Zagadnienia regeneracji piasków z zuŝytych mas formiersko-rdzeniowych w działalności Instytutu Odlewnictwa

Transkrypt

1 A R C H I V E S o f F O U N D R Y E N G I N E E R I N G Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences ISSN ( ) Volume 10 Special Issue 2/ /2 Zagadnienia regeneracji piasków z zuŝytych mas formiersko-rdzeniowych w działalności Instytutu Odlewnictwa I. Izdebska-Szanda a, *, Z. Maniowski a, F. Pezarski a a Instytut Odlewnictwa Kraków, ul. Zakopiańska 73, Kraków, Polska *Kontakt korespondencyjny: irsza@iod.krakow.pl Otrzymano ; zaakceptowano do druku Streszczenie W artykule przedstawiono rys historyczny prac prowadzonych przez Instytut Odlewnictwa nad rozwiązaniami technicznymi i technologicznymi dotyczącymi rozwoju regeneracji zuŝytych mas formiersko-rdzeniowych, ze szczególnym uwzględnieniem ostatniego dwudziestolecia. Przedstawiono aspekty ukierunkowujące badania nad regeneracją piasków, począwszy od regeneracji termicznej, poprzez regenerację pneumatyczną, w kierunku metod mechanicznych, ze szczególnym uwzględnieniem metody wibracyjnej. Zaprezentowano przykłady rozwiązań konstrukcyjnych, opracowanych w Instytucie Odlewnictwa, i zastosowanych w praktyce przemysłowej, zarówno w kraju jak i za granicą, z podkreśleniem ich uniwersalności i efektywności (spełniających kryteria BAT). Słowa kluczowe: Ochrona środowiska, Regeneracja termiczna, mechaniczna wibracyjna Urządzenia do regeneracji, zastosowania przemysłowe. 1. Wprowadzenie W procesie wytwarzania odlewów powstaje duŝa ilość odpadów. W Polsce całkowita roczna masa wytworzonych odpadów z technologii odlewniczych wynosi około t. Największy ilościowo odpad, mogący przekraczać nawet 80%, powstający w procesie odlewniczym stanowią zuŝyte masy formierskie i rdzeniowe. Blisko 70% tych odpadów stanowią zuŝyte masy bentonitowe, a 30%- odpadowe masy z technologii mas chemoutwardzalnych i cementowych [1,2]. W technologiach wytwarzania mas formierskich i rdzeniowych opartych o spoiwa chemo- i termoutwardzalne proces utwardzania jest nieodwracalny i masy po jednokrotnym uŝyciu wywoŝone są na wysypisko. ZuŜyte masy z bentonitem, gdzie następuje tylko częściowa utrata właściwości mas i są one po odświeŝeniu zawracane do obiegu, stanowią mniejszy problem, ale i w tej technologii na składowiska wywozi się odpady z przerobu mas w postaci odsiewów nierozdrobnionych brył oraz nadmiar masy obiegowej, który wynika z wprowadzenia świeŝych składników. W zuŝytej masie znajduje się zwykle około 90-98% piasku kwarcowego, który po oczyszczeniu w procesie regeneracji moŝe stanowić pełnowartościowy zamiennik świeŝego piasku kwarcowego. Ze względu na czynniki ekonomiczne, takie jak koszty zakupu, transportu i suszenia piasku oraz na problemy ekologiczne związane ze składowaniem zuŝytych mas, niezbędne staje się większe upowszechnienie odzysku osnowy piaskowej przez zastosowanie procesu regeneracji. Regeneracja mas formierskich i rdzeniowych wraz z zaostrzaniem wymogów ochrony środowiska i dostosowywaniem się do norm ARCHIVES OF FOUND RY ENGINEERING V olum e 10, Special Issue 2/201 0,

2 europejskich staje się jednym z waŝniejszych problemów do rozwią- zania przez polskie odlewnie. Takie podejście narzucają dokumenty referencyjne Komisji Europejskiej dotyczące Najlepszych Dostępnych Technik (BAT) dla przemysłu odlewniczego [3]. Pomimo tego ilość odlewni stosujących proces regeneracji jest wciąŝ stosunkowo niska. I tak, w przypadku odlewni: Ŝeliwa jest to około 10% odlewni, staliwa 25%, metali nieŝelaznych stosujących masy formierskie 10%. Problematyką regeneracji zajmuje się ę poza Instytutem Odlewnictwa wiele ośrodków naukowych,, w tym od kilkudzie- sięciu lat prof. Józef Dańko z Wydziału Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej [4, 5]. 2. Rys historyczny prac Instytutu nad regeneracją Instytut Odlewnictwa juŝ od drugiej połowy ubiegłego wieku prowadzi prace badawczo rozwojowe i wdroŝeniowe w zakresie regeneracji piasków kwarcowych wg metody suchej mecha- nicznej, pneumatycznej i termicznej. Początkowo przy budowie linii regeneracji wykorzystywane były urządzenia konstruowane dla innych dziedzin gospodarki, a w latach 70 tych XX wieku zaczęto konstruować urządzenia specjalnie przeznaczone do procesów regeneracji piasków. W drugiej połowie lat 60-tych, wspólnie z Prodlew W-wa w ramach modernizacji odlewni URSUS, prowadzone były pierwsze próby regeneracji wg metody suchej realizowane na urządzeniu typu HAZEMAG (masy bentonitowe odwałowe). Przełom lat 60/70 przyniósł rozwój technologii ciekłych, a nieco później sypkich mas samoutwardzalnych, w których proces utwardzania jest nieodwracalny, co spowodowało potrzebę wprowadzenia ich regeneracji. Preferowane były dwie metody ich regeneracji: metoda sucha mechaniczna (IOd) i sucha pneumatyczna (system Polko). W tym czasie przy współpracy projektantami Instytut Odlewnictwa wybudował kilka linii do regeneracji suchej mechanicznej (Pafawag-Wrocław, FUM-Poręba, Zremb-Kraków). Początkowo regeneracja właściwa prowadzona była w kruszarce młotkowo-udarowej, której zastosowanie pozwalało na uzysk regeneratu rzędu 70-80%, a ponowne jego wykorzystanie w ilości do 50% [6]. W wyniku prowadzonych prac, w latach 70-tych w Instytucie Odlewnictwa została opracowana i wdroŝona do eksploatacji przemysłowej (m.in. w FUM Poręba) konstrukcja regeneratora misowego [6]. Dla jednoznacznego określenia przydatności metody mecha- nicznej lub pneumatycznej, początkiem lat 80-tych wybudowano w ZM Pomet Poznań układ regeneracji (stanowisko doświadczalno-przemysłowe), w którym po wstępnym przygotowaniu, moŝna było skierować masę do regeneracji mechanicznej lub pneuma- tycznej,. Po regeneracji właściwej następowało wspólne odpyla- nie końcowe i magazynowanie. Dotyczyło to zarówno mas CMS jak i SMS. Badania wykazały, Ŝe preferowaną metodą będzie metoda mechaniczna. Dzięki zebranym doświadczeniom, w latach 80-tych wspólnie z Prodlew Kraków skonstruowano i opatentowano regenerator talerzowy RTL-10, którego kolejne wersje zainstalowane zostały w kilku odlewniach jako regenerator właściwy (między innymi w ZM Zamet- Tarnowskie Góry i ZM Pomet-Poznań do regeneracji mas samoutwardzalnych, a w takich odlewniach jak ZO Wifama-Łódź, czy Ferrex-Poznań- do regeneracji mas bentonitowych) [7]. Rys.2. Schemat ideowy regeneratora talerzowego Lata 70-te to równieŝ próby i badania termicznej regeneracji realizowanej przez urządzenie ARM-3, będące konstrukcją Prodlewu Kraków i FMO. Zainstalowany w WSW Andrychów regenerator, pomimo uzyskania pozytywnego wyniku pod względem technologicznym (uruchomiono dopalanie spalin), nie został uruchomiony przemysłowo (ograniczenie limitu gazowego). Urządzenie sprzedano do RFN. Po analizie wyników prób i badań prowadzonych przez IO, opracowana i wykonana została nowa wersja regeneratora termicznego RTP-4 (pionowa), którą zainstalowano w budowanej na przełomie lat 90 - tych nowej odlewni w KZA w Krakowie. W regeneratorze tym zmniejszono do minimum zjawisko fluidy- zacji piasku dzięki czemu uzyskano bardzo dobre efekty energe- tyczne procesu regeneracji [9]. W wyniku reorganizacji KZA stanowiska regeneracji termicznej nie uruchomiono. Rys. 1. Schemat ideowy regeneratora misowego 72 ARCHIVES OF FOUND RY ENGINEERING V olum e 10, Special Issue 2/ , 71-76

3 Kruszarki wibracyjne zastępująą dotychczas stosowane układy wielostopniowego kruszenia i przesiewania masy przed regeneregene racją właściwą i nie wymagająą dokładnego oddzielenia części metalowych. Są to urządzenia dzenia materiałomateriało i energooszczędne. W kruszarkach wibracyjnych, oprócz kruszenia zbryleń zbryle masy zachodzi równieŝ proces regeneracji właściwej. wła Dlatego mogą one być zastosowane do regeneracji ppiasków jako urządzenia pojedyncze (regeneracja uproszczona ) [7,8]. Prototyp kruszarki wibracyjnej wibracyjne (typu AKJ) Instytut Odlewnictwa, przy współpracy z firmą firm Acomatiq opracował juŝ w połowie lat 90-tych XX wieku. Pierwsza kruszarka wibracyjna wprowadzona została do eksploatacji przemysłowej w odlewni Oś Stąporków porków do rozdrabniania materiału z rdzeni. Rys. 3 Schemat ideowy regeneratora termicznego. Podjęto jeszcze jedną próbę uruchomienia regeneratora termicznego, który miał stanowić część ęść stacji regeneracji kombinowanej, mechaniczno-termicznej. Rys.5. Schemat ideowy kruszarki wibracyjnej Zmodernizowana wersja kruszarki wibracyjnej typ AKA wdroŝona ona została do eksploatacji w KZAKZA Kraków do odzysku pozostałości metali nieŝelaznych Instytut Odlewnictwa w Krakowie W latach w ramach projektu celowego KBN, którego wykonawcą wykonawc był Metalodlew S.A. Kraków, opracował i wdroŝył wdro do eksploatacji prototypową linię do regeneracji piasków wg metody wibracyjno - mechanicznej o wydajności ci 10 t/h. Lini Linię tą wdroŝono do regeneracji mas zuŝytych ytych samoutwardzalnych ze szkłem wodnym typu floster w Odlewni nr 1 [11, 12]. ]. Rys.4. Stanowisko regeneracji kombinowanej Jednak na skutek upadku Odlewni URSUS w Warszawie prace nie zostały zakończone, a rosnące ce trudności trudno na rynku odlewniczym, związane zane ze zmianami w Polsce oraz z wysokimi cenami gazu, spowodowały zaniechanie prac nad na tą metodą regeneracji i skupienie się w ostatnich 20-tu tu latach nad rozwojem metod regeneracji mechanicznej, w tym głównie metody regeneracji wibracyjnej. 3. Doświadczenia wiadczenia Instytutu Odlewnictwa przy wdraŝaniu aniu metody regeneracji mechanicznej wibracyjnej Rozwiązaniem, które w ostatnich latach znajduje zna szersze zastosowanie w Polsce jest regeneracja wibracyjno-mechaniczna. wibracyjno Rys.6. Stanowisko regeneracji wibracyjno-mechanicznej wibracyjno w Metalodlew - Kraków ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010,

4 W kolejnych latach (1998 do 1999) linia została przystoso- wana równieŝ do regeneracji racji mas z form dwuwarstwowych (ze szkłem wodnym i Ŝywicą rezolową). Do budowy linii zastosowano w całości ci urządzenia opracoprototypowa kruszarka wane w Instytucie Odlewnictwa takie jak wibracyjna o wydajności 10t/h, chłodziarka szczelinowa i regenerator talerzowy typ RTL-10B ze zmodernizowanym układem roboczym. Prowadzone badania kontrolne regeneratów uzyskiwanych z zuŝytych mas ze szkłem wodnym typu floster i mas Ŝywicznych alkalicznych, stosowanych przemysłowo do wykonywania duŝych form dwuwarstwowych dla odlewów z Ŝeliwa i staliwa o cięŝarze do 25 ton stwierdzono, Ŝe jakość regeneratu jest zadawalająca, a jego udział w masie w ilości 70% pozwala na wykonywanie wysokiej jakości form i odlewów. Doświadczenia uzyskane podczas wdroŝenia w METALODLEW SA prototypowej instalacji do odzysku piasku z zuŝytych mas ze szkłem wodnym wykorzystano z powodzeniem w innych krajowych i zagranicznych odlewniach. Uniwersalność i efektywność tego projektu zostały dostrzeŝone takŝe przez unijnych ekspertów opracowujących dokumenty referencyjne dla odlewnictwa i uznane jako wzorcowe rozwiązania dla innych europejskich odlewni, których zastosowanie przy- czynia się do skutecznego obniŝenia negatywnego oddziaływania procesów odlewniczych na środowisko naturalne i pracowników. Czeska firma SAND TEAM w oparciu o licencję Instytutu Odlewnictwa opracowała, wybudowała i przekazała do eksploatacji przemysłowej linię do regeneracji piasków z zuŝytych mas samoutwardzalnych w Odlewni Vsetin w Republice Czeskiej [13]. W odlewni tej produkuje się między innymi odlewy Ŝeliwne korpusów silników elektrycznych. Uruchomiona linia regeneracji pracuje z wydajnością 8-10t/h. W procesie regeneracji z zuŝytych mas odzyskuje się około 97% materiału uŝytecznego jakim jest regenerat. Do wykonyrdzeniowych stosuje się: piasek zregene- wania mas formiersko-rdzeniowych rowany w ilości 95%, otrzymując formy o zadowalających parametrach technologicznych, a w konsekwencji odlewy dobrej jakości. W ostatnich latach, w ramach projektów celowych i prac NCR wykonanych zostało kolejnych kilka stanowisk regeneracji z zastosowaniem zmodernizowanego urządzenia wibracyjnego jako regeneratora do regeneracji uproszczonej mas formierskich i rdzeniowych (m.in. Oś Wulkan- Częstochowa, KFP Białogon Kielce) [16]. Opracowany w oparciu o doświadczenia przy eksploatacji pierwszych kruszarek wibracyjnych regenerator wibracyjno fluizostał zastosowany w odlewni dyzacyjny o wydajności 6-8 t/h staliwa Chemar w Kielcach, gdzie wprowadzono zintegrowany system przerobu i regeneracji mas formierskich i rdzeniowych, pozwalający na współistnienie trzech nitek obiegu materiałów tzn.: masy obiegowej, piasku świeŝego i regeneratu [15, 16]. 4. Podsumowanie Rys. 7. Stanowisko regeneracji mas w odlewni Vsetin na licencji IOd Początkowo w linii tej regenerowane były masy z technologii Alphaset, a uzyskiwany regenerat zastępował piasek świeŝy w ilości powyŝej 85%. Od 2002 roku, po zmianie technologii, regenerowane są na tym stanowisku masy furanowe. Rys. 8. Regenerator wibracyjno-fluidyzacyjny zainstalowany w odlewni Chemar- Kielce Wszystkie powstałe w ostatnich kilkunastu latach stanowiska regeneracji pracują, przynosząc zakładom efekty zarówno ekolo- giczne, jak i ekonomiczne. Wieloletnie doświadczenia Instytutu Odlewnictwa przy opracowywaniu i wdraŝaniu urządzeń i całych linii do regeneracji mas formierskich i rdzeniowych, oprócz niezaprzeczalnych korzyści bezpośrednio w odlewniach, znalazły równieŝ uznanie wśród organów decyzyjnych i kontrolnych w postaci nagród i wyróŝnień, z których najwaŝniejsze jsze to: Nagroda zespołowa Departamentu Nauki i Techniki MHiPM za WdroŜenie procesu regeneracji w Odlewni B FUM-Poręba (1984) I Nagroda w Konkursie Prezesa STOP pt.: Nowotechnologii odlewniczej podstawą rozwoju czesność przemysłu Opracowanie, wykonanie i wdroŝenie 74 ARCHIVES OF FOUND RY ENGINEERING V olum e 10, Special Issue 2/ , 71-76

5 prototypowej linii regeneracji piasków wg metody suchej wibracyjno-mechanicznej (1998) I Nagroda w Konkursie Transaction konkursie wdroŝeń i rozwiązań w przemyśle za Opracowanie i wdroŝenie do produkcji ekologicznej linii regeneracji piasków z zuŝytych mas samoutwardzalnych ze szkłem wodnym i z Ŝywicą alkaliczną rezolową w Metalodlew S.A. w Krakowie (2000) WyróŜnienie w Konkursie Prezesa STOP pt.: Nowoczesność technologii odlewniczej podstawą rozwoju przemysłu za Opracowanie metody oraz wdroŝenie regeneracji i recyklingu masy rdzeniowej w odlewni KFP Białogon SA (grudzień 2005). Projekt budowy i uruchomienia linii do regeneracji mas formiersko-rdzeniowych realizowany był w Metalodlew SA w latach , a więc w okresie, gdy wymagania Dyrektywy IPPC, wprowadzające nowe instrumenty ochrony środowiska oparte na obowiązku uzyskania przez odlewnie pozwolenia zintegrowanego na korzystanie ze środowiska były dopiero wprowadzane do ustawodawstwa poszczególnych krajów członkowskich Unii. W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych, w Europejskim Biurze ds. Kontroli Zanieczyszczeń Przemysłowych w Sewilli (EIPPCB) rozpoczęto prace nad opracowaniem dokumentów referencyjnych dla poszczególnych sektorów i branŝ, mające na celu wypracowanie kryteriów określających Najlepsze Dostępne Techniki (BAT) dla poszczególnych instalacji, w tym dla europejskiego odlewnictwa [3]. Dlatego projekt ten dopiero w ostatnim czasie został dostrzeŝony przez unijnych ekspertów i uznany jako wzorcowe rozwiązania dla innych europejskich odlewni. Stanowisko regeneracji wibracyjno-fluidyzacyjnej zaliczone zostało do instalacji wyznaczających najefektywniejsze i najbardziej nowoczesne kierunki rozwoju branŝy odlewniczej, umoŝliwiających nie tylko ograniczenie negatywnego wpływu odlewni na środowisko naturalne i poprawę warunków pracy, ale przynoszących równieŝ wymierne efekty ekonomiczne [17, 18]. Fakt zaliczenia opisanej instalacji w opublikowanych przez Komisję Europejską dokumentach referencyjnych dotyczących Najlepszych Dostępnych Technik (BAT) dla europejskich odlewni, jest wyróŝnieniem dla obu partnerów (spółki METALODLEW i Instytutu Odlewnictwa), współpracujących przy jego realizacji w ramach projektu celowego. Aktualnie w ramach działalności statutowej prowadzone są prace nad dalszym udoskonaleniem konstrukcji regeneratora wibracyjnego. Literatura [1] M. Holtzer, I. Kargulewicz, Possibilities to use waste moulding sands, IV Foundry Conference Technical Foundry XXI century, (in Polish), [2] Multi-author work: A guide for the best available techniques (BAT) recommendations for foundry sector, Ministerstwo Środowiska, 2005, [3] Integrated Pollution Prevention and Control Reference Document on Best Available Techniques in the Smitheries and Foundries Industry, May [4] J. Dańko, R. Dańko, M. Łucarz, The processes and equipment for reclamation of the used moulding sands, Kraków, Publishing House Akapit, cop (in Polish). [5] J. Dańko, M. Holtzer, R. Dańko, The analysis of reclamation systems in the aspect of reclaim quality and environmental protection, X Foundry Conference Technical (2007) (in Polish), [6] F. Pezarski, Z. Maniowski, I. Izdebska-Szanda, Progress in sand reclamation of sodium silicate bonded moulding sand, Ecological production of castings in the waterglass mixtures. Czechy Zlin1988 (In Polish) [7] F. Pezarski, Z. Maniowski, I. Izdebska-Szanda, Concrete mass regeneration as a factor improving materials management in foundry, Quality assurance in foundry 97,Solidification of metals and alloys, PAN Katowice (1997) no 33/1997, (in Polish), [8] F. Pezarski, Z. Maniowski, I. Izdebska-Szanda, The processes of sand reclamation from the used moulding mixtures with sodium silicate developed by Foundry Research Institute and implemented in industry, Slévárenstvi nr 7-8/1998 (in Polish) [9] F. Pezarski, I. Izdebska-Szanda, Z. Maniowski, Installations for reclamation process of moulding sand, VII Foundry Conference Technical - Foundry XXI century (2005) (in Polish), [10] F. Pezarski, I. Izdebska-Szanda, Z. Maniowski, Testing the reclamability of used foundry sands by a vibration method, Materials engineering nr 3/2003, Vol. X, ISSN [11] T. Bogacz, M. Młyński et al., Polish technical solution implemented in the firm METALODLEW S.A. as pattern for another european foundries, Foundry Review, no 7-8/2006, (PL ISSN ), , (in Polish). [12] F. Pezarski, E. Smoluchowska, I. Izdebska-Szanda, Mechanical reclamation of sand from two-layer moulds, Solidification of metals and alloys, PAN Katowice (1999), Vol. 1, no 41/1999, (in Polish), [13] Multi-author work, New Line for reclamation of sand from the waste moulding mixtures with alkaline resin, Acta Metallurgica Slovaca, no 2/2002 (1/2) Vol. 8, (in Polish), [14] I. Izdebska-Szanda, F. Pezarski, Z. Maniowski, E. Smoluchowska, Experience of Foundry Research Institute with resin bonded sand reclamation in small and medium foundries, International Conference - Moulding Materials and Cost Reductions for Casting, vol. 8 (ISBN ), p [15] I. Izdebska-Szanda, Z. Maniowski, F. Pezarski, Integrate system of reclamation moulding sand, Materials engineering nr 3/2006, Vol. XIII, (2006) , ISSN [16] I. Izdebska-Szanda, F. Pezarski, K. Stępniewski, Application of design projects developed by Foundry Research Institute in Krakow in construction of integrated stand for processing and reclamation of moulding sands by Foundry Research Institute, Archives of Foundry Engineering, Vol. 8, No 1, (2008) ARCHIVES OF FOUND RY ENGINEERING V olum e 10, Special Issue 2/201 0,

6 [17] S. MroŜek, J. Nycz, Technical development and proecological action taken by Metalodlew SA, Foundry Review, Vol. 54, No 1 (2004) (in Polish). [18] T. Bogacz, M. Młyński, Development of cooperation between Metalodlew SA and R&D centres, Foundry Review, Vol. 54, No 1 (2004) (in Polish). Abstract The reclamation of used moulding and core sands as a part of research programme of the Foundry Research Institute in Cracow The article presents a historical outline of studies carried out by the Foundry Research Institute in Cracow on technical and technological solutions regarding the development of a reclamation process of the used moulding and core sands with attention focused on the past twenty years. Various aspects that control studies of the sand reclamation, from the thermal process, through pneumatic reclamation, and with preferences focused on the application of a mechanical treatment of the used sand, were discussed. Particular emphasis was put on the vibration method. Examples of design solutions developed by the Foundry Research Institute in Cracow were described. They were implemented in industrial practice both at home and abroad. Their versatility and effectiveness as satisfying BAT criteria was stressed. 76 ARCHIVES OF FOUND RY ENGINEERING V olum e 10, Special Issue 2/201 0, 71-76