WPL YW PARAMETRÓW EKOLOGICZNEGO PROCESU PRODUKCYJNEGO NA JAKOŚĆ~ FORMY CERAM][CZNEJ I ODLEWU W METODZIE WYTAPIANYCH MODELI

Transkrypt

1 14/41 Solidification of Metais and Alloys, Y e ar 1999, Volume l, Book No. 41 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik l, Nr 41 PAN- Katowice PL ISSN WPL YW PARAMETRÓW EKOLOGICZNEGO PROCESU PRODUKCYJNEGO NA JAKOŚĆ~ FORMY CERAM][CZNEJ I ODLEWU W METODZIE WYTAPIANYCH MODELI HARA TYM Roman 1, KAR WIŃSKI Aleksander 2 1 Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, 2 Zakład Technologii, Instytut Odlewnictwa w Krakowie. Streszczenie Przeprowadzono analizę jakości form ceramicznych i odlewów precyzyjnych wykonanych ze stopu AK9 w aspekcie poprawy warunków ekologicznych procesu produkcyjnego jak; obniżenie ilości szkodliwych zanieczyszczeń powietrza w odlewni oraz zmniejszenie zanieczyszczeń poza odlewnią przez obn iżenie en e rgochłonności wytwarzanych odlewów. Udowodniono, że wzrost jakości wyrobu (odlewu) w kolejnej fazie procesu wytwarzania może być dokonany przy jednoczesnej poprawie warunków pracy w odlewni precyzyjnej i zmniejszeniu szkodliwych czynników poza odlewnią (w skali globalnej - krajowej). Wstęp Od czasu światowego kryzysu energetycznego, który miał miejsce w latach siedemdziesiątych XX wieku, wszystkie kraje są zainteresowane obniżeniem energochłonności podczas produkcji wyrobów. Nadmierne zu;tycie energii negatywnie wpływa na środowisko przyrodnicze. Przemysł energetyczny jest główną przyczyną zanieczyszczenia powietrza [ l ]. Podstawowym źródłem powstawania takich zanieczyszczeń jak tlenki siarki, węgla i azotu jest przemysł energetyczny (50 do 60% zanieczyszczeń). Energochłonność przemysłu w Polsce jest jedną z najwyższych w świecie (rysunek 1). Energochłonność wytwarzanych wyrobów przemysłowych najbardziej efektywnie można zmniejszyć w fazie projektowania poprzez zmniejszenie ilości użytego materiału na jednostkę wyrobu i w fazie produkcji przez zastosowanie mniej energochłonnej technologii.

2 107 lkgpu..:: 251.) M., l'aństwa Rysunek l. Energochłonn o ść przemys łu maszynowego w różnych państwach. Figure l. The national differences in the level of the consumption of energy in machine industry. Energochłonność wytwarzania danego odlewu będziemy mierzyć ilością energii włożonej w każdą fazę procesu produkcyjnego. Im więcej faz wyodrębnimy tym energochłonność będzie dokładniej obliczona. Z uwagi na objętość referatu obliczenie energochłonno ś ci będzie bardziej ogólne z uwzględnieniem aspektu ekologicznego. Energochłonność całkowita (skumulowana) powinna być sumą czterech strumieni energii [ 2 ]. Energochłonność skumulowanajest wtedy sumą : l. nośników energii, 2. energii włożonej w produkcję surowców i materiałów technologicznych, 3. energii włazonej w urządzenia i maszyny technologiczne, 4. energii siły roboczej. Jakość formy ceramicznej w aspekcie ekologii. Forma ceramiczna w metodzie wytapianych modeli jest formą nie dzieloną, wi e lowarstwową wykonaną przez nakładanie kolejnych warstw na model woskowy. Wykonanie formy ceramicznej jest jedną z główny ch operacji wykonania odlewu precyzyjnego. Proces wykonania odlewu dzielimy najczęściej na pięć główn y ch operacji technologicznych (rysunek 2). Zaliczamy do nich: ~ wykonanie matrycy, najc zę śc iej metalowej, do wytwarzania modeli woskowych, ~ wykonanie modeli woskowych, ~ wykonanie form ceramicznych (wraz z wytapianiem modeli woskowych wygrzewanie form ceramicznych), ~ topienie metalu i zalewanie form ceramicznych, ~ wykańczanie odlewów.

3 108 Rysunek 2. Uproszczony schemat technologiczny w metodzie wytapianych modeli. Figure 2. The technological scheme in investment casting process. Proces był monitorowany podczas wykonania modelu woskowego (rysunek 3) na bazie, którego sporządzono następnie formę ceramiczną i odlew. 1vVVVVll l ~t (U -q Rys unek 3. K sz tałt monitorowanego odlewu. Figure 3. The shape o f casing monitored. Podstawowymi parametrami technologicznymi w procesie wykonania formy ceramicznej, które później głównie wpływają na jakość odlewu, są: a) dokładne odwzorowanie kształtu modelu, b) własności wytrzymałościowe formy ceramicznej, c) przepuszczalność formy ceramicznej. W pracy [ 3 ] udowodniono, że zastosowanie "wodnego" spoiwa krzemianowego EKOSIL [ 4 ] zamiast spoiwa na bazie krzemianu etylu pozwoli na

4 109 dokładniejsze odwzorowanie kształtu modelu (rysunek 3) przez wykonaną przy jego zastosowaniu formę ceramiczną. Jednocześnie zamiana krzemianu etylu na EKOSIL poprawi warunki pracy w odlewni przez wyeliminowanie toksycznych krzemianu etylu i alkoholu etylowego. Biorąc pod uwagę fakt, że choroby zawodowe w znaczący sposób wpływają na długość życia ludzkiego w Polsce [ 6 ], które jest jednym z najniższych (dla mężczyzn) w Europie, każda poprawa warunków pracy w odlewni nie jest bez znaczenia. Na rysunku 4 przedstawiono wytrzymałość form ceramicznych, natomiast na rysunku 5 porównano przepuszczalność form ceramicznych wykonanych na spoiwach krzemianowych (z użyciem krzemianu etylu) oraz spoiwie EKOSTL...J ifj o ~ LlJ 0.. o ~ ifj ~ ~ L ~ Rysunek 4. Wytrzymałość na zginanie form ceramicznych wykonanych z udziałem różnych spoiw. Figure 4. Bending strength o f ceramie moulds designed with different binders. Rysunek 5. Przepuszczalność form ceramicznych wykonanych z udziałem różnych spoiw. Figure 5. Permeability ofceramic moulds designed with different binders. Do pomiarów wytrzymałości i przepuszczalności form ceramicznych użyto różne rodzaje spoiw krzemianowych, aktualnie stosowane w polskich odlewniach precyzyjnych, oraz materiały kwarcowe krystaliczne. Pomiary prowadzono według metod opisanych we wcześniejszych publikacjach [1,7]. Energochłonność wykonania odlewów ze stopu AK 9 w zależności od rodzaju użytego spoiwa. W naszym przypadku obliczymy tylko energochłonność technologii konkretnego odlewu precyzyjnego Eor. bez obliczania cząstkowych energii pozyskania i

5 110 przetwarzania surowców i materiałów zawartych w gotowym wyrobie (np. nie uwzględniono energii wtórnej zawartej w złomie obiegowym). Energochłonność E 0 p będzie równa: Eor = E Went + E wm + E FC + E w cm + E wo Odlew (rysunek 3) jest wykonany z AK 9 ma masę 65 gram. Masa zestawu - 25 sztuk odlewów z układem wlewowo - zasilającym wynosi około 2650 gram. Zakładając l 0% braków i uzysk około 62%, ustalamy, że odlew ma masę obliczeniową potrzebną do określenia zapotrzebowania na ciekły metal około 116 gram. Proces wykonywania odlewów był następujący; model wykonano z mieszanki parafinowo - stearynowej z dodatkiem wosku Montana. Formy ceramiczne sporządzono na bazie krzemianu etylu i zolu kwasu krzemowego nakładanych naprzemiennie oraz krystalicznych materiałów kwarcowych. Odlewy zalewano grawitacyjnie, do form o wysokości 320 mm i o temperaturze 320 C, ciekłym metalem o temperaturze 725 C. Energochłonność w poszczególnych operacjach procesu wytwarzania odlewów [ 1 ], przy równoważniku l kwh= 9,3 MJ (zgodnie z literaturą [ 5 ]), była następująca: l. E wm 1 - Energochłonność wykonania matrycy do wytwarzania modeli woskowych - dla matrycy metalowej o masie l,5 kg, wykonanej metodą obróbki skrawaniem wynosi kj. Zakładając wykonanie w niej sztuk modeli, dla l kg odlewów E wm 1 będzie równa około 2,25 kj, II. E WM -Energochłonność wykonania modelu woskowego - wynosi 33 I0,74 kj na I kg odlewów wykonanych ze stopu AK 9, III. E re- En ergochłonnoś ć wykonania formy ceramicznej- dla l kg odlewów wynosi 25237,9 kj, IV. E wcm - Energochłonność wytapiania ciekłego metalu i zalewania formy ceramicznej ciekłym metalem - dla I kg odlewów wynosi 8364,2 JeJ, V. E wo- Energochłonność wykańczania odlewu wraz z ohróbką cieplną - wynosi 8356,9 kj. Energochłonność całkowita Eor"" kj (wariant I). Zastosowanie spoiwa EKOSIL na formy ceramiczne przy grawitacyjnym zalewaniu, ze względu na wyższą wytrzymałość i lepszą przepuszczalność, daje możliwość użycia wyższych wlewów głównych w formach ceramicznych. W wyniku tego otrzymamy zwiększenie uzysku z 62 do 68% (wariant II procesu ). Zastosowanie spoiwa EKOSIL na formy ceramiczne w przypadku wykonywania odlewu ze stopu AK 9 metodą podciśnieniową (proces CLA) spowoduje dalsze zwiększenie uzysku z 68 do 82% (wariant III procesu). W związku z powyższym, szacunkowo obliczona calkowita energochłonność odlewu E 0 p dla wariantu II (na l kg odlewu) wyniesie E 0 r 11 = 43225,8 kj oraz dla wariantu III otrzymamy Eopm= 39199,6 kj.

6 III Analiza wyników W wyniku wprowadzenia "wodnego" spoiwa EKOSIL w miejsce krzemianu etylu i Sikopu zostanie zmniejszona energochłonność całk owita odlewu EoP dla wariantu II (w porównaniu do wariantu l) o około 2016 kj oraz dla wariantu III o około 6072 kj. Jednocześnie badania odlewów ze stopu AK 9 prowadzone w Politechnice Warszawskiej wykazały, że poprawiła się znacznie jakość ich powierzchni; R. (dla wariantu I) wynosi od około 3 do 5 11m zaś wariantu III R."" 0,9 do 2,0 wn. Ponadto gdyby p rzyjąć, że połowę roc?..nej produkcji odlewów precyzyjnych w Polsce (czyli około 480 ton) wykonać w wariancie III zamiast w I to uzyskano by roczne oszczędności energii rzędu 2428* I 0 3 MJ ( kwh). Dzięki temu można by zmniejszyć szkodliwe zanieczyszczenie środowiska ograniczając np. emisję do atmosfery S0 2 i N0 2 o około kilkaset ton za ś C0 2 o około kilka tysięcy ton rocznie. Wnioski l. Zastosowanie EKOSILU jako spoiwa w odlewnictwie precyzyjnym w kraju spowoduje roczne oszczędności energii około 2,61 * 10 3 kwh, przy jednoczesnej poprawie jakości formy ceramicznej i odlewów precyzyjnych. 2. Oszczędności energii przy obniżeniu energochłonności wytwarzanych odlewów związane są również ze zmniejszeniem emisji szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery takich jak S0 2 N0 2 i C0 2 Spowoduje to poprawę warunków ochrony środowiska naturalnego. Literatura [l] Roman Haratym, Andrzej Kolasa: "Ekologiczne wytwarzanie części maszyn" Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1997 [2] Aleksander Sala: "Zmniejszenie energochłonności " Wydawnictwo MCNEMT Radom, 1993, [3] Aleksander Karwiński, Roman Haratym: "Jakość form ceramicznych w procesie wytapianych modeli" Acta Metallurgica Slovacia, Koszyce, 1999, [4] Zbigniew Adamczyk, Aleksander Karwiński, Jerzy Stachańczyk : Zgłoszenie patentowe nr P [5] Praca zbiorowa GUS, Rocznik Statystyczny RP ZWS Warszawa 1998, [6] Praca zbiorowa GUS Ochrona Środowiska ZWS Warszawa 1998 [7] Aleksander Karwiński: "Nowoczesne metody badań laboratoryjnych w odlewnictwie precyzyjnym" - materiały szkoleniowe dla pracowników odlewni precyzyjnych, Instytut Odlewnictwa, Kraków, Recenzował : Marcin Perzyk