EFEKTY IMPULSOWO-TLENOWEJ OBRÓBKI MASY ZUŻYTEJ W PROCESIE REGENERACJI TERMICZNEJ

Transkrypt

1 57/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN EFEKTY IMPULSOWO-TLENOWEJ OBRÓBKI MASY ZUŻYTEJ W PROCESIE REGENERACJI TERMICZNEJ J. DAŃKO 1, R. DAŃKO 2 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono badania regeneracji termicznej prowadzonej w regeneratorze fluidyzacyjnym z impulsowym mieszaniem złoża regenerowanego. Wykazano, że z punktu widzenia efektów technologicznych prowadzonego procesu oraz jego ekonomiki zastąpienie istniejących systemów fluidyzacyjnego wypalania zużytych organicznych komponentów spoiwa sposobami, w których jest stosowana mieszanka powietrzno-tlenowa jako czynnik fluidyzujący dostarczany impulsowo jest korzystne zarówno dla jakości regeneratu i dla ekonomicznej efektywności procesu. Key words: Foundry sand reclamation, thermal reclamation, used foundry sand, fluidized bed, oxygen enrichment 1. WPROWADZENIE Proces regeneracji termicznej jest najbardziej efektywny w zastosowaniu do odzysku osnowy z mas powleczonych lub zawierających żywicę syntetyczną, gdyż zawarte w tych masach spoiwa są palne. W warunkach przemysłowych regeneracja termiczna, realizowana najczęściej przez spalanie paliwa w złożu fluidalnym, w zakresie niezbędnym do wypalenia się otoczki materiału wiążącego z ziaren osnowy kwarcowej trwa około min. Mimo iż zalety i wady metody termicznej są ogólnie znane i zbadane to jednak w dalszym ciągu prowadzi się badania zmierzające do optymalizacji tego procesu i opracowania nowych bardziej korzystnych jego odmian. 1 prof. dr hab. inż., jd@agh.edu.pl 2 dr inż., rd@agh.edu.pl

2 Jedną z bardziej perspektywicznych odmian regeneracji termicznej jest regeneracja prowadzona w urządzeniu fluidyzacyjnym w którym jako czynnik fluidyzujący stosuje się mieszaninę powietrza i tlenu do intensyfikacji procesu wypalania otoczki zużytych organicznych komponentów spoiwa, najczęściej żywicy. Badania tego procesu są realizowane w Katedrze Maszyn i Urządzeń Odlewniczych AGH w Krakowie [1, 2]. 2. CEL BADAŃ I STANOWISKO DOŚWIADCZALNE Celem prezentowanych dalej badań jest określenie optymalnego sposobu prowadzenia regeneracji termicznej zużytej samoutwardzalnej masy rdzeniowej o określonym składzie materiałowym i sposobie wstępnego przygotowania. Zastosowano jeden z typowych sposobów regeneracji termicznej w złożu fluidalnym mieszanym za pomocą podmuchu powietrza oraz regenerację termiczną połączoną ze wspomaganiem tlenem powietrza służącego do fluidyzacji złoża, które stanowi zużyta masa samoutwardzalna. Gas Air Air or oxygen or air+oxygen to fluidisation Rys. 1. Schemat doświadczalnego regeneratora termicznego oraz jego rysunek poglądowy: 1 stalowa obudowa, 2 płaszcz, 3 beton ogniotrwały, 4 izolacja z włókien ceramicznych, 5 pokrywa, 6 otwór termopary, 7 uszczelnienie azbestowe, 8 palnik, 9 obudowa palnika, 10 dno perforowane, 11 wełna ceramiczna, 12 skrzynia powietrzna, 13 zamknięcie wysypu, 14 króciec wylotowy, 15 zawieszka [2] Fig. 1. Experimental thermal reclaimer: 1, 2 jacket, 3 refractory lining, 4 ceramic insulation, 5 cover, 6 thermocouple holes, 7 seal, 8 burner, 9 burner casing, 10 air distributor, 11 ceramic wool, 12 air box, 13 dump hole closure, 14 stub pipe, 15 hanging [2] Schemat regeneratora termicznego jest przedstawiony na rysunku 1. Jest to generator cieplny, w którym spalanie mieszanki powietrzno-gazowej odbywa się 20

3 w przestrzeni wewnętrznej pieca na powierzchni masy zużytej, ładowanej do regeneratora okresowo w porcjach o określonej masie ładunku [2]. Urządzenie laboratoryjne do regeneracji termicznej działa na zasadzie sukcesywnego, fluidyzacyjnego mieszania zużytej masy podanej od góry nagrzewaniu powierzchniowemu za pomocą palnika gazowo-powietrznego. Charakterystyczną cechą stanowiska jest możliwość impulsowego dostarczania od dołu słupa masy czynnika fluidyzującego, którego przepływ wywołuje okresowe, fontannowe mieszanie nagrzewanego złoża, z automatycznie sterowaną częstotliwością mieszania. Jako czynnik fluidyzacyjny mieszający złoże stosowano: powietrze (I seria badań), lub mieszankę powietrzno-tlenową w określonych proporcjach udziału obu składników (II seria badań). 3. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ Badane odmiany regeneracji termicznej zużytej masy z żywicą FL 105 prowadzonej w urządzeniu przedstawionym na rysunku 1, za pomocą następujących mieszania złoża różnymi czynnikami fluidyzacyjnymi oznaczono symbolami: RT regeneracja termiczna związana z nagrzewaniem powierzchniowym masy zużytej oraz impulsowo uruchamianą fluidyzacją powietrzna w celu wymieszania warstw o różnej temperaturze. Czas obróbki regeneracyjnej: 3, 5, 10 min, RT O2 regeneracja termiczna związana z nagrzewaniem powierzchniowym masy zużytej oraz impulsowo uruchamianą fluidyzacją powietrzem wzbogaconym w tlen w celu zwiększenia efektu fluidyzacyjnego wypalania zużytych organicznych komponentów masy i wymieszania warstw o różnej temperaturze. Czas obróbki regeneracyjnej: 3, 5, 10 min, RT W regeneracja termiczna związana z nagrzewaniem powierzchniowym masy zużytej oraz spontanicznym wypalaniem zużytych organicznych komponentów masy w wyniku impulsowego przedmuchiwania tlenem w końcówce procesu regeneracji. Czas obróbki regeneracyjnej: 3, 5, 10 min,. Efekty regeneracji oceniane były przez określenie w poszczególnych przypadkach wartości strat prażenia próbek masy po regeneracji, odczynu ph otrzymanego regeneratu i wytrzymałości na zginanie próbek wykonanych z użyciem regeneratu oraz pomiaru temperatury w złożu regenerowanym. Efekty cieplne badanych odmian regeneracji oceniano przez pomiar rozkładu średniej temperatury złoża mierzonej w trakcie obróbki regeneracyjnej zużytej masy samoutwardzalnej. Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi średniej temperatury regenerowanej osnowy dla trzech analizowanych odmian regeneracji termicznej w czasie regeneracji wynoszącym 5 minut. Masa zużyta była wprowadzana do urządzenia nagrzanego do temperatury C. Na tych danych można zauważyć, że największy stopień nagrzania uzyskuje złoże się w przypadku regeneracji o symbolu RT O2. Jak zaznaczono wcześniej, w tej odmianie regeneracji termicznej, prowadzi się nagrzewanie 21

4 powierzchniowe masy zużytej oraz impulsowe jej mieszane powietrzem wzbogaconym w tlen (w proporcji 1:1). Regeneracja RT W powoduje uzyskanie porównywalnej temperatury w wyniku zainicjowania spontanicznego wypalania zużytych organicznych komponentów masy przez tlen dostarczany w ciągu ostatniej minuty obróbki regeneracyjnej. Najmniejsze wartości temperatury masy uzyskuje się dla metody regeneracji oznaczonej RT, czyli dla typowej odmiany procesu. Uzyskane wartości strat prażenia oraz wskaźnika ph, w zależności od badanej odmiany regeneracji termicznej zużytej masy z żywicą FL 105 zostały przedstawione w tabeli 1. Rys. 2. Przebieg temperatury w złożu fluidalnym masy zużytej z żywicą FL 105 podczas różnych odmian zastosowanej regeneracji termicznej Fig. 2. Temperature distribution in fluidized bed of used sand with FL 105 resin during various procedures of thermal reclamation treatment Na podstawie wyników zamieszczonych w tabeli 1 można zauważyć, że najbardziej skuteczną odmianą regeneracji termicznej przy wszystkich badanych czasach regeneracji jest metoda oznaczona symbolem RT O2, która już po czasie 5 min pozwala uzyskać regenerat o stratach i wartości ph zbliżonej do świeżego, płukanego piasku kwarcowego. Kolejna, pod kątem uzyskanych efektów jest w przypadku krótszych czasów regeneracji metoda RT, natomiast przy dłuższych czasach metoda RT W. Metoda regeneracji RT W istotnie różni się od dwóch pozostałych tym, że proces fluidyzacyjnego mieszania przebiega w niej dopiero w ostatniej minucie regeneracji złoża, które do chwili mieszania pozostaje nieruchome. Stąd istotny jest czas nagrzewania złoża nieruchomego, który musi być na tyle duży, aby spowodować nagrzanie złoża do temperatury umożliwiającej późniejszą inicjację samoczynnego (spontanicznego) wypalania żywicy z osnowy piaskowej w atmosferze tlenu. 22

5 Tabela 1. Wartości strat prażenia ST 850 regeneratu oraz wskaźnika ph dla badanej odmiany regeneracji termicznej i różnych czasów obróbki regeneracyjnej Table 1. Loss of Ignition (LOI 850 ) and ph values for reclaimed sand after various procedures of thermal reclamation and duration of treatment time. Czas regeneracji RT RT 02 RT W [min] ST 850 [%] ph ST 850 [%] ph ST 850 [%] ph 0 1,60 2,68 1,6 2,68 1,60 2,68 3 0,59 3,84 0,36 4,02 0,60 3,77 5 0,36 4,52 0,11 4,79 0,33 4, ,18 6,17 0,063 6,52 0,12 6,31 Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na zginanie R g u próbek wykonanych na osnowie regeneratu. Skład masy z której wykonywano próbki odpowiadał składowi zalecanemu przez producenta żywicy dla piasku świeżego [3]. Przedstawiono wyniki badania wytrzymałości po czasie utwardzania wynoszącym 4 godziny. Uzyskane wyniki wytrzymałości są odniesione do wytrzymałości próbek masy, wykonanych z użyciem świeżego piasku kwarcowego po tym samym czasie utwardzania i o tym samym składzie wyjściowym. 1,05 Względna wytrzymałość masy ze zginaniem R g u, / 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 Regeneracja termiczna z nagrzewaniem powierzchniowo-tlenowo -impulsowym, RT Regeneracja termiczna z nagrzewaniem powierzchniowym i spontanicznym spalaniem RTw Regeneracja termiczna z nagrzewaniem powierzchniowo-tlenowo-impulsowym RTo2 0, Czas regeneracji, min Rys. 3. Wpływ odmiany sposobu regeneracji termicznej i czasu obróbki na względną wytrzymałość próbek masy z regeneratem na zginanie R g u Fig. 3. Bending strength of sand sampless prepared with reclaim after various procedures of thermal reclamation and duration of treatment time. Dane zamieszczone na rysunku 3 są kolejnym potwierdzeniem, że najlepsze parametry wytrzymałościowe uzyskuje się dla masy wykonanej z użyciem regeneratu 23

6 RT O2, który charakteryzuje się największym stopniem usunięcia zużytego materiału wiążącego z osnowy. Po upływie czasie obróbki regeneracji wynoszącej 10 minut uzyskano w analizowanym przypadku wartości wytrzymałości lepsze niż dla masy przygotowanej ze świeżego piasku. Porównanie wyników uzyskanych dla regeneratów RT i RT W potwierdza wcześniejsze spostrzeżenia ogólne dotyczące wpływu czasu danej odmiany obróbki regeneracyjnej na uszeregowanie uzyskanej jakości tych regeneratów. 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania potwierdziły, że stosowane powszechnie typowe metody odzysku masy zużytej w procesie regeneracji termicznej, wykorzystujące powierzchniowe nagrzewanie złoża regenerowanego połączone z ciągłym, fluidyzacyjnym mieszaniem za pomocą powietrza dostarczanego przez dno dystrybutora gazu mogą być ulepszone poprzez zastosowanie opisanych odmian procesu. Najkorzystniejsze pod względem technologicznym i ekologicznym jest zastosowanie mieszanki tlenowo- powietrznej, dostarczanej impulsowo do warstwy złoża nagrzewanego od góry palnikiem. W przypadku masy o większej zawartości żywicy można zastosować proces regeneracji z tzw. spontanicznym spalaniem. Badania zrealizowano w ramach pracy własnej AGH, nr LITERATURA [1]. Dańko R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej zuzytych mas odlewniczych. Praca doktorska, AGH Kraków, [2]. Badania regeneracji cieplnej i cieplno-mechanicznej. Etap I-IV. Praca własna nr , (kierownik. J. Dańko). Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków [3]. Katalogi firmowe: Ashland, Hüttenes-Albertus THE EEFECTS OF IMPULSE OXYGEN ENRICHED RECLAMATION OF USED FOUNDRY SAND IN THERMAL RECLAMATION PROCESS SUMMARY Research of reclamation treatment of used foundry sand carried out in a thermal, fluidized bed unit with impulse mixing of reclaimed material has been presented in the paper. It was evidenced, that taking into account both the economy and effectiveness of technological process the replacement of existing fluidizing bed and calcination units by the solutions in which an air-oxygen mixture is introduced would result with a better reclaim quality and the process effectivity. Recenzował: dr hab. inż, prof. nadzw. Aleksander Fedoryszyn. 24