熔模铸造陶瓷壳型的再生与回用


回用熔模铸造的陶瓷壳型,特别是耐火涂料和砂粉,能减少原材料采购和废弃壳型处理的费用。有些公司出售他们用过的壳型,但这样做,唯一节省的是废弃物处理的费用。因此,重复使用该材料并将它作为原材料的替代品将会产生最大的经济效益。
在全球零排放或减少排放的规定越来越普遍的今天,对许多熔模铸件生产企业来说,使用过的陶瓷壳型是其最大的需要处理的废弃材料之一。消除或显著减少这种废弃物将有助于企业符合这些规定。
考虑到这些要求,科研人员对陶瓷壳型的回收和再利用进行了研究。这项正在进行中的研究项目由美国铸造协会支持,并且计划在未来开展更多的工作。
混合熔模铸造常用的使用过的石英和铝硅酸盐的陶瓷棒(6×3/4×3/8英寸[150x18x9 mm])。 测试在1400℉和2012℉(760℃和1100℃)时陶瓷棒的湿强度和高温强度。然后将所有加热的样本手动破碎,然后在球磨机中研磨。将研磨后材料的筛分尺寸分布与初始材料的筛分尺寸分布进行比较。然后,将再生材料再次混合并重新测试,将结果与初始混合材料进行比较。多进行几个循环,混合材料的数据将更有效。
铝硅酸盐在最高温度下成功回收,而用过的石英材料在任何温度下都不成功,仅在2012℉(760℃)的铝浇注温度下可以回收部分砂粉。
结论
第一次破碎尝试是直接将较大的部件(〜0.98 x 1.96 x 0.39 in [〜25 mm x 50 mm x 10 mm])进行球磨处理,但是没有成功。因此,在随后的破碎试验中,通过手动锤击将用过的陶瓷型壳破碎到最大尺寸约为0.3英寸(8毫米)。然后,进行了5个小时的球磨研磨。
为了进行比较,将未使用过的砂粉和耐火材料过筛。结果如图1所示。再生颗粒与未使用过颗粒混合物进行比较。在图2中,将一种回收混合物的分布与原始颗粒分布进行比较。将其中一种混合物球磨5小时,但每小时进行一次筛分分析以观察陶瓷的逐渐分解和陶瓷颗粒的潜在降解。这个实验的结果可以在图3中看到。陶瓷颗粒缓慢地粉碎并且未使用过的颗粒几乎没有粉碎。筛子细度为50,70和100目颗粒在初始材料中基本为零。这些筛中的颗粒主要是耐火涂料颗粒的降解物。
壳型材料的破碎可以通过粒度分布与未使用材料粒度分布比较的方式完成。但是,必须注意,因为可能会过度磨损颗粒。在图4中,大多数已经分解的批次追踪原始混合(粗黑线)。 这些批次用实线表示。 由虚线表示的批次被过度研磨并导致耐火颗粒的显著减少。这是因为碾磨过程是一个批处理过程,这些混合物在球磨机中的材料量较少。因此,虽然有可能从壳材料中回收再生颗粒,但在该过程中必须注意。
在研磨过程结束时,极少化合物的颗粒在耐火涂料尺寸范围内或更小。无论这是材料特性(即它容易分裂)还是具体的二次击穿过程(间歇球磨)的性质尚不清楚。
莫来石强度
每批的强度结果总结在表1中。这些批次已被分类为V-100%原砂粉和耐火涂料和多次再生的材料,其中回收量是可用材料的最大量。从几个批次可以看出,有必要加入未使用过的材料来完成混合。预计由于破碎过程中的损失,需要定期加入这些材料。
图5中,强度值按混合类型(未使用或再生)标准化。未使用的混合物被认定为标准。因此,再生的混合物与之进行比较。图中的数值表明再生混合料的平均湿强度下降了10%。高温强度大大提高了40%以上。可能的解释是研磨后砂粉中的细粉增加,这会降低粘合剂在湿强度中的作用,但为热强度提供更多的烧结点。
总之,60%氧化铝中的铝硅酸盐(莫来石)可能是可行的再生比例。这些颗粒、耐火涂料和砂粉在破碎过程中保持几何完整性,并且再生混合物具有与未使用材料相当或优异的性能。
与莫来石一样,使用过的型壳被加热到2012°F(1100℃)后锤击破碎。然后在球磨机中研磨,并且每小时记录逐步破碎的筛分尺寸。与未使用混合物的分布相比,耐火涂料颗粒未被保留(图6)。由于较大的颗粒(大于6mm网筛)被破坏,它们不会变成耐火颗粒的大小,而是看起来碎成较小的颗粒。基于此,按照相同的程序研磨一批初次使用的砂粒和耐火涂料以查看发生了何种破碎。图7中的结果显示,颗粒的破碎比图6中的破碎要慢得多。
得到这些结果后,生产样品并加热到铝浇注温度(1400°F / 760℃)以避免快速形成方石英的温度范围(高于1652°F / 900℃)。在此处理温度下,耐火涂料的粉碎也会发生,但不会像在较高的温度下那样积极地进行,但是如果重新引入该过程中,足以显著改变耐火涂料部分的粒度分布。
用过的硅砂强度
每批的强度结果总结在表2中。这些批次已经分为V-100%未使用硅砂和耐火涂料和多次再生到100%砂粉,以及RF50-回收50%砂粉。没有回收到耐火涂料是可能的。只有在给定温度下作业的材料才能用于相同温度下的回收混合物。
在任何砂粉回收比例下,2012℉(1100℃)混合物的高温强度显著下降。湿强度也呈下降趋势,但初始到50%再生率没有统计学差异,而再生率在50%到100%之间有统计学差异。随着再生的砂粉数量增加,结果变差。
如果在1400℉(760℃)下再生处理的材料,结果更具前景。生坯断裂模量保持稳定,再生量之间没有统计学差异。随着回收的砂粉含量增加,高温摩尔增加并随后下降。发生热力冲击的原因尚不清楚。50%的回用率与100%回用率的配方没有统计学差异。然而,100%未使用和100%再生之间的高温强度有统计学差异。这些结果比2012℉(1100℃)要好得多。
综上所述,用过的硅砂系统具有有限的回收潜力。首先,耐火涂料不可回收,并且在钢或铜基处理温度下,砂粉不可回收。在铝浇注温度下,有可能在有限的基础上回收砂粉。
适用于规模再生的工业设备
在这项研究中,对几种设备进行了调研并与设备的供应商进行了交流,以确定适合进行熔模铸造的再生设备。一般来说,大多数供应商会通过将壳体材料粉碎至约1/2英寸(12mm)的颗粒,然后通过自磨或介质如磨球进行研磨。为了尽量减少残留铁屑的污染,提到了两种方法。首先是使用陶瓷衬里和研磨介质,使用磁选去除铁屑。对于使用水洗的铸造厂来说,有一些重要的考虑因素,因为水洗后的砂粉是湿的并且尺寸较小,对于这种应用,砂粉需要干燥,但可能不需要预粉碎步骤。对于通过筛尺寸分离,通常机械筛将用于耐火材料尺寸。对于砂粉,建议使用机械筛和空气分离器。多家公司拥有破碎、铣削和按尺寸分离的经验。
可选的另一种方法是使用声能将陶瓷型壳粉碎成颗粒。在这个系统中,可以在去壳之前将铸造树放入工作釜中并施加声能,在此过程中振荡铸件分离陶瓷型壳,并破碎陶瓷型壳到晶粒大小。 这也可能有助于去除芯子。只有一家供应商能够提供这种技术,并且需要进行测试。
通过照片控制耐火材料和砂粉质量
未使用的和再生的耐火材料和砂粉按筛分大小分开并拍照,目的是制定质量控制的参考标准。 然后这些标准可以与10X到100X袖珍显微镜的视觉检查一起使用。图像采集不成功,因为所获图像的质量太差而无法采用此功能。然而,通过改变焦点可以用光学显微镜评估灰分中的颗粒表面和形状,但是由于景深不能被有效地拍摄。因此,为了达到质量控制的目的,可以将参考样品作为比对的标准。 ■
本文基于2017年美国铸造大会上发表的第17-104号论文。