前行业内部主流的再生技术为热法再生、机械再生两大技术，但都存在显著瓶颈：热法再生技术会使砂粒表面膨润土陶瓷化，杂质难以清除；而机械再生导致砂粒粉化严重、酸耗值累积上升，造成再生砂循环寿命短、砂芯强度下降，不能满足高端装备制造的要求。
由此，传统主流的废砂再利用技术不足以满足行业的需求，行业急需一种新型的废砂再利用技术来减轻废砂处理的费用，通过循环经济来提高废砂的再利用率[3]。面对这一困境，本文通过新型的湿法再生技术作为核心载体，通过“机械–热法–湿法”三级工艺耦合，在企业的规模化应用案例验证其经济性，为铸造业绿色转型提供实证路径[4]。
2. 广西铸造粘土废砂处理行业现状
2.1. 区域废砂现状
广西作为西南地区铸造产业聚集区，现有规模以上铸造企业47家，年产铸件逾180万吨。根据2023年广西机械工程学会统计数据，每吨铸件产生废砂量达1.1至1.3吨，全区年排放粘土废砂超200万吨。这些废砂中残留膨润土、煤粉及重金属，直接填埋导致两大突出问题：土地资源侵占：按填埋深度5 m计算，年占用土地超600亩；地下水污染风险：渗滤液COD高达800至1500 mg/L之间，超出《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)标准限值2.3倍。可见废砂含有机树脂、重金属等有害成分，处理不当加剧生态环境负担[5]-[7]。
2.2. 传统再生技术效能瓶颈
面对铸造废砂，广西铸造企业主要采用两类处理方式，均存在显著缺陷：
1、热法再生技术：燃气加热温度需稳定在650℃至750℃之间，每吨再生砂能耗折合标准煤42 kg，成本达110元/吨，使得废砂再生的能耗与经济性失衡；灼减量波动于1.5%至3.0%之间，仅能满足HT250以下牌号铸件要求，无法满足高端装备制造的要求；在焙烧过程产生SO2及粉尘，超出《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)排放标准，造成二次污染。
2、简易湿法再生技术：相比较于热法再生技术，湿法再生资源利用率提高，污染小[8]。单级水力旋流器对微粉分离效率仅在40%左右，再生砂含泥量达2%左右，分级效率低下；在资源利用方面，每吨砂平均耗水量达到6.5吨，废水回用率不足60%，造成水资源的浪费；相关设备在使用过程中，酸性介质加快了碳钢设备腐蚀，使得设备侵蚀严重。
3. 废砂再生技术突破
3.1. 核心装备开发
1、机械再生装备：选粉脱膜机
选粉脱膜机通过双轴对向旋转的锤片结构，在沸腾悬浮状态下使废砂相互摩擦，强力剥离砂粒表面的残留粘结剂及惰性杂质，同时内置抽风系统实现砂尘高效分离，防止粉尘二次附着。其沸腾悬浮设计大幅降低砂粒间碰撞强度，将粉化率从传统工艺的大于25%降至小于5%，维持砂粒平均粒径稳定，显著提升再生砂收得率并避免铸件表面粗糙问题。本装备突破传统机械再生中“孔隙惰性膜清除不足”和“高粉化率”两大瓶颈，吨砂电耗降低30%，且模块化易损件设计使维护成本下降。专利技术支撑其连续高效运行，在处理量项目中实现再生砂角形系数优于新砂，直接替代新砂用于冷芯盒树脂制芯，减少铸件脉纹、粘砂缺陷。
2、热法再生装备：复式焙烧炉
复式焙烧炉采用窄通道流化沸腾设计，实现废砂快速升温，集中焙烧热能并减少散热损失。其两段式换热系统将热能利用率提升至85%以上，较传统热法节能而言，显著降低吨砂能耗30%。同时，炉内高温使废砂热解产生的VOCs在焙烧段充分燃烧，尾气污染物排放浓度低于环保限值，无需额外处理设备，解决了传统热法“能耗高、尾气难处理”的痛点。
3、湿法再生装备：强力擦洗机
强力擦洗机以水为介质，通过六缸串联式旋转摩擦深度剥离砂粒表面嵌入的惰性杂质，清除率大于95%。其创新设计结合疏水料仓和双层脱水筛，将吨砂耗水量降低，废水回用率达95%以上，污泥处理成本降低。柔性擦洗工艺避免砂粒破碎，再生砂角形系数优于新砂，彻底突破传统湿法“高水耗、高污泥处置成本”的瓶颈。
3.2. 湿法再生技术协同优化
1、工艺创新：梯度压力旋流分离
针对传统单级旋流器对微粉截留率低的缺陷，创新设计三级串联旋流器组，通过阶梯式压力梯度调控，实现湍流强度逐级倍增。首级旋流器剥离大于0.3 mm粗颗粒；二级捕获0.1至0.3 mm中颗粒；三级聚焦微粉分离，利用离心加速度梯度强化细颗粒沉降。经激光粒度仪检测，系统对小于0.075 mm微粉截留率可达92.3%，再生砂含泥量从2.5%降低至0.2%，能耗仅增0.8 kW∙h/吨砂。模块化设计适配不同粒径废砂，为复合药剂作用提供理想流体动力学环境。
2、材料创新：复合药剂界面调控
基于膨润土–煤粉高界面能导致的粘结难题，首创SDBS-聚醚改性硅氧烷复配体系。SDBS电离的磺酸基团中和黏土正电荷，而聚醚改性硅氧烷通过环氧乙烷链段穿插剥离煤粉，双组分协同使界面能降至31.6 mN/m。本体系在pH值6.5-8.5保持稳定，吨砂添加量1.2 kg时，膨润土残留量小于0.08%，煤粉残留小于0.03%，较传统单一药剂效率提升140%。复配药剂成本8.2元/吨砂，且无重金属溶出(ICP-MS检测符合《浸出毒性鉴别标准》(GB 5085.3-2007))，彻底解决设备腐蚀与二次污染风险。
3、系统集成：封闭式水循环与智能控制
针对湿法再生过程中高水耗与设备腐蚀难题，本技术构建物化处理–膜分离–智能算法三阶协同系统。混凝阶段投加PAC与PAM药剂实现浊度高效去除；超滤膜精准截留微细悬浮物，保障循环水质。智能反馈系统通过pH传感器动态调节药剂投加，同时物联网平台实时优化擦洗强度、药剂用量等核心参数，控制误差在0.5%内。采用不锈钢流道与环氧树脂涂层双重防腐设计，显著抑制设备腐蚀。系统实现吨砂耗水0.1吨、水回用率99%，再生砂质量波动小于0.15%。工业化验证表明，按4万吨规模计年节水达3.6万吨。
通过核心装备开发与湿法再生技术协同优化的双重作用下，笔者团队通过以新型的湿法再生技术作为核心载体，通过“机械–热法–湿法”三级工艺耦合，对废砂再生技术协同利用工艺流程进行优化，具体如图1所示。
Figure 1. Optimized technological process for the synergistic utilization of waste sand recycling technology
图1. 优化后废砂再生技术协同利用工艺流程
4. 工业化验证
以下案例，应用了这些新技术新工艺，对铸造用砂资源的减少开采；对再生砂的制造过程的节能。A公司由于铸造废砂排放压力大，环保问题突出，在各级政府部门高度关注下，在A的委托和要求下，B公司在2012年快速启动建设年处理25万吨铸造废砂再生循环利用项目，实现了A废砂再生循环利用，推动了A的绿色可持续发展。项目采用了铸造粘土废砂综合利用成套技术及装备对铸造废砂进行再生处理，可完全去除砂子表面杂质、不损伤砂子，产出的再生砂性能优越，技术参数均在使用指标范围之内，能有效减少新砂投入量，优化铸造工艺。项目建成投产后，年均销售收入1亿元、利税1493万元，当基准收益率为12%时投资回收期4~5年。项目达产后，A每年直接减少25万吨铸造固废排放量，减少自然资源开采40万吨，项目为发动机产业的可持续发展作出了应有的贡献。从表1呈现的B公司混合型废砂不同再生工艺实验结果可知，湿法再生工艺具有显著优势。
Table 1. Experimental results of different regeneration processes for mixed waste sand in company B
表1. B公司混合型废砂不同再生工艺实验结果
再生方法 |
1、湿法 |
2、纯热法 |
3、热法 + 机械 |
原新砂 |
备注 |
废砂试验量 |
100吨 |
100吨 |
100吨 |
/ |
方案1产生的煤泥含92%以上有效 煤粉及粘土，可生产再生复合粉回用到铸造厂，从而实现铸造回用率达到98%以上，铁渣砂等回收利用，综合利用率达到100%方案2和3细粉为死粘土和细砂重复利用难度大， 利用率不高 |
砂含量 |
85.2吨 |
84.3吨 |
84.8吨 |
/ |
铁渣砂等回收量 |
1.17吨 |
1.16吨 |
1.16吨 |
/ |
再生砂产量 |
84.7吨 |
71.5吨 |
63.2吨 |
/ |
产生细粉(煤泥) |
14.13吨 |
23.2吨 |
31.4吨 |
/ |
产生尾气 |
约0吨 |
4.1吨 |
4.2吨 |
/ |
平均收得率 |
99.40% |
84.80% |
74.50% |
/ |
占砂含量的比例 |
AFS均值 |
52.5 |
53.5 |
57.5 |
52.5 |
方案3砂子粒径在不断变小 |
圆球度，% |
81.6 |
80.5 |
74 |
80 |
|
堆积密度g/cm3 |
1.53 |
1.51 |
1.4 |
1.5 |
|
灼烧减量均值 |
0.37% |
0.25% |
0.20% |
0.40% |
|
冷芯强度均值 |
即拉 |
1.5 MPa |
0.4 MPa |
0.6 MPa |
1.2 MPa |
方案3再生砂开裂，角形系数变差，细砂偏多，酸耗值不断累积上升， 强度衰竭严重 |
终强度 |
2.5 MPa |
0.5 MPa |
1.1 MPa |
1.8 MPa |
酸耗值 |
小于5，可调 |
9月10日 |
不断累积上升 |
5月6日 |
|
平均燃料能耗 |
3~6万 |
13~15万 |
13~15万 |
|
Kcal，处理每吨废砂能耗 |
设备投资 |
适中 |
适中 |
高 |
|
每小时处理1吨废砂的投资 |
运行成本 |
适中 |
低 |
高 |
/ |
|
再生砂综合性能 |
优，独立使用 |
较差， 不能用 |
差，须与新砂掺用 |
/ |
|
5. 总结
湿法再生技术在铸造粘土废砂资源化中的应用，标志着铸造行业固废治理从被动处置向资源再生的深刻转型。本研究通过以湿法再生技术作为核心载体，结合“机械–热法–湿法”三级工艺耦合，破解了传统再生技术分离效率低与资源消耗高的双重约束。机械选粉脱膜、复式焙烧与强力擦洗装备的协同创新，实现了砂粒无损再生与杂质深度剥离；湿法环节的梯度旋流分离、复合药剂调控及封闭式水循环系统，更从本质上提升了再生砂的稳定性与洁净度。工业化验证表明，本技术可系统性解决废砂填埋占地、新砂资源枯竭及再生砂性能波动等行业痛点，为铸造企业构建了“减废–降耗–提质”的可持续发展路径。未来需进一步深化微粉高值化利用研究，推动跨区域集中再生中心建设，并加速技术标准体系完善，为铸造业绿色低碳转型提供更强支撑。
基金项目
广西港澳台高层次人才工作项目(项目编号：HMTP2023005)。
NOTES
*通讯作者。