ANALYSIS OF WASTES ORIGIN IN A CAST IRON FOUNDRY AND POSSIBILITIES OF THEIR UTILIZATION

Transkrypt

1 12/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN ANALYSIS OF WASTES ORIGIN IN A CAST IRON FOUNDRY AND POSSIBILITIES OF THEIR UTILIZATION A. PRIBULOVÁ 1, Ľ. MIHOK 2, A. LASTIVKA 3, E.M. EMMIMA 4 Department of Ferrous Mettalurgy ad Foundry, Faculty of Metallurgy, Technical University in Kosice, Park Komenskeho 14, Kosice, Slovakia SUMMARY The foundry industry plays a very important role in the recycling of metals but on the other side it produces a big quantity of wastes. Dust is a major issue, it is generated in all process steps, in varying types and compositions. This contributions deals with utilization of coarse dust from the cleaning of castings back in foundry process. Key words: wastes, coarse dust, cleaning of castings, mould mixtures, pellets. 1. INTRODUCTION The European foundry industry is the third largest in the world for ferrous castings and second largest for non-ferrous ones. The annual production of castings in the enlarged European Union amounts 11.7 million tonnes of ferrous and 2.8 million tonnes of non-ferrous castings [1]. The foundry industry is a major player in the recycling of metals. Steel, cast iron and aluminium scrap is remelted into new products. Most possible negative environmental effects of foundries are related to the presence of a thermal process and the use of mineral additives. Environmental effects therefore are mainly related to the exhaust and off gases and to the re-use of disposal of mineral residues. 1 doc.ing., CSc., Alena.Pribulova@tuke.sk 2 prof.ing., Dr Sc., Lubomir.Mihok@tuke.sk 3 Ing., Andrej.Lastivka@tuke.sk 4 Ing.

2 94 2. WASTES ORIGINATED IN FOUNDRY The foundry process generates mineral dusts, products of incomplete combustion and organic carbons. Dust is a major issue, since it is generated in all process steps, in varying types and compositions. Dust is emmited from metal melting, sand moulding, casting and finishing. Any dust generated may contains metal and metal oxides. The foundry process can be divided into the following major activities that create next wastes: Melting and metal treatment, main wastes are slag and flue dust. Preparation of mould and core mixtures and moulds and cores - dust, its chemical composition is dependent on the kind of used binder. Casting of the molten metal into the moulds, cooling for solidification and removing the castings from the moulds - used mould and core sands, they represent the biggest quantity of wastes from foundry. Finishing of the raw castings, among them cleaning of castings is classed - the product of cleaning operations is coarse dust or sludge by wet cleaning. Every of these operations brings some quantity of by-products or wastes that can be utilized directly in the foundry or in another plant, in opposite case it is necessary to dump them. This contribution deals with possibilities of utilization of coarse dust from cleaning of castings. The cleaning of castings can be made by next ways [2]: Shotblasting is the process of casting cleaning in drums and chambers by a jet of blasted shot-rounded grains of 0.8 to 2.5 mm in diameter thrown at a speed of 20 to 30 m/s by compressed air. The efficiency of the process depends on the pressure of air, nozzle diameter and the distance from the surface being cleaned to the nozzle. In pneumatic shotblasting the castings are cleaned by a jet of blasted shot forced out from a rubber hose nozzle directed at the surface of a casting by the operator. Airless shotblasting. The shotblast wheel (rotor) has usually 8 wear resistant chromium alloy iron blades radially arranged on the wheel hub between two discs. The shot moves through a sleeve distributor and drops on the wheel blades which accelerate the abrasive material. Hydroblasting uses the kinetic energy of a jet of water under a pressure of 9.8 to 19.6 MPa which piels off the skin of burnt - on sand, breaks down cores and washes away the fragments from casting cavities. Hydroblast abrasive cleaning uses a cleaning suspension that consists of the quartz sand grains, synthetic corundum, metal grit, water and surfactanal. An ejector throws out an abrasive jet of suspension on the surface of a casting, which grinds the surface and thus cuts off projections and decreases the surface roughness.

3 95 3. EXPERIMENTAL PART 3.1. Present situation in the foundry The Foundry VSS, a.s. Kosice, which makes cast iron castings, produces every year about kg coarse dust from cleaning operations. The dust is removed on a waste depot. Because the fees for the waste depot grow every year it is an effort to find some way for utilization of the coarse dust. The Foundry VSS, a.s, Kosice produces above all cast iron and in less quantity nodular cast iron too. The amount of produced castings was in year 2005 about 3500 t and for this year is expected the production about 4000 t of castings. Moulds are made from moulding mixtures on the base of bentonite and furan. The foundry makes a reclamation of used furan moulding mixtures. Moulds are manufactured by hand or by machinery on moulding machines the Foromat type. Cores are made with Alfaset and Cold box system. Melting is made in cupola furnace (in this time it is out production) and in two electric induction furnaces. Both of the furnaces have a capacity 6 t and they work by line frequency. After cooling and solidification the castings are knocked out on knock out grid on vibration principle. They are cleaned by steel-grit or cast iron grit blasting. The consumption of blasting grit is about 1.8 kg per 1 t of castings. The foundry uses next types of machines for cleaning: shot-blasting barrel, hydroblast machine, rotary table blast machine Realised experiments Chemical analysis of coarse dust, that was made by wet way on the Department of Ferrous Metallurgy and Foundry, Faculty of Metallurgy in Kosice, showed that it was a very non homogeneous material. 3 samples were analyzes but the results were very different. Fe content was from 4 % to 21% and SiO 2 content 50 78%. Next step was a magnetic separation of the dust. Content of metallic fraction after magnetic separation was 31% and non metallic fraction 69%. Metallic fraction was divided into 3 samples and they were melted in Tamman furnace. Course of melting of all 3 samples was very different. First of the samples started to melt by temperature 1200 C and whole sample was liquid by temperature 1500 C but lost of weight of sample was about 62%. The second one was liquid by temperature 1496 C and the lost of weight was 45%. The third sample was in solid state to temperature about 1600 C and by temperature 1620 C was created the solid crust on the surface. Microscopic analysis of the samples after smelting shows the high part of iron phase, Fig.1, and possibility to use the metallic part of the dust in metallic charge into the furnace.

4 96 Fig.1. Sample of metallic part of the dust after smelting (100x). After these experiences the second series of experiments started. Coarse dust from blasting machines was separated by the used binder in moulding mixture. Sample A was from the cleaning of castings which were cast into the moulds with bentonite binder and sample B from the castings cast into the moulds with furan binder. The experiments were realized in 3 steps: a. magnetic separation of the dust, b. microscopic observation of non-metallic part, c. pelletization of ferrous part. a) After magnetic separation of the dust next samples were at disposal: A1 metallic part bentonite binder, A2 non metallic part bentonite binder, B1 - metallic part furan binder, B2 non metallic part furan binder. Tab.1 shows the chemical analysis of the samples. Tabela 1. Skład chemiczny próbek po separacji magnetycznej, % mas. Table 1. Chemical analysis of samples after magnetic separation, weigh % sample SiO 2 Fe FeO MgO MnO P S C A A B B b) Samples A2 and B2 were observed under stereomicroscope by enlargement 100x. Fig.2 and Fig.3 show shapes of SiO 2 grains. It is clear from the pictures that the grains of SiO 2 from the cleaning of castings cast into bentonite moulding mixture were bigger and cleaner that grains from furan moulding mixture. Sample A2 is comparable with

5 97 new sand and the grains are cleaner than SiO 2 grains after regeneration, Fig.4. Granulometric analysis showed the high content of dust particles. Rys. 2. Próbka A2 (masa z bentonitem). Rys. 3. Próbka B2 (masa z żywicą furanową). Fig. 2. Sample A2 (bentonite binder), 100 x. Fig. 3. Sample B2 (furan binder), 100 x. c) Samples A1 and B1 were mixed with 1% of bentonite and water and they were pelletized at the Department of Ferrous Metallurgy and Foundry in Kosice. The green pellets were fired in the furnace by temperature 1100 C. The fired pellets have sufficient strength for use in the furnace charge. Pellets from the sample A1 and B1 are on the Fig CONCLUSIONS Rys. 4. Ziarna SiO 2 po regeneracji mas z żywicą furanową, 100x. Fig. 4. Grains of SiO 2 after regeneration of furan mould mixtures, 100x. This article presents the first part of a research (VEGA 1/3148/06) focused on the utilization of foundry wastes. From the realized experiments follows:

6 98 Grain dust from cleaning of cast iron castings contains about 31% of metallic fraction. Fe content in metallic fraction is about 70 80%. Metallic fraction can be treated be pelletizing. Rys. 5. Pelety wykonane z frakcji metalicznej pyłów (po lewej próbka B1, po prawej próbka A1). Fig. 5. Pellets made from he metallic part of grain dust (left sample B1, right sample A1). Non metallic part, specially from the cleaning of castings cast into bentonite mould mixtures, contains high portion of SiO 2 and the shape of grains is comparable with regenerate. Next experiments will be focused on the utilization of metallic part (pellets) in the cupola furnace charge or EIF and non metallic part for preparing of moulding mixtures. REFERENCES [1] Integrated Pollution Prevention and Control, Reference Document on Best Available Techniques in the Smitheries and Foundries Industry, July [2] N.D. Titov, Yu.A. Stepanov: Foundry practice, Mir Publishers, Moscow (1981). Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer.

7 99 ANALIZA POCHODZENIA ODPADÓW W ODLEWNI ŻELIWA I MOŻLIWOŚCI ICH UTYLIZACJI WPROWADZENIE Przemysł odlewniczy Europy jest trzecim w świecie pod względem wielkości produkcji odlewów ze stopów żelaza i drugim w zakresie produkcji odlewów ze stopów metali nieżelaznych. Przemysł odlewniczy odgrywa główna rolę w zakresie recyklingu metali. Najbardziej negatywny wpływ odlewni na środowisko związany jest z wykorzystywaniem procesów termicznych i stosowaniem dodatków mineralnych. Dotyczy to głównie emisji szkodliwych gazów do środowiska oraz powstawania odpadów. Jednym z zanieczyszczeń generowanym w każdym etapie procesu odlewniczego są pyły. Jednak skład chemiczny i ziarnowy tych pyłów różni się w zależności od miejsca ich powstawania. Poważnym źródłem pyłów są operacja oczyszczania odlewów. W Odlewni VSS Kosice produkującej odlewy żeliwne (w roku 2005 wyprodukowno 3500 Mg odlewów) rocznie jest generowanych około Mg pyłów z procesów oczyszczania. Aktualnie pył ten jest deponowany na składowiskach. Jednak ze względu na coraz wyższe opłaty za składowanie odpadów odlewnia poszukuje metod zagospodarowania tego pyłu. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Analiza chemiczna pyłu wykazała, że jest to materiał wysoce niejednorodny. Zawartość Fe wynosiła od 4 do 21%, natomiast SiO 2 od 50 do 78%. Przeprowadzona separacja magnetyczna pyłu dała frakcję metaliczną w ilości 31% oraz frakcję niemetaliczną w ilości 69%. Uzyskana w wyniku separacji magnetycznej frakcja metaliczna została podzielona na 3 próbki i przetopiona w piecu Tammana. Przebieg procesu topienia każdej próbki przebiegał inaczej, jeżeli chodzi o temperaturę topienia oraz straty masy. Analiza mikroskopowa próbek pyłu po stopieniu wykazała wysoki udział fazy żelaza metalicznego (rys. 1), co stwarzało możliwość zastosowania tej metalicznej części jako wsadu do pieca. Druga seria eksperymentów obejmowała rozdział pyłów z oczyszczania odlewów wykonywanych w różnych masach. Próbki serii A pochodziły z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z bentonitem, natomiast próbki serii B z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z żywicą furanową. Badania te realizowane były w trzech etapach: a) magnetyczna separacja pyłu, b) mikroskopowa obserwacja frakcji niemetalicznej, c) peletyzacja frakcji metalicznej. Po separacji magnetycznej próbki pyłu były poddane następującym operacjom (tabela 1):

8 100 A1 frakcja metaliczna (pył z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z bentonitem) wymieszana z dodatkiem 1% bentonitu i wody, a następnie wykonano z niej pelety. B1 frakcja metaliczna (pył z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z żywica furanową) wymieszana z dodatkiem 1% bentonitu i wodą, a następnie wykonano z niej pelety. A2 frakcja niemetaliczna (pył z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z bentonitem). B2 frakcja niemetaliczna (pył z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z żywicą furanową). Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono obrazy mikroskopowe (pow. 100 x) odpowiednio próbek A2 i B2. Widoczne jest, że ziarna SiO 2 pochodzące z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z bentonitem są większe i bardziej czyste (rys. 2) niż ziarna pochodzące z odlewów wykonanych w masach z żywicą furanową (rys. 3). Ziarna zawarte w próbce A2 są porównywalne z ziarnami świeżego piasku i bardziej czyste niż ziarna piasku uzyskane po regeneracji (rys. 4). Analiza granulometryczna wykazała obecność dużej ilości pyłu w badanych próbkach. Wilgotne pelety wykonane z próbek A1 i B1 były wygrzewane w piecu w temperaturze 1100 o C. Wytrzymałość jaką uzyskały po tym procesie pozwalała na wykorzystanie ich jako wsad do pieca topialnego (rys. 5). WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: pył pochodzący z oczyszczania odlewów żeliwnych zawiera około 31% frakcji metalicznej. Udział Fe w tej frakcji wynosi 70 80%; frakcja metaliczna może być poddawana peletyzacji; frakcja niemetaliczna, szczególnie ta pochodząca z pyłów z oczyszczania odlewów wykonanych w masach z bentonitem, zawiera dużo SiO 2, a kształt ziarn jest porównywalny z ziarnami regeneratu; dalsze badania będą koncentrować się na utylizacji frakcji metalicznej (pelet) jako wsad do żeliwiaka lub pieca indukcyjnego oraz frakcji niemetalicznej do sporządzania mas formierskich.