Le sable de moulage est recyclé à l'intérieur de la fonderie : le même sable est nettoyé, refroidi, complété avec du sable neuf et du liant et moulé à nouveau de nombreuses fois, et seule la part qui s'use quitte l'usine, pour une décharge ou pour une réutilisation bénéfique dans la construction et les sols manufacturés. Chaque passage enrobe les grains de carbone brûlé, de liant résiduel et de poussière qui doit être éliminée avant que le sable ne retourne dans les moules.
Une fonderie a besoin d'environ une tonne de sable pour chaque tonne de pièces coulées en fonte ou en acier qu'elle produit, de sorte que le coût du sable neuf et de l'élimination pousse presque toutes les usines à le réutiliser. Les règles de l'UE fixent la référence à plus de 90% de réutilisation pour les fonderies de fonte et à plus de 80% pour les fonderies d'acier.
En 2007, environ 10 millions de tonnes de sable de fonderie usé ont quitté les fonderies américaines, et seulement 26% ont été valorisées ; la majeure partie du reste a été mise en décharge.
Étape 1 : Séparer le sable des pièces coulées au décochage
Au décochage, le moule est brisé sur une grille vibrante ou dans un tambour rotatif : le sable tombe à travers, les pièces coulées et les châssis restent au-dessus, et le sable est évacué pour être retraité.
Le sable excédentaire au-delà de ce dont la boucle a besoin est prélevé après le tamis de décochage ou depuis les silos de stockage et quitte l'usine comme sable usé.
Étape 2 : Éliminer les métaux parasites, les agglomérats de noyaux et les surdimensionnés
Les aimants interviennent en premier et retirent les bavures, les gouttes de coulée, les morceaux de jet et les grenaille.
Les agglomérats restants sont ensuite désagrégés et le sable est tamisé, de sorte que les agglomérats surdimensionnés et les débris sont rejetés et que seuls les grains dans la plage granulométrique spécifiée passent. Les agglomérats de sable vert doivent être brisés sans écraser les grains.
Les noyaux non durcis et les noyaux qui ne se sont pas brisés au décochage doivent être retirés avant que le sable ne retourne dans le circuit.
Une usine qui utilise des systèmes de liants incompatibles doit séparer leurs sables au décochage afin que chacun puisse être régénéré séparément.
Étape 3 : Refroidir le sable retourné
Le sable vert doit être refroidi à environ 40–45 °C (104–113 °F) avant d'être malaxé à nouveau, et le sable no-bake régénéré doit revenir dans la plage de travail du liant, 15–25 °C (59–77 °F) pour la plupart des systèmes à durcissement acide et uréthane.
Les refroidisseurs à lit fluidisé et par évaporation abaissent la température et éliminent simultanément les fines excédentaires.
Pour le sable lié chimiquement, la température est maintenue aussi constante que possible. Le document de référence de l'UE sur les meilleures techniques disponibles pour les fonderies donne une plage distincte pour chaque système de liant.
Étape 4 : Éliminer le liant usé des grains
Le sable vert ne nécessite qu'un reconditionnement, car son liant argileux est restauré par ajout d'eau et de bentonite, tandis que le sable lié chimiquement nécessite une régénération : un procédé mécanique, thermique ou humide qui élimine le liant résiduel de chaque grain.
Quand utiliser la régénération mécanique
La régénération mécanique est la voie standard pour sable résine à prise chimique, tels que le furanne et l'uréthane phénolique, et elle traite aussi le sable cold-box, hot-box et shell une fois que la coulée a rendu leur liant suffisamment cassant pour se détacher.
Le sable furanne no-bake revient d'un régénérateur mécanique à plus de 90% et entre dans la même ligne de moulage avec de petits ajouts de sable neuf. Le procédé ne nettoie pas complètement chaque grain, de sorte que le régénéré retourne principalement dans du sable avec le même liant dont il provient.
Quand utiliser la régénération thermique
La régénération thermique est utilisée sur le sable lié chimiquement, tel que le sable de noyaux cold-box et shell et le sable no-bake à résine, et sur le sable mélangé lorsque la part de sable de noyaux y est suffisamment élevée.
Le grain régénéré thermiquement ressort proche du sable neuf, et les usines allemandes régénérant du sable cold-box et furanne rapportent environ 95% de récupération, le sable retournant dans les noyaux et les moules.
La bentonite est calcinée à mort dans le four, de sorte qu'un flux contenant du sable vert nécessite un nettoyage mécanique efficace en parallèle pour éliminer l'argile. Les liants qui laissent des sels inorganiques sur le grain, tels que le phénolique alcalin et le silicate de sodium, peuvent fritter les grains, de sorte que la régénération thermique peut ne pas leur convenir.
Quand utiliser la régénération humide
La régénération humide n'est utilisée que sur le sable vert et le sable au silicate de sodium (durci au CO2 ou à l'ester), et peu de fonderies la choisissent.
La récupération n'atteint qu'environ deux tiers du sable, et chaque tonne nécessite de l'ordre de 2 000 gallons d'eau, qui doit être traitée avant d'être réutilisée ou rejetée.
En 1999, les fabricants d'équipements américains avaient cessé de construire des systèmes humides. La régénération humide convient à une usine de régénération centrale, car elle gère mieux le sable entrant variable que les unités mécaniques ou thermiques.
Étape 5 : Tamiser et classifier les grains
Le sable régénéré est tamisé pour éliminer les agglomérats restants et classifié pour éliminer les fines détachées par le régénérateur, afin que sa distribution granulométrique revienne à ce pour quoi les moules ont été configurés. La plupart des sables de moulage ont un indice de finesse de grain AFS de 50–60.
La régénération continue d'user les grains, de sorte que la finesse de grain du sable du système doit être mesurée et corrigée au fil du temps. Dans le sable vert, les usines maintiennent à un minimum les fines éliminées dans le refroidisseur, car ces fines portent de la bentonite qui peut être réactivée.
Étape 6 : Ajouter du sable neuf et du liant
Du liant frais est introduit dans le sable à chaque mélange, et du sable neuf remplace le sable perdu ou prélevé de la boucle, en une quantité qu'aucune norme ne fixe. Dans le moulage en sable vert sans noyaux, les usines européennes renouvellent en moyenne 2–5% du sable.
Les noyaux ajoutent du sable au système chaque fois qu'ils se désagrègent au décochage, et certaines fonderies de sable vert n'ajoutent aucun sable neuf au-delà de leur sable de noyaux. Le sable de noyaux n'est cependant pas un appoint gratuit. Lorsqu'une fonderie de fonte ductile a cessé d'ajouter du sable neuf et s'est appuyée sur son sable de noyaux, le sable de noyaux plus grossier a fait chuter la finesse de grain du système de 60 à 54 et rendu le sable plus friable.
Le sable vert reçoit de l'eau et de la bentonite ajoutées dans le malaxeur à chaque mélange. Le sable no-bake régénéré reçoit une charge fraîche de résine et de catalyseur, pour le furanne environ 0,9–2,0% de résine et 0,2–1% de catalyseur acide en poids de sable.
Étape 7 : Tester le sable régénéré avant qu'il ne retourne dans les moules
Le sable de résine régénéré est testé pour ce qui reste sur le grain et pour la granulométrie, selon des limites qui dépendent du système de liant et de la voie de régénération.
- Perte au feu (LOI): le poids brûlé à haute température, une mesure du liant et du carbone encore présents sur le grain. Dans un essai publié, le sable de résine régénéré thermiquement est resté sous une cible de 0,3% tirée de la directive allemande VDG pour le sable régénéré ; le sable régénéré mécaniquement a été jugé par rapport à une LOI admissible et à une granulométrie proche du sable neuf.
- Granulométrie et fines: l'indice de finesse de grain AFS et la teneur en fines, vérifiés par rapport au sable sur lequel le système a été construit.
- Valeur de demande en acide: pour le sable furanique et phénolique durci à l'acide, la quantité d'acide avec laquelle le sable lui-même réagit ; les usines fixent la limite par rapport à la plage donnée par leur fournisseur de liant.
- pH et conductivité: pour le sable phénolique alcalin.
- Soufre: pour le sable furanique durci à l'acide sulfonique, surtout lorsque les pièces coulées sont de la fonte ductile.
Le sable de système vert n'est ni accepté ni refusé sur la base de la LOI. Il est contrôlé par des essais quotidiens sur le sable préparé, avec la compactabilité et l'humidité comme contrôles principaux et la résistance à la compression verte, la perméabilité et l'argile au bleu de méthylène en complément.
Étape 8 : Envoyer le sable usé vers une réutilisation bénéfique
Le sable que la fonderie ne peut plus régénérer quitte l'usine en tant que sable de fonderie usé et va soit vers une décharge, soit, là où l'État l'autorise, vers une utilisation bénéfique. En 2002, 98% de sable de fonderie américain a été classé comme non dangereux, de sorte que l'élimination se fait normalement dans une décharge ordinaire pour déchets non dangereux.
À quoi peut servir le sable de fonderie usé
La majeure partie du sable de fonderie usé réutilisé va dans la construction : le remblai, l'asphalte et le béton ont représenté les plus gros tonnages dans l'enquête AFS de 2007, devant le sol manufacturé et la construction routière.
L'évaluation des risques de l'EPA de 2014 a évalué le sable siliceux provenant de fonderies de fer, d'acier et d'aluminium dans le sol manufacturé et a étendu la conclusion aux substrats de rempotage et à la sous-couche routière. L'asphalte, le béton et le remblai sont couverts par les programmes étatiques et les spécifications d'ingénierie.
En tant que granulat, le sable usé peut contenir suffisamment de résidus organiques, notamment du charbon de mer dans le sable vert, pour l'exclure du béton de ciment Portland, et certains sables usés sont trop fins pour les spécifications de granulats fins.
Quels sables usés sont admissibles
Le sable usé à base de silice provenant de fonderies de fer, d'acier et d'aluminium est le sable que les autorités de régulation acceptent pour la réutilisation ; le sable provenant de fonderies de laiton au plomb et de bronze est souvent réglementé comme déchet dangereux parce qu'il peut contenir du plomb, du cadmium et d'autres métaux lourds.
Selon le test de lixiviation fédéral TCLP, un sable dont l'extrait atteint 5,0 mg/L de plomb ou 1,0 mg/L de cadmium, ou toute autre limite listée, est un déchet dangereux et ne peut pas aller vers une utilisation bénéfique.
La catégorie supérieure de sable de fonderie réutilisable du Wisconsin inclut le sable de moulage et de noyau lié à la résine tant qu'il passe les limites de lixiviation de l'État, mais exclut le sable chimiquement lié non durci.
Les autres déchets de fonderie, tels que la poussière de dépoussiéreur, les scories, les noyaux brisés et les balayures de salle des noyaux, ne comptent pas comme sable de fonderie usé. Le sable mélangé avec eux sort du champ des conclusions de l'EPA.
Approbation et essais pour la réutilisation hors site
C'est l'État qui approuve la réutilisation hors site, pas l'EPA : la fonderie prouve d'abord que le sable est non dangereux, puis satisfait aux limites de lixiviation et de composition de l'État ainsi qu'à la spécification d'ingénierie pour l'usage prévu.
Dans l'examen de 18 États par l'EPA en 2002, chaque État exigeait une première caractérisation montrant que le sable est non dangereux, le plus souvent par TCLP, et cinq exigeaient également une analyse de la composition totale du sable. Les deux tests ne se substituent pas l'un à l'autre.
Ce que l'État accorde dépend de l'usage et de l'État :
- Exemption: le sable est exempté des règles sur les déchets pour l'usage listé et peut être réutilisé librement.
- Notification préalable: la fonderie notifie l'État avant la réutilisation, parfois avec un examen et une approbation.
- Permis général: un seul permis couvre un type de réutilisation pour tout demandeur qualifié.
- Approbation au cas par cas: une détermination pour un sable et un usage, comme le Minnesota l'a exigé pour le sable de fonderie.
Le Wisconsin exige à la fois une analyse globale et un test de lixiviation à l'eau ASTM D3987, et répète la caractérisation au moins tous les quatre ans ou plus tôt si le procédé change.
Avant l'expédition, le sable est criblé et passe devant des aimants pour éliminer les débris et le métal, et stocké en lots suffisamment grands pour produire un produit uniforme. L'utilisation d'un seul laboratoire reconnu et le respect de ses instructions d'échantillonnage garantissent la comparabilité des résultats d'un test à l'autre.