專利名稱：砂的回收方法
技術領域：
本發(fā)明涉及砂的回收方法，例如在鑄造工業(yè)中對已經被用于制作模具和型芯的硅砂的回收，尤其是涉及為了制作模具和型芯而用一種堿性A階酚醛樹脂粘合的砂的回收方法。
當用于制作鑄造模具和型芯時，砂將與多種粘合劑，例如膨潤粘土，硅酸鈉或樹脂中的一種混合。由于暴露于金屬鑄件的溫度中以及與熔融金屬接觸的影響，砂將被粘合劑分解物、金屬微粒以及其他碎屑所污染。從而在下一次制作模具和型芯時必須用新砂將其替換，或者如果要重復利用該砂也必須先經過處理以清除至少相當一部分污染物。
由于新砂的價格和對已用砂進行處置的費用，以及現存的在掩埋場廢料處理監(jiān)管的嚴格規(guī)定，鑄造廠家迫切希望提高對已用砂的回收水平。
如果要成功地回收已用砂，回收方法就必須不僅要經過粉碎膠結塊和清除金屬顆粒以改善砂的狀況，而且該方法還必須能保證回收的砂能夠被重復使用，最好能用與原來一樣的粘合劑。
在最近幾年提出了一些模具和型芯制作方法，即利用一種酚醛樹脂的堿性水溶液作為粘合劑。其中一種方法是樹脂借助于一種與砂和樹脂混合的醋進行固化。另一種方法是混合的砂和樹脂成型為所希望的形狀，而后使汽化的酯例如汽化的甲酸甲酯通過成型模型使樹脂固化。還有一種方法是樹脂的固化通過硼酸根離子與樹脂配合而實現，所使用的粘合劑含樹脂和硼酸根離子，并且該粘合劑溶劑的堿性能使這種配合受到抑制。在砂-粘合劑組合物成型后，用二氧化碳氣體穿過成型模型，從而減小粘合劑的pH值，并通過硼酸根離子引起交聯。
一種常用的回收鑄造砂的方法是干磨法，在該方法中型砂須經過一個磨碎或研磨工序，將膠結塊粉碎成分散的砂粒，并從砂粒上清除粘附的粘合劑殘留物。然后通過篩分將粘合劑殘留物和細砂粒去除。單獨使用干磨法作為一種用來回收由堿性A階酚醛樹脂粘合過的砂的可行方法是不夠的。干磨法不能從砂粒中清除所有的樹脂殘留物，并且回收的砂的再次粘合性能與用新型砂粘合性能相比是低下的。因此干磨法通常最多只能回收80％的被樹脂粘合的已用砂，所以必須對剩余部分進行處置。由于使用過的砂具有高含量的苯酚和強堿殘留物，所以與處置一些其他已用過的鑄造砂相比，該處置會有較多的問題和花費較高的成本。
另外一種常用的處理已使用過的鑄造砂的方法是熱回收法，在該方法中用過的砂被加熱到足夠高的溫度，以清除現在的所有粘合劑殘留物。在一種典型的熱回收方法中利用了回轉式設備，在該方法中整塊膠結的的或被壓碎的用過的砂被送入該設備。另一種熱回收方法是在流化床爐中進行熱處理，但被送入爐的用過的型砂首先要經過研磨工序將膠結塊粉碎成分散的顆粒。在GB-A-2244939中描述了一種利用流化床的熱回收方法。熱回收通常采用的溫度是400-800℃。
在實踐中，通過熱回收方法回收用堿性甲階酚醛樹脂粘合的鑄造砂仍存在一些問題，尤其是在流化床中進行熱處理時，因為用過的分散的型砂顆粒在此方法中會趨于再次膠結。因為在樹脂粘合劑中有明顯量的堿性化合物，所以使用過的型砂中含有鈉或鉀的化合物〔通常是鉀的化合物，因為已經發(fā)現在這些樹脂粘合劑中鉀比鈉更有利〕，因此可以相信在熱處理過程中這些在砂粒表面的堿性化合物將分解或熔融，從而導致砂粒熔合在一起。
在回轉式熱回收設備中，砂與砂之間可能有足夠的磨擦以防止分散砂粒之間發(fā)生的熔合。但是，雖然熔合粘合力相對很微弱，但在流化床回收設備中也很難被打破，從而砂粒的熔合形成的膠結塊將阻礙流化氣體維持有效的流化床。阻塞的結果，將最終導致設備的失效。
在熱回收處理之前可通過清洗和干燥來從用過的砂中去除堿性化合物。但是清洗處理和緊接的干燥工序將給回收方法增加相當大的成本，從而很不經濟。
為防止砂粒的熔合，建議在熱回收處理之前向用過的砂中摻入添加劑。WO 94/05448便披露了添加劑的應用，例如氫鹵酸，硫酸，硼酸或這些酸的銨鹽，例如氯化銨，它可以將含在經酯固化的酚醛樹脂粘合的用過的砂中的氫氧化鉀和其他鹽類轉換為一種熔點為550℃的鉀的化合物。WO 94/26439披露了一種粒度小于0.5mm的粘土的應用，例如高嶺土或蒙脫土，它可以與含于用過的砂中的可洗脫的堿性化合物發(fā)生反應。
但這些添加劑也具有缺點。它們自身，或其與堿性化合物發(fā)生化學反應產生的化合物，在回收處理后仍遺留在砂中，在用被回收的砂來制作模具或型芯時將會產生有害的影響。酸性添加劑還具有另外的缺點，就是它們會腐蝕回收設備的部件。
已經發(fā)現，如果在對用過的砂進行熱處理之前向砂中摻入一種碳水化合物，將改善對由堿性A階酚醛樹脂粘合的用過的鑄造砂的熱回收。
根據本發(fā)明，提供了一種對用于制作鑄造模具或型芯的、并由堿性A階酚醛樹脂粘合的用過的砂的熱回收方法，其特征在于在進行熱處理之前向用過的砂中加入一種碳水化合物。
熱回收處理可以在另外設備中完成，例如回轉式熱回收設備，但是最好在流化床回收設備中進行處理，并且在添加碳水化合物添加劑之前，型砂須經干磨來將用過的砂膠結塊或膠結團粉碎成分散的顆粒，并隨后進行篩分。流化床回收設備可以采用如GB-A-2244939中描述的那種設備。
因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，砂的熱回收方法包括以下步驟將已用于制作鑄造模具或型芯的、由堿性A階酚醛樹脂粘合的砂團研磨，從而將砂團粉碎成分散的砂粒；再篩分去除更細的砂粒；向該砂粒中加入一種碳水化合物，再將所述砂在流化床回收設備中進行熱處理。
在本發(fā)明的另一實施方案中，砂的熱回收方法包括以下步驟將已用于制作鑄造模具或型芯的、由堿性A階酚醛樹脂粘合的砂團研磨，從而將砂團粉碎成分散的砂粒；再篩分去除更細的砂粒；向該砂粒中加入一種碳水化合物，再將所述砂在回轉式回收設備中進行熱處理。
添加劑必須能夠在分散的砂粒之間形成界面，并防止砂粒在熱處理時熔合粘結，并且添加劑還必須能夠通過熱處理從砂粒中清除，且不產生有害的分解物，也不遺留任何影響該砂在鑄造中再次使用性能的殘留物。
在本發(fā)明的術語中，碳水化合物不僅僅指碳水化合物本身，還包括碳水化合物的衍生物。
碳水化合物最好是水溶性碳水化合物，因為添加到砂中的碳水化合物最好是一種溶液，從而使得碳水化合物可以充分分散到砂堆中。碳水化合物可以是單糖類，例如葡萄糖、甘露糖、半乳糖、或果糖；或者是二糖類，例如蔗糖，麥芽糖或乳糖。碳水化合物也可以是一種如多元醇的衍生物。適合的多元醇包括乙二醇，它可以認為是最簡單的單糖類羥乙醛〔CH2OH.CHO〕的衍生物；丙三醇，它是單糖類羥乙醛〔CH2OH.CHOH.CHO〕的衍生物；季戊四醇，它是丁醛糖的衍生物；五元醇，例如木糖醇，它是戊醛糖木糖的衍生物；和六元醇，例如甘露糖醇，它是已醛糖甘露糖的衍生物，或山梨糖，它是已醛糖類葡萄糖和古洛糖二者之一的衍生物。碳水化合物也可以是一種如糖酸的衍生物，例如葡糖酸。多糖類或其衍生物也可以使用。適合的多糖類衍生物的例子是淀粉水解物，即葡萄糖漿或精。但是有一些多糖和多糖衍生物不太適合，例如淀粉，纖維素醚，羧甲酸纖維素鈉，因為它們不容易溶于水并會導致水的粘度升高，從而使得它們較難在砂中分散。一種如糖漿的不純的碳水化合物也可以使用。
碳水化合物添加劑的使用量以用過的砂的重量計通常為0.25％至5.0％(重量)，并根據樹脂殘留物以及由此可能存在的有機物質和堿性化合物的量而變化。對于一種特定鑄造車間的砂的最佳需要量可以通過預先的測試得出，例如測試待熱回收的砂中的燒失量和可洗脫鉀的含量。
根據本發(fā)明在砂的熱回收方法中采用碳水化合物添加劑會帶來許多好處。
碳水化合物添加劑防止了砂粒之間的熔合，尤其是在流化床設備中進行熱處理時特別有利。由于添加劑是有機物質，所以在熱處理過程中將會完全燃燒，并且不會遺留任何所不希望的會在回收砂再次使用時影響其粘合性能的殘留物。碳水化合物添加劑最好是可溶于水的，以便可以象水溶液那樣很容易地在砂中分散，并且添加到砂中的添加劑量可以用簡單的泵計量設備來精確控制。該添加劑是無害的并且不會腐蝕熱回收設備中的金屬部件。
下面的例子將用來說明本發(fā)明例1先將10噸用酯固化的含鉀堿性A階酚醛樹脂粘合的用過的鋼砂在一個干磨設備中進行處理，把膠結團或膠結塊粉碎成砂粒。再向砂中加入按砂重量計為1.5％(重量)的濃度為65％(重量/重量)的蔗糖溶液，并充分擴散，而后，采用GB-A-2244939中描述的那種流化床熱回收設備，在700℃條件下進行處理。在熱回收過程中沒有發(fā)生砂粒熔合粘結現象。在熱處理之前和之后對由燒失量顯示的有機物質含量和可洗脫鉀的含量進行測量，并將結果記錄在下表1中
表1
燒失量的值是通過在對10-20克的樣品砂在1000℃的燃燒爐中加熱1小時之前和之后進行稱重而得出，用兩次稱重的差值占加熱前樣品的百分數表示。
室溫下砂中可洗脫鉀的含量是通過采用使用鉀濾光鏡的Jenway火焰光度計，并將樣品的儀器讀數與已知標準的儀器讀數相比較而得出。
例22噸與例1中所用類似的砂，但是來自鋁制品鑄造車間，如同例1中描述的那樣在溫度大約為660℃的床溫度下進行回收。在熱回收之前將按砂重量計為1.5％(重量)的濃度為65％(重量/重量)的蔗糖溶液分散到砂中。在熱回收過程中發(fā)生了一些砂粒的熔合粘結，然后用2.0％的蔗糖溶液代替1.5％的蔗糖溶液重復所述實驗。沒有砂粒的熔合粘結發(fā)生。在熱處理之前和之后對其燒失量和可洗脫鉀的含量進行測量，并將結果記錄于下表2中表2
比較表1和表2可以看出，鋁制品鑄造砂中含有較高的有機物質和鉀的含量，這就是為什么在對鋁制品鑄造砂進行成功回收時需要添加更多的碳水化合物的原因。
例3將一些在例1中熱回收的砂用按砂重量計為1.3％(重量)的、從Foseco買到的FENOTEC〔商標〕FX含鉀堿性A階酚醛樹脂水溶液進行重新粘合，并用按樹脂重量計為20％(重量)的三醋精作為固化劑。在將砂，樹脂和固化劑混合后立即將它們制成標準的50mm×50mm圓柱狀AFS實驗型芯，并在不同的時間間隔后測定型芯的抗壓強度。為了進行比較，用純Windsor Rose硅砂，即一種極細密的AFS數為50的新采集的砂進行重復實驗。測定出的抗壓強度表示在下表3中表3
例4在本發(fā)明的砂的熱回收方法中，對下表4中列出的一系列碳水化合物添加劑水溶液進行測試。
表4
將曾以酯固化的含鉀堿性A階酚醛樹脂粘合的、并曾用于制作成鑄造型芯、并且已經澆鑄過鋼水的砂，在干磨設備中進行處理，將砂團粉碎成砂粒，然后通過篩分去除細砂粒。用移動式連續(xù)混合器將一噸經過上述處理的砂與按表5中所示量的添加劑混合。然后在一種理查德氣體燃燒熱回收設備〔Richards Gas Fired Thermal Reclaimer〕中對該砂進行熱回收。
所述砂經連接到旋轉的螺旋進料器上的小型漏斗送入回收爐的流化床中。在每次實驗中調節(jié)螺旋進料器的旋轉速度以使得進入速度保持在每小時大約250公斤，而流化床的溫度保持在600℃左右。在進料過程結束時，一般是4小時，熱回收的砂在離開回收設備的冷卻分粒器的同時被收集起來。并將在30至40分鐘里收集的25公斤樣品砂作為鑄造砂再次使用。取1公斤在熱回收處理之前和之后的樣品砂采用例1中所述的方式對燒失量和鉀的含量進行測定。
測定的燒失量和鉀的含量表示在下表5中表5FS 1601
每一種經過熱回收的砂均用按砂重量計為1.5％(重量)的FENOTEC FX樹脂，以及按樹脂重量計為20％(重量)的固化劑進行重新粘合，固化劑由70％(重量)的三醋精和30％(重量)的丁間二醇雙乙酸酯組成。在將砂，樹脂和固化劑混合后立即制成截面為四方形的標準DIN抗彎測試型芯〔22.4×22.4×172.5mm〕，并且在不同的時間間隔后用GeorgFischer PFG全能型砂測試機進行抗彎強度測定。為了進行比較，再用相同量的粘合劑和固化劑，對僅經過干磨而機械回收的砂的樣品和新的Windsor Rose硅砂的樣品進行同樣的測試。測定的抗彎強度值記錄在下表6中〔單位kg/cm2〕
FS1601
在表6中1-MR表示經過機械法回收的砂；2-NEW表示新Windosor Rose硅砂(AFS Fineness No.50)；3-TR表示通過本發(fā)明的方法熱回收的砂。
例5來自德國鑄鐵車間的由Frechen F34略帶棱角的硅砂〔AFS FinenessNO.67〕組成并經2.4％(重量)的ECOLOTEC〔商標〕2541樹脂〔一種在歐洲專利NO.323096中描述的含有硼離子的堿性可溶性A階酚醛樹脂，在Foseco可以買到〕粘合又經穿過該型芯的二氧化碳氣體固化的用過的型芯砂，被機械干磨以粉碎膠結團并將其粉碎成砂粒。采用例1中所述的方式對樣品砂的燒失量和鉀的含量進行測定。然后，將按砂的重量計為2％(重量)的濃度為65％(重量)的蔗糖水溶液添加到砂中，再利用例4中所述的方式在大約600℃的溫度下對所述砂進行熱回收。接著用例1中所述的方法對熱回收的砂的燒失量和鉀的含量進行測定。
測定出的燒失量和鉀的含量記錄在下表7中表7
將所述被回收砂與新Frechen F34硅砂用相同量的相同樹脂粘合后進行性能比較。標準的DIN 22.5×22.5×172.5mm抗彎型棒用一個GF PRA砂沖在帶有二氧化碳吹氣裝置的PBK抗彎強度型芯制造箱中制成。用來固化樹脂的二氧化碳以每分鐘6升的速度和每平方英寸5磅的壓力下向型芯吹15或者30秒。然后如例4中描述的那樣，在吹氣15秒后，測定存放1個小時后、在環(huán)境條件下存放24小時后〔20℃，相對濕度45％〕、和在潮濕條件下存放24小時后〔15-20℃，相對濕度65％〕的型芯的抗彎強度。測定出的抗彎強度結果表示在下表8中〔單位kg/cm2〕。
表8
例6將本發(fā)明的熱回收方法應用于Brazilian鑄鋼車間的用過的Sibelco砂，在一個由轉爐〔直徑為1.22米，長度為7.92米〕和一個緊接其后的旋轉冷卻器〔直徑為0.76米，長度為6.10米〕組成的AMS鑄砂熱回收裝置中，以每小時產砂910公斤的生產率進行工作。轉爐分為兩個區(qū)域，第一區(qū)的溫度大約450℃，第二區(qū)的溫度大約700℃，并且砂在轉爐中的滯留時間大約45分鐘。所述砂已經用按砂重量計為1.8％(重量)的FENOTEC樹脂，一種含有鈉/鉀的堿性A階酚醛樹脂粘合，并用按樹脂重量計為20％(重量)的三醋精作為固化劑。在兩次獨立的實驗中，向砂中加入按砂重量計為1.5％的濃度為65％(重量)的蔗糖水溶液，并進行熱回收。仍采用例1中所述的方式在熱回收之前和之后對其燒失量和鉀的含量進行測定，并將得到的結果在下表9中表示
表9
將兩次實驗得到的熱回收砂與僅經過機械回收設備回收的同樣的砂，以及與新的Sibelco砂之間進行性能比較。每種砂均用按砂的重量計為1.3％(重量)的FENOTEC 810樹脂粘合，并用按樹脂重量計為20％(重量)的三醋精對樹脂進行固化。砂的溫度為25℃。將砂，樹脂和固化劑混合后立即將其制成具有2.54cm×2.54cm(1英寸×1英寸)中心剖面的標準AFS八字抗拉強度實驗塊，并在裝有拉伸型芯附件的Dietert萬能強度機上，在不同的時間間隔后對該型芯的抗拉強度進行測定。得到的結果轉換成kg/cm2后表示在下表10中表10
在上述實施例的結果中，燒失量的值在熱回收之后與之前進行比較，可以看出本發(fā)明的熱回收方法從砂中清除了所有，或者基本上所有的酚醛殘留物。同樣，通過對熱回收前后鉀含量值的比較，可以看出本發(fā)明的熱回收方法從砂中清除了所有，或者基本上所有含鉀的殘留物。
在所有的實施例中均沒有砂的燒結或熔合，從而不會有熱回收設備的阻塞或失效的危險例3至例6中的強度測試結果表明，用本發(fā)明的熱回收方法所產生的回收砂，在再次使用時的粘合性能至少可以與同類的新砂相媲美，并要明顯好于只經過機械回收的同類砂的粘合性能。
權利要求
1.一種對已經用于制作鑄造模具或型芯并經堿性A階酚醛樹脂粘合過的砂的熱回收方法，其特征在于在對砂進行熱處理之前向該用過的砂中加入一種碳水化合物。
2.按照權利要求1中所述的熱回收方法，其特征在于該方法由下述步驟組成將已經用于制作鑄造模具或型芯、并經堿性A階酚醛樹脂粘合過的砂團進行干磨，以便將砂團粉碎成分散的砂粒，再篩分去除其中的微粒；向砂粒中加入碳水化合物；然后，將砂在流化床回收設備上進行熱處理。
3.按照權利要求1中所述的熱回收方法，其特征在于該方法由下述步驟組成將已經用于制作鑄造模具或型芯、并經堿性A階酚醛樹脂粘合過的砂團進行干磨，以便將砂團粉碎成分散的砂粒，再篩分去除其中的微粒；向砂粒中加入碳水化合物；然后將砂在回轉式回收設備上進行熱處理。
4.按照權利要求1至3中之一所述的熱回收方法，其特征在于碳水化合物以水溶液的形式加入到砂中。
5.按照權利要求1至4中之一所述的熱回收方法，其特征在于所用的碳水化合物添加劑的量，按砂的重量計在0.25％(重量)至5.0％(重量)之間。
6.按照權利要求1至5中之一所述的熱回收方法，其特征在于所述碳水化合物是單糖類、二糖類或多糖類。
7.按照權利要求6所述的熱回收方法，其特征在于碳水化合物是葡萄糖、甘露糖、半乳糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖或淀粉。
8.按照權利要求1至5中之一所述的熱回收方法，其特征在于碳水化合物是一種碳水化合物的衍生物。
9.按照權利要求8所述的熱回收方法，其特征在于所述碳水化合物的衍生物是多元醇。
10.按照權利要求9所述的熱回收方法，其特征在于所述多元醇是乙二醇、丙三醇、季戊四醇、木糖醇、甘露糖醇或山梨糖醇。
11.按照權利要求8所述的熱回收方法，其特征在于所述碳水化合物的衍生物是糖酸或淀粉水解物。
12.按照權利要求11所述的熱回收方法，其特征在于所述糖酸是葡糖酸。
13.按照權利要求11所述的熱回收方法，其特征在于所述淀粉水解物是葡萄糖漿或糊精。
14.按照權利要求8所述的熱回收方法，其特征在于所述碳水化合物的衍生物是纖維素醚或羧甲酸纖維素鈉。
全文摘要
本發(fā)明涉及在對已用于制作模具或型芯的、由一種堿性A階酚醛樹脂粘合過的砂熱回收處理之前,向砂中加入一種碳水化合物。而熱回收可以在其他設備中進行,例如一種回轉式回收設備,但最好是在一種流化床回收設備中進行。該碳水化合物最好是水可溶的,以便能夠象水溶液一樣加入到用過的砂中。該碳水化合物可以例如是單糖類,例如葡萄糖、甘露糖、半乳糖或果糖;或者是二糖類,例如蔗糖,麥芽糖或乳糖。該碳水化合物也可以是一種碳水化合物的衍生物如多元醇(例如乙二醇、丙三醇、季戊四醇、木糖醇、甘露糖醇或山梨糖醇);糖酸(例如葡糖酸);或多糖衍生物(例如淀粉水解物,即葡萄糖漿或糖漿)。在回收方法中所用的碳水化合物的量按砂重量計通常為0.25%(重量)至5.0%(重量)的范圍內。
文檔編號B22C5/00GK1244824SQ9718140
公開日2000年2月16日 申請日期1997年10月29日 優(yōu)先權日1996年11月22日
發(fā)明者S·P·瓦德, R·辛普森 申請人:福塞科國際有限公司