Systemy regeneracji osnowy zużytych mas formierskich, jako sposoby optymalnego zagospodarowania odpadu

Transkrypt

1 Sylwester Witek 1, Agata Witek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza 2 Logistyka - nauka Systemy regeneracji osnowy zużytych mas formierskich, jako sposoby optymalnego zagospodarowania odpadu Wstęp Wytwarzanie ponad 50% odlewów ze stopów żelaza odbywa się z użyciem syntetycznej masy formierskiej z bentonitem (gliną formierską). Zarówno w kraju (Rys. 1.), jak i na świecie (Rys. 2.) zapotrzebowanie na odlewy utrzymuje się na wysokim poziomie i w związku z tym zużywa się duże ilości materiałów [1]. Ilość masy zużywanej przy wytwarzaniu form piaskowych wynosi średnio 5 do 7 razy ilości tworzywa odlewu. Na rysunkach 1 i 2 zestawiono wartości rocznego zużycia masy bazując na ilości wykonanych odlewów zakładając stosunek ilości masy do odlewu wynoszący 5:1. Średnie zużycie masy przy wytwarzaniu form piaskowych w tys. ton Lata Rys. 1. Średnie zużycie masy formierskiej w Polsce Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych literaturowych Rys. 2. Średnie zużycie masy formierskiej na świecie Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych literaturowych 1 Mgr inż. S. Witek, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych 2 Mgr inż. A. Witek, doktorantka, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców 5048

2 Zaletą stosowania masy syntetycznej z bentonitem jest możliwość jej ponownego używania po odświeżeniu, polegającego na dodatku świeżego piasku kwarcowego, bentonitu oraz pyłu węglowego lub innego nośnika węgla błyszczącego. Jest to masa obiegowa, używana. Część masy ulega jednak degradacji wynikającej z kontaktu z ciekłym metalem o temperaturze ponad C. Ta część masy stanowi masę zużytą, nienadającą się do ponownego wykorzystania, z której tylko można odzyskać osnowę piaskową [2]. Regeneracja osnowy piaskowej odpowiada zaleceniom nowej ustawy, obowiązującej od początku 2013 roku (Dz.U poz 21) [3]. Zaleca ona: zapobieganie powstawania odpadów, maksymalny odzysk oraz ponowne wykorzystanie. Charakterystyka procesów regeneracji Według definicji, przytoczonej przez Holtzera [4], proces regeneracji to obróbka zużytych mas prowadząca do odzyskania, co najmniej jednego ze składników. Otrzymany regenerat posiada właściwości zbliżone do stanu świeżego, co umożliwia jego ponowne użycie do wytwarzania masy. Przytoczone dane [4], dotyczące 20 największych polskich odlewni wskazują, że regeneracji poddawano średnio 50% odpadów; pozostałe 50% kierowano na składowiska. Aktualnie stan ten uległ poprawie i już około 70% masy kieruje się do regeneracji osnowy piaskowej. Ważnym czynnikiem przemawiającym za regeneracją masy formierskiej jest koszt zakupu i transportu świeżego piasku, a także rosnące opłaty za składowanie i niewystarczająca ilość miejsca do składowania [5]. Metody regeneracji masy klasyfikuje się ze względu na środowisko, w którym ten proces jest realizowany (Rys. 3.) [6]. Rys. 3. Schematyczne ujęcie stosowanych metod regeneracji Źródło: [6] 5049

3 Aktualnie stosuje się regenerację mechaniczną w urządzeniach realizujących połączone procesy ścierania, ocierania i kruszenia[1]. Proces regeneracji suchej mechanicznej znalazł obecnie w odlewnictwie najszersze zastosowanie, dzięki [7]: możliwości odzysku osnowy piaskowej praktycznie z każdej masy zużytej, możliwości zastosowania do regeneracji stosunkowo prostych urządzeń, często innym pierwotnym ich przeznaczeniu (na przykład mieszarek), niższych, w porównaniu z innymi metodami kosztów realizacji procesu [7]. Metodyka oceny energochłonności procesu regeneracji mechanicznej Proces regeneracji mechanicznej polega na uwalnianiu ziaren osnowy piaskowej z otoczek zużytego materiału wiążącego. Odbywa się to w ramach elementarnych operacji: ścierania, ocierania i kruszenia [8]. W wyniku obróbki uzyskuje się zregenerowaną osnowę, pozbawioną otoczki zużytego materiału wiążącego oraz pył z otoczki, który jest usuwany w wyniku klasyfikacji pneumatycznej. Metodykę oceny energochłonności procesu regeneracji mechanicznej przedstawiono w pracy [9]. Oparta jest ona na hipotezie Rittinera mówiącej o proporcjonalności energii zużytej na rozdrabnianie materiału kruchego do uzyskanego, w tym procesie, przyrostu powierzchni zbioru ziaren. Praca właściwa według Rittingera (1) wynosi: LL RR = LL OO FF gdzie: L 0 - praca konieczna do uzyskania jednostki przyrostu powierzchni; J/m 2 (J/cm 2 ), (1) ΔF przyrost powierzchni materiału w wyniku kruszenia; m 2 (cm 2 ). Wartość pracy L 0 jest odwrotnością liczby Ritingera R ; R =1/L 0. Liczba Rittingera dla suchego piasku kwarcowego wynosi R = 17,56 cm 2 /J. Wyznaczona w pracy [8] wartość liczby Rittingera dla masy syntetycznej z bentonitem wynosi R = 55,67 cm 2 /J. Zgodnie z teorią Rittingera miernikiem wartości pracy wydatkowanej na rozdrabnianie materiału, a w przypadku regeneracji mechanicznej, na kruszenie zużytego materiału wiążącego z ziaren osnowy jest pole zawarte między krzywymi całkowitymi składu ziarnowego nadawy (zużytej masy formierskiej) i produktu (odzyskanego piasku regeneratu) Rys. 4. Rys. 4. Interpretacja pracy wydatkowanej na rozdrobnienie materiału nadawy o średnicy dn do produktu o średnicy d p według teorii Ritttingera Źródło: [9] 5050

4 Wartości całkowych funkcji Φ wyznacza się w oparciu o standardową analizę sitową, polegającą na poddaniu próbki materiału przesiewaniu z użyciem zestawu 11 sit. Wyniki analizy sitowej służą wykreśleniu kolejno histogramu, funkcji gęstości ƒ ᵢ oraz funkcji całkowej, sumarycznego udziału ziaren Φᵢ oraz funkcji dopełniającej Fᵢ (Rys. 5) [9]. Rys. 5. Przykład opracowania wyników analizy sitowej piasku kwarcowego: a) histogram częstości występowania i-tych klas ziarnowych oraz przebieg funkcji f i, b) funkcje całkowe składu ziarnowego Φ i i F Źródło: [9] i Zmianę teoretycznej powierzchni właściwej F określa się w wyniku opracowania wyników analizy sitowej masy zużytej oraz regeneratu [8]. Dla porównania efektów przeprowadza się też analizę sitową piasku wyjściowego stanowiącego osnowę piaskową masy. Opracowana metodyka pozwala na ocenę: rozwiązań urządzeń realizujących regenerację mechaniczną, energochłonności realizowanych operacji procesu regeneracji, porównawczą efektów uwalniania z otoczek zużytych, różnych materiałów wiążących o zróżnicowanych odpornościach na procesy regeneracji mechanicznej, wpływu parametrów operacji realizowanej regeneracji. Podsumowanie Omawiane zagadnienia z zakresu regeneracji osnowy piaskowej zużytej masy formierskiej, dotyczą ekologistyki, która obejmuje działania prowadzące do ponownego wykorzystania podstawowego składnika, jakim jest osnowa piaskowa, najczęściej piasek kwarcowy. Masa zużyta, niekierowana do regeneracji osnowy piaskowej, stanowi główny odpad z produkcji odlewniczej. 5051

5 Z przytoczonych metod odzysku najkorzystniejszą obecnie jest regeneracja mechaniczna przy użyciu regeneratorów, których funkcja polega na usuwaniu otoczki zużytego materiału wiążącego z powierzchni ziaren osnowy. Regeneracja poza aspektem ochrony środowiska (zmniejszania odpadów) powinna też być optymalna ze względu na energochłonność. Energochłonność wyznacza się w oparciu o wyniki standardowej analizy granulometrycznej masy zużytej oraz regeneratu. Prezentowana metodyka wyznaczania nakładów pracy jest pomocna przy wyborze środków realizacji regeneracji metody, urządzenia oraz parametrów ich pracy. Streszczenie Systemy regeneracji osnowy zużytych mas formierskich, jako sposoby optymalnego zagospodarowania odpadu. W artykule podano metody regeneracji i metodykę ich oceny pod względem energochłonności, które przyczyniają się do optymalnego wykorzystania zużytej masy formierskiej, tym samym zmniejszenia ilości wytwarzania odpadów w postaci zużytej masy przez odlewnie. Słowa kluczowe: masa formierska, zagospodarowanie odpadu, energochłonność, optymalizacja MOULDING SAND REGENERATION SYSTEMS AS A WAY TO UTILIZE USED MOULDING SAND WASTE Abstract In the article, evaluation indicators of regeneration methods were analyzed and their influence on optimal management of used moulding sand and reducing waste creation during production process. Keywords: moulding sand, waste management, optimization, manufacturing process Literatura [1] Lewandowski J.L.: Tworzywa na formy odlewnicze, Wydawnictwo Akapit, Kraków [2] Dańko R.: Porównawcze badania regeneracji zużytych mas z bentonitem w wybranych systemach regeneracji Materiały X Konferencji Odlewniczej Technical. Nowa Sól, 2007, s ; [3] Dz.U poz. 21 Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach. [4] Holtzer M.: Gospodarka odpadami i produktami ubocznymi w odlewniach, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, [5] Dańko J., Dańko R., Fedoryszyn A.: Charakterystyka funkcjonalna urządzeń do typowych metod regeneracji mas Materiały IX Konferencji Odlewniczej Technical. Nowa Sól, 2006, s ; [6] Dańko J., Dańko R., Łucarz M.: Procesy i urządzenia do regeneracji osnowy zużytych mas formierskich, Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków,

6 [7] Dańko J., Holtzer M., Dańko R.: Pragmatyka oceny, jakości osnowy kwarcowej odzyskiwanej z różnych rodzajów masy zużytej we współczesnych systemach regeneracji, Archives of Foundry Engineering, vol. 10, 2010, s [8] Dańko R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej zużytych mas odlewniczych. Praca doktorska. Kraków, [9] Fedoryszyn A., Smyksy K., Ziółkowski E.: Maszynoznawstwo odlewnicze, Skrypty Uczelniane AGH, Kraków,