PRAKTYCZNE ASPEKTY PROCESU REGENERACJI PIASKÓW Z ZUŻYTYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH

Transkrypt

1 26/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN PRAKTYCZNE ASPEKTY PROCESU REGENERACJI PIASKÓW Z ZUŻYTYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH F. PEZARSKI 1, Z. MANIOWSKI 2, I. IZDEBSKA-SZANDA 3 E.SMOLUCHOWSKA 4 Instytut Odlewnictwa Kraków ul. Zakopiańska 73 M. MŁYŃSKI 5 Metalodlew S.A Kraków ul. Ujastek 1 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono doświadczenia Instytutu Odlewnictwa w zakresie regeneracji piasków ze zużytych mas formierskich i rdzeniowych. Przedstawiono metody regeneracji piasków. Opisano działanie wybranych urządzeń oraz linii do regeneracji piasków zastosowanych w kraju i zagranicą. Przedstawiono wyniki badań produktów regeneracji oraz kierunki ich wykorzystania w odlewni i poza odlewnią. Omówiono ekonomikę procesu regeneracji piasków. Nakreślono problemy z wyko - rzystaniem zużytych materiałów poformierskich poza odlewnią. Key words: waste foundry sands, reuse of waste foundry sands,reclamation, bricks. 1. WSTĘP W Polsce rocznie powstaje około ton zużytych odwałowych mas formierskich i rdzeniowych. Dominujący udział w masach formierskich mają masy bentonitowe, mniejszy masy ze spoiwami nieorganicznymi i organicznymi. Wywożenie odpadów na wysypiska natrafia na coraz większe utrudnienia związane z zaostrzeniami przepisów ochrony środowiska. Producenci odlewów są zobowiązani do zagospodarowania powstających odpadów produkcyjnych. Dlatego dąży się do minimalizacji ilości odpadów, ich regeneracji i recyklingu wewnątrz odlewni a także 1 mgr inż., fpez@iod.krakow.pl 2 mgr inż., zman@iod.krakow.pl 3 mgr inż., irsza@iod.krakow.pl 4 mgr inż., esmol@iod.krakow.pl 5 mgr inż., mmlynski@metalodlew.com.pl

2 172 poza odlewnią. Podstawowymi metodami regeneracji są: metoda sucha, termiczna i mokra. Oprócz tych podstawowych metod regeneracji istnieją metody chemiczne, a także kombinowane, będące połączeniem metod podstawowych. 2. DOŚWIADCZENIA INSTYTUTU ODLEWNICTWA W ZAKRESIE REGENERACJI PIASKÓW Instytut Odlewnictwa już od lat 50 tych prowadzi prace badawczo rozwojowe w zakresie regeneracji piasków kwarcowych wg metody suchej mechanicznej, neumatycznej i termicznej. Początkowo przy budowie linii regeneracji wykorzystywane były urządzenia konstruowane dla innych dziedzin gospodarki. W latach 70 tych zaczęto konstruować urządzenia specjalnie przeznaczone do procesów regeneracji piasków. Przy współpracy z Biurami Projektowymi opracowano i wdrożono do eksploatacji takie specjalistyczne urządzenia jak regenerator talerzowy RTL-10 do regeneracji mechanicznej, regenerator termiczny RTP-4, chłodziarka SML 10, kruszarki wibracyjne typu AKJ o wydajności nominalnej 1 i 10 t/h, regenerator wibracyjno fluidyzacyjny o wydajności 6-8 t/h. W 1997r. Instytut Odlewnictwa w Krakowie w ramach projektu celowego KBN, którego wykonawcą był Metalodlew S.A. Kraków, opracował i wdrożył do eksploatacji prototypową linię do regeneracji piasków wg metody wibracyjno - mechanicznej o wydajności 10 t / h. Linię tą wdrożono do regeneracji mas zużytych samoutwardzalnych ze szkłem wodnym floster w Odlewni nr t ,5 t ,5 t t Rys.1. Ilość wyprodukowanego regeneratu za lata Fig. 1. Reclamation sand amount produced in years

3 173 Do budowy linii zastosowano w całości urządzenia polskiej konstrukcji takie jak kruszarka wibracyjna i chłodziarka szczelinowa, regenerator talerzowy oraz filtry pulsacyjne tkaninowe. Moc zainstalowanych urządzeń wynosi 76 kw. Przy regeneracji piasków z masy floster odzyskuje się średnio 95% piasku zregenerowanego, który w całości jest wykorzystywany w odlewniach nr 1 i 2 w Metalodlew S.A. Ilość ton wyprodukowanego regeneratu za lata pokazano na rys. 1 Na zakup, wykonanie i montaż urządzeń i instalacji oraz na wykonanie adaptacji budowlano-montażowych i prac badawczo-rozwojowych Metalodlew S.A. poniósł nakłady zł. Ogółem łączne koszty eksploatacji (K E ) linii regeneracji za 2000 r. wyniosły zł (koszty amortyzacji, inwestycji, zużycia energii, koszty napraw i obsługi stanowiska). Łączne koszty wytworzenia 1 t. regeneratu w 2000 r. wyniosły 14,7 zł/mg. Efekty ekonomiczne (E) uzyskane przez Metalodlew S.A. wynikające z odzysku i zastosowania piasku zregenerowanego ze zużytej masy formierskiej i rdzeniowej za 2000 r. wyniosły zł. Łączny efekt ekonomiczny (E-K E ) za 2000 r. wyniósł zł/r. Wskaźnik efektywności inwestycji (W E ) w 2000 r. wynosi W E = K E /E = 0,18 Obecnie w wyniku optymalizacji procesu regeneracji i zastosowaniu nowego rodzaju szkła wodnego uzyskuje się regenerat o zawartości Na 2 0 w ilości 0,04 0,05% (początkowo 0,08 0,09%). Ostatnie badania laboratoryjne wykazują, że przy zastosowaniu nawet 100% regeneratu uzyskuje się wytrzymałości na ściskanie mas po 25h podobne jak na piasku świeżym. Uzyskuje się następujące właściwości wytrzymałości mas na zginanie: 100% piasek świeży, 2,5% szkło wodne. 0,3% flodur po 1h -, po 3h 0,95 MPa, po 24h 2,53 MPa Skład masy: 100% regenerat, 2,5% szkło wodne., 0,3% flodur po 1h 0,26 MPa, po 3h 1,07 MPa, po 24h 3,28 MPa Po zapoznaniu się z działaniem linii i efektami regeneracji w Metalodlew Czeska firma SAND TEAM zakupiła od Instytutu Odlewnictwa licencję i opraco - wała, wybudowała i przekazała do eksploatacji przemysłowej linię do regeneracji piasków ze zużytych mas samoutwardzalnych w Odlewni Všetin w Republice Czeskiej. Początkowo regenerowano tu masy Alphaset, a od 2002 roku masy furanowe. Na rysunku 2 przedstawiono schemat technologiczny nowej linii regeneracji piasków ze zużytych mas w Odlewni Všetin. Wybita masa, po rozdrobnieniu na kracie wstrząsowej /1/ gromadzona jest w zbiorniku wyrównawczym /2/. Ze zbiornika masa transportowana i dozowana jest podajnikiem wibracyjnym /3/ do zasypu podajnika kubełkowego /5/, którym dostarczana jest do kruszarki wibracyjnej /6/. Nad podajnikiem wibracyjnym /3/ zamontowany jest oddzielacz elektromagnetyczny /4/. W kru - szarce zachodzą procesy rozdrabniania zbryleń masy oraz częściowej regeneracji piasku (wibracyjne ocieranie w całej objętości zbiornika roboczego kruszarki). Masa, znajdująca się w zbiorniku roboczym kruszarki, na skutek wibracji, ulega rozkruszeniu do pojedynczych ziaren. Rozdrobniona i wstępnie zregenerowana masa kierowana jest do chłodziarki szczelinowej /7/, gdzie za pomocą obrotowego talerza rozprowadzana

4 174 jest równomiernie po obwodzie i spada po specjalnie ukształtowanych zsypach między którymi w szczelinach w przeciwprądzie powietrza nadmuchowego ulega schłodzeniu i separacji pyłu od ziarn regeneratu. Z chłodziarki schłodzona i odpylona wstępnie zregenerowana masa kierowana jest do regeneratora talerzowego /8/, gdzie przebiega proces właściwej regeneracji mechanicznej. W regeneratorze talerzowym, pod działaniem łopatek, ocierania talerzy, uderzenia i ocierania o pobocznicę wykładziny bocznej, następuje dalsze rozbicie otoczki spoiwa i jego otarcie z osnowy piasku. Proces regeneracji w regeneratorze prowadzony jest kolejno na czterech talerzach. Z regeneratora piasek zregenerowany kierowany jest podajnikiem kubełkowym /9/ do odpylacza kaskadowego /10/ a następnie spada do zbiornika piasku zregenerowanego /11/ skąd może być podawany do stanowisk sporządzania masy transportem pneumatycznym /12/. Poszczególne urządzenia technologiczne i transportowe linii regeneracji podłączone są do instalacji odpylania suchego. LICENCJA INSTYTUT ODLEWNICTWA Kraków Rys. 2. Fig. 2. Schemat technologiczny linii regeneracji. Schematic outlay of reclamation line W odlewni produkuje się między innymi odlewy żeliwne korpusów silników elektrycznych o wadze od 80 do 180 kg. Linia regeneracji pracuje przy wydajności 8 10 t / h. W procesie regeneracji ze zużytej masy odzyskuje się ok. 97 % regeneratu, resztę stanowią pyły. Po uruchomieniu początkowo masy formierskie wg technologii Alphaset wykonywano przy udziale 100% regeneratu. W miarę trwania produkcji stopniowo zmniejszano ilość regeneratu w masie do 85 %. W czasie ciągłej produkcji stwierdzono, że zastosowanie (po kilkumiesięcznym obiegu regeneratu) 100% regeneratu pozwala na otrzymywanie dobrej jakości mas formierskich i odlewów. W 2002 roku w Odlewni Všetin w miejsce mas Alphaset wprowadzono masy furanowe wraz z procesem ich regeneracji na wyżej opisanej linii.

5 175 Jako spoiwo najczęściej stosuje się żywicę furanową KALTHARZ U 4004/1 firmy HÜTTENES ALBERTUS CZ. oraz aktywator 100 T3. W masach furanowych produkowane są odlewy z żeliwa o ciężarze od 70 do 350 kg o wymiarach do mmm. Do wykonywania mas formiersko rdzeniowych stosuje się: piasek zregenerowany - 95%, żywicę furanową - 0,70%, aktywator - 3,85% i świeży piasek - 3,85%. Uzyskuje się następujące własności wytrzymałości mas na zginanie: po 30 min 0,65 MPa, po 1h 1,30 MPa, po 2h 1,60 MPa, po 4h 1,70 MPa, po 24h 1,75 MPa. Piasek zregenerowany charakteryzuje się: stratami prażenia w granicach 1,9% -:-2,5%, zawartością lepiszcza ok. 0,04%, średnią wielkością ziarna d50 0,286 -:- 0, BADANIA WYKORZYS TANIA ODPADOWYCH MAS FORMIERS KO-RDZENIOWYCH W PRODUKCJI CEGŁY Zastosowanie procesu regeneracji piasków zmniejsza ilość odpadów poformierskich, jednak nie eliminuje ich w całości. Produktami odpadowymi przy regeneracji są pyły, które zawierają zwiększone stężenie szkodliwych substancji. W Instytucie Odlewnictwa w Krakowie podjęto badania, których celem była możliwość wykorzystania odpadu zużytej masy formiersko-rdzeniowej, jako surowca w produkcji cegieł (dla warunków jednej z krajowych cegielni). W rozpatrywanej cegielni, ilość dodatku schudzającego (piasku) dodawanego do gliny waha się w granicach 10 15%, a wilgotność masy ceramicznej wymagana technologią wynosi 21-24%. Do produkcji cegły dodaje się także kilka procent pyłów przemysłowych, które ułatwiają proces produkcji i wpływają na poprawę jakości cegły. W ramach prób laboratoryjnych w Instytucie Odlewnictwa przeprowadzono próby wykonywania cegieł palonych w postaci kształtek walcowych 50 o wysokości h=50 mm. W tym celu zorganizowano stanowisko laboratoryjne wykonywania kształtek z masy ceramicznej wyposażone w ślimakowe urządzenie mieszające, prasę ręczną do wykonywania kształtek walcowych o max. nacisku 2,5 MPa, suszarkę i piec z regulowanym przyrostem temperatury wypalania. Próbne masy ceramiczne wykonywane w skali laboratoryjnej składały się z gliny i dodatku piasku świeżego w ilości 20 i 30% oraz z gliny i dodatku przerobionej odpadowej masy formiersko-rdzeniowej w ilości 20% i 30%. Z gotowej masy ceramicznej formowano kształtki walcowe 50. Kształtki najpierw suszono w temperaturze pokojowej przez 48 godzin, po czym w suszarce laboratoryjnej w temperaturze o C przez 8 godzin. Następnie wypalano je w piecu w zakresie temperatur od C, stosując przyrost temperatury C na godzinę. Wystudzone kształtki przecinano i na podstawie obserwacji stopnia przepalenia kształtki na przekroju ustalono temperaturę wypalania wyrobu na C, która w przybliżeniu odpowiadała temperaturze wypalania stosowanej w cegielni. W wyższych temperaturach wypalania stwierdzono przepalenie i stapianie masy ceramicznej.

6 176 Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że masa ceramiczna wykonana z 20% i 30% udziałem przerobionej odpadowej masy formiersko-rdzeniowej pozwala na uzyskanie właściwości fizycznych i technologicznych kształtek wypalonych porównywalnych z właściwościami masy ceramicznej sporządzonej z takim samym udziałem świeżego piasku. Uzyskana wytrzymałość na ściskanie kształtek z masy ceramicznej interpretowana zgodnie z normami PN-B-12016, PN-B świadczy, że stosując 20% i 30% dodatek odpadowej masy formiersko-rdzeniowej można uzyskać wyrób ceramiczny cegłę zwykłą (Z), pełną ( P), klasy 20 (Rc = 24,7 MPa) i klasy 25 (Rc= 30,9 MPa). LITERATURA [1] F. Pezarski i inni: Pomoc autorska przy rozruchu i wdrożeniu do eksploatacji prototypowej linii regeneracji mas ze szkłem wodnym wg metody wibracyjno-mechanicznej, Praca I.O. zlec. 5702/97 dla METALODLEW Kraków. [2] F. Pezarski i inni: Sprawozdanie Instytutu Odlewnictwa z wykonania projektu celowego nr C/2408, maj 1997 r. [3] J. Mezulanik Regenerowalność zużytych mas z technologii AlpHaset. Międzynarodowa Konferencja Milowy [4] E. Smoluchowska i inni: Próby utylizacji odpadowych mas formierskich w produkcji cegieł. Praca statutowa Zlec. 1007/00. [5] F. Pezarski i inni: Opracowanie i wdrożenie technologii utylizacji zużytych materiałów formierskich. Projekt celowy NOT. Zlec [6] Patent RP Nr Sposób wytwarzania wyrobów ceramicznych. [7] Projekt EUREKA RECY SAND E! THE PRACTICAL ASPECTS OF THE SAND RECLAMATION PROCESS FROM THE WASTE FOUNDRY SANDS SUMMARY In the article the Foundry Research Institute experience in reclamation of the waste foundry sands has been presented. The methods of reclamation, operation of chosen units and the reclamation lines, which work in Poland and abroad have been described. The authors presented results of the investigation of reclamation products and the trends of their use in foundries and other sectors of industry. An economy of reclamation process have been discussed. The problems with the reuse of the foundry waste sands in the other sectors of industry has been shown. Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Dańko.