J. ŁUKASIK 1 PT DOTECH Sp. z o.o. Kraków

Transkrypt

1 20/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN MOŻLIWOŚĆ ZMNIEJSZENIA SZKODLIWEGO ODDZIAŁYWANIA ODLEWNI NA ŚRODOWISKO POPRZEZ ZASTOSOWANIE MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH WYKONANYCH Z WŁÓKNA SUPERWOOL 607 HT. J. ŁUKASIK 1 PT DOTECH Sp. z o.o. Kraków STRESZCZENIE W odlewnictwie metali stosuje się wiele rodzajów materiałów wykonanych z ceramicznych włókien ogniotrwałych. Należą do nich: maty igłowane, włókno luzem, płyty izolacyjne, moduły, kształtki formowane próżniowo i zaprawy. Stosowane są zarówno bezpośrednio w procesie odlewania, jak również do budowy urządzeń do obróbki cieplnej. Materiał o nazwie Superwool 607 HT powstał w wyniku poszukiwań bezpiecznej alternatywy dla ceramicznych włókien ogniotrwałych dołączonych w roku 1997 przez Komisje Europejską do listy substancji niebezpiecznych (szkodliwych). Podjęto intensywne działania i już w roku 2001 rozpoczęto wdrażanie nowego materiału w przemysłowej eksploatacji. Jego podstawowy skład chemiczny, to: SiO %, CaO+MgO 18-25%. Szczegółowe wyniki badań opracowane i załączone w formie tabel i wykresów porównawczych potwierdzają, że otrzymane włókno może zastąpić wysokotemperaturowe włókno ceramiczne. Ma ono porównywalne, a w niektórych przypadkach lepsze własności eksploatacyjne np. niski skurcz liniowy, oraz niską biotrwałość która pozwala na spełnienie coraz surowszych przepisów BHP i ochrony środowiska kontrolujących użycie ceramicznych włókien ogniotrwałych. 1. WSTĘP Włókniste materiały izolacyjne mają szerokie zastosowanie w odlewnictwie. Stanowią dobry materiał na wyłożenie pieców do obróbki cieplnej [3]. Stosowane są również jako izolacja warstwy roboczej kadzi i pieców do topienia metalu. Bardzo 1 mgr inż.

2 164 często występują jako podstawowy składnik nadstawek izolacyjnych do nadlewów. Z wykorzystaniem tych materiałów wiąże się problem ich oddziaływania na środowisko w czasie montażu i eksploatacji, jak również sposób postępowania z materiałem zużytym. Celem opracowania jest wskazanie, na przykładzie materiałów izolacyjnych, jak można oddziaływać na środowisko stosując bezpieczne dla otoczenia materiały i surowce. 2. CHARAKTERYSTYKA WŁÓKIEN OGNIOTRWAŁYCH Materiały izolacyjne na bazie włókien znane i produkowane były już w połowie ubiegłego wieku. Do lat siedemdziesiątych w przemyśle używano ich w stosunkowo niskim zakresie temperatur, do ok. 500 o C. Podstawowym składnikiem tych materiałów były włókna mineralne otrzymywane z bazaltów, diabazów, gabro i innych naturalnych surowców skalnych, a także z różnego rodzaju żużli przemysłowych. Odpowiednio przygotowany wsad roztapiano najczęściej w piecu szybowym, podobnym do żeliwiaka, a następnie w temperaturze ok o C rozwłókniano strumieniem sprężonego powietrza lub pary. W latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku, w okresie kryzysu paliwowego zaczęto zwracać szczególną uwagę na możliwości obniżenia zużycia energii w procesach wysokotemperaturowych. W tym celu sięgnięto po włókna ceramiczne. Były to ogniotrwałe włókna glinokrzemianowe, o strukturze amorficznej, otrzymywane z czystych tlenków, topionych w piecach elektrycznych o specjalnej konstrukcji i rozwłóknianych sprężonym powietrzem, lub mechanicznie na wirujących dyskach. Zawartość poszczególnych składników przedstawiono w tabeli 1 [1]. Temperatura w której w sposób ciągły mogły pracować materiały izolacyjne wzrosła do 1260 o C, a po wprowadzeniu tlenków chromu i cyrkonu nawet do 1400 o C. Odrębny rodzaj to ogniotrwałe włókna korundowe o wysokiej zawartości Al 2 O 3, budowie krystalicznej, otrzymywane z wodnych roztworów organicznych i nieorganicznych tlenków glinu (tab. 1) [1]. Włókna tego rodzaju mogą być stosowane do temperatury 1600 o C. Równolegle z rozwojem produkcji i udoskonalaniem włókien ceramicznych na bazie glinokrzemianów opracowano technologię i w roku 1992 uruchomiono produkcję ogniotrwałych alkalicznych włókien krzemianowych na bazie tlenków krzemu, wapnia i magnezu, nadając im nazwę Superwool 607 (tab. 1) [2]. Temperatura klasyfikacyjna 1100 o C, podwyższona do 1200 o C nie pozwalała jednak na pełne zastąpienie włókien glinokrzemianowych. Podejmowane przez różnych producentów próby z włóknami magnezowo krzemowymi nie dały również lepszych rezultatów. Dopiero w roku 2005 uruchomiono produkcję udoskonalonych alkalicznych włókien krzemianowych o temperaturze klasyfikacyjnej 1300 o C i nazwano je Superwool 607 HT w skrócie SW 607 HT. Charakteryzują się one doskonałymi parametrami użytkowymi takimi, jak niski skurcz liniowy, wysoka temperatura ciągłego stosowania, odporność na szoki termiczne, dobre własności mechaniczne.

3 165 Tabela 1. Charakterystyka włókien ogniotrwałych Table 1. Refractory fibre characteristic Skład chemiczny poszczególnych rodzajów włókien, % Temperatura Krzemianowo klasyfikacyjna Glinokrzemianowe Korundowe magnezowe SW 607 SW 607 HT 1260 o C 1430 o C 1600 o C 1180 o C 1100 o C 1300 o C Al 2 O , < 0,3 - SiO ZrO MgO+CaO 0,5 0, MgO Inne < 0,5 < 0,5 - < 5 - < 3 3. BEZPIECZEŃSTWO STOSOWANIA WŁÓKIEN OGNIOTRWAŁYCH Opisany powyżej postęp w technologii wytwarzania włókien ogniotrwałych, oraz coraz większy zakres stosowania wywołał zainteresowanie skutkami ich oddziaływania na ludzi i na środowisko. W efekcie podjętych działań, w roku 1997 Komisja Europejska poprzez Dyrektywę 67/548/EEC dołączyła produkowane włókna wysokotemperaturowe do listy substancji niebezpiecznych. Przyjęte kryteria przyporządkowują ogniotrwałe włókna ceramiczne oznaczane symbolem RCF do kategorii 2 klasyfikacji substancji rakotwórczych, tj. substancji, które powinny być uważane za rakotwórcze dla człowieka. Pozostałe włókna, w większości zostały zaliczone do 3 kategorii klasyfikacji, tj. substancji, które mogą powodować nowotwory u człowieka. Ta sama Dyrektywa w notach Q i R wyłączyła wyroby na bazie alkalicznych włókien krzemianowych z tej klasyfikacji. Decydowała o tym przede wszystkim sumaryczna zawartość pierwiastków alkalicznych, przekraczająca 18% i charakterystyczna cecha tego materiału określana jako niska bio-trwałość. Wywołało to wspomniany wyżej dalszy rozwój technologii produkcji włókien Superwool, tak aby mogły one w większości zastosowań zastąpić włókna ceramiczne. Efekt został osiągnięty, z dobrym skutkiem dopiero w roku Po wielu latach badań zostały wyprodukowane na skalę przemysłową wspomniane wyżej alkaliczne włókna krzemianowe Superwool 607 HT. 4. CHARAKTERYSTYKI PORÓWNAWCZE OMAWIANYCH WŁÓKIEN Jedną z najistotniejszych cech charakteryzujących materiał włóknisty jest temperatura stosowania. Na rysunku 1 [1] przedstawiono wartości porównawcze określone dla trzech rodzajów maty igłowanej wyznaczone, zgodnie z normą ENV , w piecu laboratoryjnym, w atmosferze utleniającej, po 24 godzinach ciągłego wygrzewania. Mamy tu porównanie takich parametrów, jak temperatura ciągłego stosowania, określana jako maksymalna temperatura długotrwałego użytkowania w atmosferze utleniającej, przy której materiał zachowuje włóknistą strukturę i bardzo niski skurcz liniowy, oraz temperatura chwilowego przegrzania przy której materiał nie ulegnie uszkodzeniu i może znieść jej krótkotrwałe oddziaływanie. Jednakże w tym przypadku

4 166 można zaobserwować wyższy skurcz i krystalizację. Wykres przedstawia również temperaturę klasyfikacyjną wybranych włókien, zdefiniowaną poniżej przy omawianiu skurczu liniowego. Z tego porównania wynika, że stosowanie włókna SW 607 HT jest bezpieczniejsze niż włókna ceramicznego, ze względu na wyższą temperaturę chwilowego przegrzania, przy jednocześnie porównywalnej temperaturze pracy ciągłej. Drugim parametrem charakteryzującym materiał ogniotrwały jest skurcz liniowy określony w zależności od temperatury, a w szczególności jego wartość w maksymalnej temperaturze stosowania. Nadmierny skurcz w tej temperaturze może powodować powstanie szczelin w wyłożeniu, co z kolei prowadzi do powstawania miejscowych przegrzań. Znaczny wpływ skurczu na wartość użytkową izolacji spowodował konieczność zastosowania standardów klasyfikacyjnych przez producentów włókien. Przyjęto, że temperatura klasyfikacyjna dla włókien ceramicznych odnosi się do temperatury, w jakiej stały skurcz liniowy materiału, mierzony zgodnie z normą ENV , nie przekracza 4%. Na rysunku 2 przedstawiono wykresy umożliwiające porównanie trzech rodzajów włókien ogniotrwałych. Widać na nim wyraźnie, że włókno SW 607 HT poniżej temperatury klasyfikacyjnej charakteryzuje się zdecydowanie najniższym skurczem liniowym [2]. Kolejną, bardzo ważną, cechą użytkową są właściwości mechaniczne wyrobów wykonanych z włókna. Przeanalizujemy je poniżej na przykładzie wytrzymałości na zginanie i na ściskanie płyt twardych. Rys. 1. Temperatura stosowania materiałów izolacyjnych włóknistych [2]. Fig. 1. Materials using temperature.

5 167 Rys. 2. Skurcz liniowy maty igłowanej wykonanej z włókien ogniotrwałych. Fig. 2. Linear shrinkage of blanket made from refractory fibre. Wytrzymałość na zginanie, mierzona zgodnie z normą ENV , dla różnego rodzaju włókien pokazana została poniżej na rysunku 3 [2]. Wykonane na podstawie badań wykresy pozwalają porównać zmianę wytrzymałości płyt twardych, wykonanych metodą formowania mokrego z kilku rodzajów włókien, w zależności od temperatury. Jak widać, wszystkie rodzaje płyt zmniejszają swoją wytrzymałość wraz ze wzrostem temperatury. Szczególnie jest to zauważalne w początkowym okresie nagrzewania, kiedy następuje wypalanie się spoiw organicznych. Wysoka wytrzymałość płyt przed wygrzaniem, w temperaturze otoczenia jest bardzo ważna, ponieważ umożliwia produkcję i łatwą instalację elementów o dużych rozmiarach i niewielkiej grubości. Dla zastosowań wymagających wyższej wytrzymałości na zginanie w wysokiej temperaturze stosuje się inny rodzaj spoiwa które zachowuje wysoką wytrzymałość płyty w momencie wypalania się spoiw organicznych. Zastosowanie tego rodzaju płyt jest jednak ograniczone dla aplikacji do 1000 o C. Na rysunku ten materiał określono nazwą SW 607 HT C.

6 168 Rys. 3. Fig.3. Wytrzymałość na zginanie płyty twardej wykonanej z włókien ogniotrwałych. Refractory board modulus of rupture. Wytrzymałość na ściskanie płyt twardych formowanych metodą mokrą z włókien ceramicznych ma bardzo istotne znaczenie. W powiązaniu z omawianą powyżej wytrzymałością na zginanie zapewnia bardzo dobre właściwości użytkowe wyrobów. Można je łatwo obrabiać mechanicznie, ciąć, wiercić, oraz mocować w nich elektryczne elementy grzejne pieca. Analizując wykres przedstawiony na rysunku 4 [2], stwierdzamy, że w temperaturze otoczenia, podobnie jak przy zginaniu wytrzymałość na ściskanie większości rodzajów płyt jest porównywalna i bardzo wysoka. Wraz ze wzrostem temperatury wypalanie się lepiszcza organicznego powoduje spadek wytrzymałości na ściskanie. Jest ona jednak na tyle wysoka, że płyty zachowują swoje właściwości użytkowe, dzięki czemu wspomagają system kotwienia i mocowania elementów grzejnych pieca, oraz posiadają dużą odporność na erozję powierzchni powodowaną prędkością przepływających w piecu gazów. 5. WNIOSKI Przedstawiona w pracy analiza porównawcza wybranych właściwości użytkowych poszczególnych rodzajów włókien ogniotrwałych potwierdza, że istnieje już alternatywa dla większości zastosowań ceramicznych włókien glinokrzemianowych.

7 169 Niektóre cechy użytkowe nowych, ekologicznie czystych włókien, są nawet korzystniejsze niż włókien ceramicznych. Rys. 4. Fig. 4. Wytrzymałość na ściskanie płyty twardej wykonanej z włókien ogniotrwałych. Refractory board compression resistance. Użytkownicy powinni systematycznie wdrażać nowe produkty, ponieważ z chwilą zaklasyfikowania włókien ceramicznych do drugiej kategorii substancji rakotwórczych, powstało szereg uregulowań prawnych, które w znacznym stopniu ograniczają zakres stosowania tych włókien, oraz nakładają specjalne wymogi dotyczące obróbki, wywozu i składowania odpadów z włókien ceramicznych. Spowoduje to niewątpliwie pojawienie się u producentów, jak i u użytkowników dodatkowych kosztów związanych z dostosowaniem się do tych wymogów. LITERATURA [1] S. Pawłowski, S. Serkowski: Materiały ogniotrwałe własności i zastosowanie w urządzeniach przemysłowych, Gliwice [2] Katalogi firmy Thermal Ceramics. [3] J. Piech: Wyłożenia ogniotrwałe pieców i urządzeń cieplnych, Kraków 1999, AGH.

8 170 OPPORTUNITY OF DECREASING OF FOUNDRIES DAMAGING EFFECT TO ENVIRONMENT DUE TO APPLICATION OF INSULATION MATERIALS MADE OF SUPERWOOL 607 HT FIBER There are many types of materials made of refractory ceramic fibers use in metal foundries, including: needled blankets, bulk fibers, insulating boards, modules, vacuum formed shapes and mastics. There are applying directly in casting process as well as in constructions of heat treatment equipment. Superwool 607HT range of products is the result of research of safe alternative for refractory ceramic fiber, enclosed by European Union Committee to hazardous substances. Intensive actions were taken and already in 2001 putting into practice of new material in industrial applications started. The base of chemical composition of Superwool 607HT is SiO %, CaO+MgO %. Detailed results of researches prepared and attached in form of comparative tables and graphs confirm that obtained fiber is able to replace high temperature ceramic fiber. Suporwool 607HT has comparable and in same cases better application properties; for example low linear shrinkage and low bio-persistence, which meets more and more restricted health and safety and environment protection regulations controlling usage of refractory ceramic fiber. Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer.