PRACA DESTRUKCJI WI ZA MI DZYZIARNOWYCH W PROCESIE REGENERACJI MECHANICZNEJ ZU YTYCH MAS FORMIERSKICH

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 3 Archiwu Technologii Masyn i Autoatyacji 2009 RAFA DAKO PRACA DESTRUKCJI WIZA MIDZYZIARNOWYCH W PROCESIE REGENERACJI MECHANICZNEJ ZUYTYCH MAS FORMIERSKICH W artykule predstawiono gówne aoenia teoretycne i rowinicie energetycnego odelu procesu echanicnej regeneracji suchej uytych as forierskich. Podstaw do opracowania teoretycnego odelu oddiaywa krusco-ciernych w procesie regeneracji echanicnej uytych as forierskich jest deterinistycna hipotea Rittingera krusenia ateriaów ineralnych o waciwociach blionych do kwarcowej osnowy piaskowej. Wykaano, e rutynowe w odlewnictwie badania granuloetrycne osnowy, prowadone w trakcie analiy sitowej, og by wykorystane do okrelenia pracy potrebnej do uwolnienia iaren osnowy otocek ateriau wicego. Badania powierchni waciwej osnowy i jej iany w trakcie obróbki cierno-kruscej asy wnos cenne inforacje, na podstawie których ona opracowa kryteria prydatne do oceny, prognoowania i optyaliacji obróbki regeneracyjnej osnowy odyskanej e uytych as forierskich i rdeniowych. Sowa klucowe: uyta asa, regeneracja, utyliacja odpadów pyowych 1. WPROWADZENIE Powsechnie stosowanej regeneracji podlegaj wsystkie uyte asy osnow kwarcow i niektóre osnow chroitow. Uwgldnienie w asach tw. nowej generacji, awierajcych cheoutwardalne ateriay wice, podatnoci na regeneracj (regenerowalno) jest istotne. Moliwo atwej regeneracji as wprowadanych do odlewnictwa jest wynacnikie ich nowocesnoci i preysowej atrakcyjnoci, pry cy oscdnoci pry akupie wieego piasku s jedny arguentów, wcale nie najistotniejsy, preawiajcy a wprowadenie regeneracji w danej odlewni. Kontynuowano apoctkowane pre Zinawoda [14] badania ierajce do ponania echaniu uwalniania iaren osnowy otocek uytego ateria- u wicego w procesach regeneracji suchej (echanicnej i pneuatycnej). Dr in. Wydia Odlewnictwa Akadeii Górnico-Hutnicej w Krakowie. Publikacja naukowa finansowana e rodków na nauk w latach jako projekt badawco-rowojowy Nr No N N

2 24 R. Dako W publikacjach Boenischa [2], Tilcha i wspóautorów [10, 12], Leidela [8] i innych [1, 3, 4] procesy regeneracji echanicnej traktuje si jako swoiste odiany sposobu uwalniania osnowy otocki uytego ateriau wicego, które achod niealenie od rodaju obróbki regeneracyjnej (por. rys. 1). Rys. 1. Pogldowy scheat uwalniania iarna osnowy warstwy ateriau wicego podcas regeneracji echanicnej w teperature otocnia (strona lewa) i regeneracji tericnej (strona prawa) [12] Fig. 1. Pictorial diagra of liberating sand grains fro layers of binding aterial during the echanical reclaation at the abient teperature (left side) and during the theral reclaation (right side) [12] Jak dotd, nie osta opracowany odel powalajcy na ilociowy opis jawisk achodcych w procesie uwalniania iaren osnowy otocek ateriau wicego. W publikacjach [6, 7] podjto próby okrelenia echaniów destrukcji wia spoiwa podcas tericnego oddiaywania na regenerowan osnow, jednak ich preniesienie na proces regeneracji tericnej nie powala na opis ilociowy. Wydaje si, e rónorodno oddiaywa regeneracyjnych wykorystywanych w recywistych urdeniach powinna by ropatrywana pre pryat tw. operacji eleentarnych, które wykauj wspólne cechy, niealenie od sposobu obróbki. Takie podejcie apreentowano w pracach [1, 3, 9], w których wyróniono try gówne operacje eleentarne: ocieranie, cieranie i krusenie. W publikacjach [1, 3 5, 9] predstawiono badania procesu uwalniania osnowy otocki uytego ateriau wicego ora sposoby oceny stopnia uwolnienia i ocyscenia regeneratu etodai ruchowyi, opartyi na ocenie iloci pyów powstajcych w procesie regeneracji.

3 Praca destrukcji wia idyiarnowych TEORETYCZNY MODEL DESTRUKCJI WIZA W PROCESACH MECHANICZNEJ REGENERACJI SUCHEJ OPARTY NA TEORII RITTINGERA 2.1. Wstp Zoono procesów regeneracyjnych, na które skada si kopleks cynno- ci procesowych obróbki uytej asy, pocwsy od wstpnego jej prygotowania, pre regeneracj waciw, a do obróbki finalnej regeneratu, jest bepo- redni prycyn braku penego opracowania tej teatyki w dostpnych publikacjach. Energetycne agadnienia regeneracji og by ropatrywane pod kte hipote energetycnych, pry cy jedn nich najstars jest hipotea deterinistycna procesu krusenia ateriau wedug Rittingera [11, 13]. Rittinger a podstaw swojej teorii pryj aobserwowane jawisko proporcjonalnoci energii uytej na rodrabnianie ateriau kruchego do uyskanego w ty procesie pryrostu powierchni bioru iaren. Stwierdi.in., e dla danych ateriaów kruchych prace krusenia aj si do siebie prawie tak jak ich stopnie rodrobnienia. Prac waciw wedug Rittingera wyraa wór: L R L 0 F, (1) gdie: L 0 praca koniecna do uyskania jednostki pryrostu powierchni [J/ 2 ], [J/c 2 ], F pryrost powierchni ateriau w wyniku krusenia [ 2 ], [c 2 ]. W praktyce teoria Rittingera jest wykorystywana do projektowania urde kruscych ora do prognoowania efektów procesów preróbcych [11, 13]. Arguente preawiajcy na rec stosowania tej hipotey do procesów regeneracji echanicnej jest podobiestwo fiycne procesu uwalniania iaren osnowy otocki ateriau wicego do procesu krusenia, jak równie seroko stosowana i unorowana w odlewnictwie etodyka badawca analiy skadu iarnowego, powalajca na okrelenie ian powierchni waciwej regenerowanej osnowy na podstawie analiy sitowej Zaoenia odelu teoretycnego Zaoenia odelu teoretycnego ostay scegóowo predstawione w pracy [5]. Ze wgldów obliceniowych a najwaniejse ona una aoenie sforuowane nastpujco: W odelu idealny iarna osnowy s kulai o rednicy astpcej d, a grubo ateriau wicego wynosi g. Ropatrywane procesy regeneracji waciwej achod w obrbie warstwy uytego ateriau wicego, której grubo jest równa gruboci otocki tego ateriau. Teoretycnie, warunkie prawidowej pracy urdenia do regeneracji jest cakowi-

4 26 R. Dako te pobawienie kulistych iaren osnowy poostaoci uytego spoiwa, be krusenia saej osnowy Okrelenie pryrostu teoretycnej powierchni waciwej ateriau w nastpstwie regeneracji Pryjujc, e w odelu idealny iarna osnowy s kulai o rednicy astpcej d Z, a grubo ateriau wicego wynosi g, ona okreli rednic pojedyncego iarna osnowy pokrytego ateriae wicy d A : d A = d + 2g. Grubo otocki uytego ateriau wicego na powierchni iaren osnowy ona oblicy alenoci uwgldniajcych objto: suarycn iarna osnowy pokrytego ateriae wicy (V A ), saego iarna osnowy (V ) ora uytego ateriau wicego (V g ): V A 3 V Vg, d V, Vg U V. (2) 6 Po odpowiednich preliceniach grubo otocki g uytego ateriau wicego okrela wór: d g 2 3 (1 U g d d 2 3 (1 U g g 1, gdie: V A objto iarna osnowy pokrytego uyty ateriae wicy [ 3 ], V objto iarna osnowy [ 3 ], V g objto otocki uytego ateriau wicego [ 3 ], g gsto otocki uytego ateriau wicego [kg/ 3 ], gsto ateriau osnowy piaskowej [kg/ 3 ], d rednica iarna osnowy [], U udia asowy ateriau wicego w stosunku do osnowy. W odelu pryjto, e jednej cstki uytego ateriau forierskiego (nadawy) o rednicy d A w wyniku procesu regeneracji waciwej uyskuje si dwa rodaje ateriaów: regenerowan osnow (produkt), pobawion otocki uytego ateriau wicego, otock uytego ateriau wicego poostajc w regeneracie w postaci frakcji pyowej. Frakcja pyowa, bdca produkte ubocny regeneracji, jest usuwana w procesie klasyfikacji pneuatycnej regeneratu, wceniej jednak dolica si j do ogólnego wrostu powierchni waciwej obrabianego ateriau. Powierchnia ta, godnie pryjt hipote Rittingera, jest proporcjonalna do (3)

5 Praca destrukcji wia idyiarnowych 27 pracy wydatkowanej na eleentarny proces krusenia otocki uytego ateria- u wicego. Wrost powierchni teoretycnej asy uytej po regeneracji uwgldnienie udiau frakcji pyowej po starciu uytego ateriau wicego ona oblicy na jednostk asy [ 2 /kg] alenoci (4): F d 12 g d 2 g1 U. (4) 2.4. Procedura okrelania ian teoretycnej powierchni waciwej osnowy regenerowanej asy uytej Seroko stosowana w odlewnictwie, unorowana etodyka badawca analiy skadu iarnowego powala okrela na bieco iany teoretycnej powierchni waciwej osnowy na podstawie analiy sitowej regenerowanej asy uytej. Znajoo pryrostu teoretycnej powierchni waciwej osnowy ora jej asy poctkowej ( ) uoliwia oblicenie cakowitej pracy rodrabniania e woru: L R L0 F [J]. (5) Do opisu jawisk w echanice rodrabniania rónych ateriaów kruchych stosuje si tw. licby ateriaowe Rittingera R, które okrelaj w pryblieniu warto powierchni danego ateriau wytworon na skutek wydatkowania jednostki energii [11, 13]: 0 1 R [c 2 /J]. (6) L Odwrotno licby Rittingera jest wartoci pracy L 0 koniecn do uyskania jednostki pryrostu powierchni, godnie e wore (5) Procedura okrelania licb ateriaowych Rittingera R Predstawiony odel energetycny procesu regeneracji, oparty na hipoteie Rittingera, wyaga eksperyentalnie wynaconych staych ateriaowych. Do ich okrelania w predstawiony odelu wykorystano funkcje skadu iarnowego. Podstaw stosowania odyfikowanego odelu Rittingera do prognoowania energochonnoci regeneracji echanicnej uytych as odlewnicych jest okre- lenie licby ateriaowej Rittingera R, definiowanej wore (6). Prebieg bada ierajcych do okrelenia tej licby predstawiono na scheacie (rys. 2),

6 28 R. Dako którego wynika porównawcy charakter etody, pry cy ateriae odniesienia jest wiey piasek kwarcowy. Rys. 2. Procedury ierajce do okrelenia licby ateriaowej R dla badanych uytych ateriaów wicych; onacenia indeksów: pk piasek kwarcowy, asa uyta [5] Fig. 2. Scheatic view of the ethod of deterination Rittinger s aterial nuber R: pk silica sand, used sand [5] Traktujc regeneracj asy uytej jako kopleks cynnoci procesowych od wstpnego prygotowania, pre regeneracj waciw, a do obróbki finalnej regeneratu aspekt energetycny procesu ona ropatrywa na dwóch etapach. Na pierwsy etapie regeneracji nastpuje robicie bry uytej asy, polegajce na pokruseniu agloeratów (lepków iaren) i doprowadeniu ich do roiarów w pryblieniu równych rednicy iarna osnowy powiksonej o podwojon grubo otocki ateriau wicego. Na etapie drugi ropocyna si proces regeneracji waciwej, w który praca wiana usuwanie uytej otocki ateriau wicego powierchni

7 Praca destrukcji wia idyiarnowych 29 iaren osnowy (L RMW ) jest utosaiana prac krusenia wedug hipotey Rittingera (L R ), co wyraa równo: LR L RMW. (7) Okrelenie efektu obróbki regeneracyjnej w urdeniu echanicny polega na porównywaniu w danych, blionych warunkach regeneracji pryrostu powierchni waciwej ateriau: piasku kwarcowego stanowicego osnow asy jako ateriau odniesienia o nanej, staej wartoci licby Rittingera (17,56 c 2 /J), uytej asy forierskiej badany ateriae wicy o nienanej wartoci licby Rittingera. W obydwu prypadkach diaanie ukadu regenerujcego powoduje sukcesywne, proporcjonalne do woonej pracy rodrabnianie tych ateriaów, co ona stwierdi, analiujc pryrosty ich powierchni waciwej w trakcie analiy sitowej. Uasadniony technicnie proces uwalniania osnowy otocki uytego ateriau wicego nie powinien trwa duej ni do casu, gdy grubo otocki osignie warto ero (g = 0). Zachowana jest pry ty proporcjonalno pracy dla obydwu ateriaów, co wyraa wór: L L, (8) 0MW 0 gdie: L 0MW praca wydatkowana na jednostkowy pryrost teoretycnej powierchni waciwej uytego ateriau wicego [J/ 2 ], [J/c 2 ], L 0 praca wydatkowana na jednostkowy pryrost teoretycnej powierchni waciwej osnowy kwarcowej [J/ 2 ], [J/c 2 ], wspócynnik okrelony na podstawie stosunku pól awartych idy krywyi cakowyi skadu iarnowego nadawy i produktu wykrelonyi w ukadie (1/d, (d)) dla cystego piasku kwarcowego ora asy uytej okrelony ateriae wicy. Po kady cyklu regeneracji na podstawie wykonanych anali sitowych jest spordany wykres skadu iarnowego w ukadie (1/d, (d)) [13], a nastpnie jest oblicany procentowy pryrost powierchni poidy krywyi skadu iarnowego piasku wejciowego (nadawy) i asy uytej poddanej obróbce regeneracyjnej (produkt). Za oent ropoccia procesu krusenia osnowy regenerowanej pryjuje si taki cas obróbki regeneracyjnej, pry który pryrost teoretycnej powierchni waciwej regeneratu osiga wartoci blione do analogicnego pryrostu teoretycnej powierchni waciwej wieego piasku kwarcowego, traktowanego w ten sa sposób. Warto licby Rittingera dla ateriau wicego otocki oblica si e woru (9): R MW FMW R SiO. (9) 2 F

8 30 R. Dako 2.6. Okrelone wartoci licb ateriaowych Rittingera badanych ateriaów uytych Licb ateriaow Rittingera R wynacono dowiadcalnie godnie opisan etodyk. Badania prowadono w dowiadcalny regeneratore echanicny i echanicno-kriogenicny opisany w pracy [5]. Badanio poddano nastpujce asy uyte: bentonite GEKO S, e ske wodny i utwardace flodur, ywic syntetycn FL 105 i utwardace GS 03. Wyniki oblice, prowadonych godnie podan procedur, aiescono w tablicy 1. Tablica 1 Okrelona eksperyentalnie warto wspócynnika ora staej ateriaowej Rittingera R dla suchego piasku kwarcowego ora badanych rodajów asy uytej Experientally deterined Rittinger s aterial nuber R for used binders fro investigated technologies Rodaj ateriau Teperatura regeneracji R [K] [/] [c 2 /J] Piasek kwarcowy suchy otocenia ( ) 17,56 Piasek kwarcowy suchy kriogenicna ( ) 1,41 24,76 Masa bentonite otocenia ( ) 3,17 55,67 Masa bentonite kriogenicna ( ) 3,06 75,86 Masa e ske wodny (technologia floster) utwardana flodure nr 3 otocenia ( ) 1,28 22,48 Masa e ske wodny (technologia floster) utwardana flodure nr 3 kriogenicna ( ) 1,78 44,08 Masa ywic FL 105 utwardana GS 03 otocenia ( ) 1,21 21,24 Masa ywic FL 105 utwardana GS 03 kriogenicna ( ) 1,27 31,69 3. WNIOSKI Model uwalniania iaren osnowy e uytego ateriau wicego, opracowany na podstawie odyfikowanej hipotey Rittingera [12 14], jest oparty na eksperyentalnie okrelonych staych ateriaowych R typowych ateriaów wicych stosowanych w asach odlewnicych. Uoliwio to aproponowanie bardiej ujednoliconego systeu oceny efektów regeneracji, a take energochonnoci wianej tyi procesai w porównaniu e nanyi, technologicnyi sposobai oceny regenerowalnoci as uytych. Wykaana ostaa oliwo wykorystania rutynowo prowadonych anali sitowych regeneratu do okrelenia wartoci staych ateriaowych Rittingera R,

9 Praca destrukcji wia idyiarnowych 31 na podstawie których ona oceni pryblion podatno as uytych na regeneracj sposobai echanicnyi. Proponowany syste prognoowania efektów regeneracji echanicnej, a take okrelania energochonnoci obróbki powinien by okresowo konfrontowany tradycyjnyi, technologicnyi sposobai oceny regenerowalnoci. Powoli to na weryfikacj spenienia pre regenerat scególnych wyaga dotyccych np. granicnej, dopuscalnej awartoci niekorystnych dla asy aniecysce. Zgodnie pryjtyi aoeniai, proces echanicnej regeneracji suchej jest traktowany caociowo, pocwsy od regeneracji wstpnej, pre regeneracj waciw, a do kocowego odpylenia regeneratu w wyniku obróbki klasyfikacyjnej. Predstawiony odel energetycny osta opracowany w celu optyaliacji procesu odysku uytych as odlewnicych w procesach regeneracji suchej. Powala on okreli prac wyagan do ocyscenia iaren osnowy otocki uytego ateriau wicego, a take niebdny poio poboru ocy pre urdenie regenerujce o nanej sprawnoci energetycnej. Dowiadcalna weryfikacja odelu teoretycnego, predstawiona w pracy [4], wskauje na du godno wyników rowaa teoretycnych danyi uyskanyi w trakcie analiy wyników bada dowiadcalnych. LITERATURA [1] Bodo L., Dako J., urawski L., Eleents of the process of waste sand dry reclaation, Archives of Metallurgy, 1989, vol. 34, issue 3, s [2] Boenisch D., Reclaation of spent sands containing bentonite. Guidelines for an econoical leading to iniied waste, Giesserei, 1990, 77, no. 19, s [3] Dako J., ucar M., Okrelanie skonnoci uytej asy forierskiej do regeneracji echanicnej, Pregld Odlewnictwa, 1994, nr 4, s [4] Dako R., Experiental verification of the energetic odel of the dry echanical reclaation process, Archives of Foundry, 2008, vol. 8, issue 1, s [5] Dako R., Podstawy teoretycne i technologicne doboru optyalnych sposobów regeneracji suchej uytych as forierskich, roprawa doktorska, Akadeia Górnico-Hutnica, Wydia Odlewnictwa [6] Dobos S., Aktywacja cieplna piasków kwarcowych, Zesyty Naukowe AGH, Metalurgia i Odlewnictwo, 1980, [7] Hutera B., Weryfikacja wytryaoci odelowego ukadu: 2 kule kwarcowe iesanina bentonitu wod (w stanie wysusony), w: XIX Sypoju Naukowe Wydiau Odlewnictwa, Kraków 1993, s [8] Leidel D. S., The influence of sand and binders on reclaiability, Foundry Trade Journal, 1994, vol. 168, issue 3497, s [9] ucar M., Opracowanie podstaw konstrukcji odrodkowych regeneratorów as forierskich, praca doktorska, Akadeia Górnico-Hutnica, Wydia Odlewnictwa [10] Polin H., Nitsch U., Tilch W., Fleing E., Regenerierung anorganisch gebundener Altsande it einer echanisch arbeitender Pilotanlage, Gieserei-Praxis, 1997, no. 23/24, s [11] Rittinger P., Lehrbuch der Aufbereitungskunde, Berlin, Ernst und Körn 1867.

10 32 R. Dako [12] Tilch W., Mechanicna regeneracja piasku e uytych as awierajcych bentonit, w: Midynarodowa Konferencja Nowocesne technologie odlewnice ochrona rodowiska, Kraków 1995, s [13] Tuidajski T., Zastosowanie etod statystycnych w analiie preróbki surowców naturalnych, Katowice, lskie Wydawnictwo Technicne [14] Zinawoda H. W., Dry reclaation of foundry sand, Foundry, 1956, vol. 84, no. 3, s Praca wpyna do Redakcji r. Recenent: prof. dr hab. in. Micha Sweycer THE WORK OF DESTRUCTION OF INTERGRANULAR JOININGS DURING DRY MECHANICAL RECLAMATION PROCESS OF USED MOULDING SANDS S u a r y The paper, especially dealt with general assuptions of scientific and developent research concerning the reclaation of used foundry sands. The backgrounds for elaboration of theoretical odel of the crushing-attrition effects appearing in dry echanical reclaation process was the deterinistic Rittinger s hypothesis of crushing ineral aterials characterised by properties close to the ones of the quart sand grains. It was shown, that routine grain sie analysis of sand grains perfored during the sieve analysis provide valuable inforation useful for the deterination of energy consuption needed for liberation of sand grains fro the envelope of used bonding aterial. Current easuring of grains specific surface and its change during reclaation treatent enables to work out criteria of assessing, forecasting and optiisation of the reclaation treatent of used foundry sands and core sands. Key words: foundry, used foundry sands, reclaation, echanical reclaation, theoretical odel