Wstępne badania procesu granulacji pyłów odpadowych z procesu regeneracji osnowy piaskowej mas z żywicą furanową

Transkrypt

1 A R C H I V E S of 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 12 Special Issue 1/ /1 Wstępne badania procesu granulacji pyłów odpadowych z procesu regeneracji osnowy piaskowej mas z żywicą furanową J. Kamińska a *, J. Dańko a a AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Odlewnictwa, ul. Reymonta 23, Kraków, Polska *Kontakt korespondencyjny: kaminska@agh.edu.pl Otrzymano ; zaakceptowano do druku Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań procesu granulacji odlewniczych pyłów generowanych w procesie suchej regeneracji mechanicznej mas zużytych, których spoiwem są żywice furanowe. Badania obejmowały wytworzenie granulatu o określonych parametrach wymiarowych i wytrzymałościowych. Granule tworzono z mieszaniny pyłów składającej się w 50% mas. z pyłów uzyskanych po regeneracji masy furanowej i w 50% mas. pyłów z masy z bentonitem. Nawilżony pył z masy bentonitowej został użyty jako spoiwo umożliwiające granulowanie się pyłów poregeneracyjnych z masy furanowej. Wyznaczono następujące parametry gotowego produktu finalnego: zawartość wilgoci (W), oraz wytrzymałość zrzutową granulek (W z ), badaną bezpośrednio po procesie granulacji oraz po 1, 3, 5, 10 dobach sezonowania, wodoodporność granulek po 24 h zanurzenia w wodzie, porowatość powierzchniową (e p ) oraz porowatość objętościową (e v ). Ponadto określono wytrzymałość zrzutową oraz wodoodporność granulatu wysuszonego w temperaturze 105 o C. Badania przeprowadzono dla kąta nachylenia misy granulatora wynoszącego 45 o, przy czym dla zadanego kąta nachylenia prowadzono badania dla trzech prędkości obrotowych misy wynoszących: 10, 15, 20 obr/min. Dla prędkości 10 obr/min przeprowadzono również próby granulacji mieszaniny pyłów po wstępnym mieszaniu w mieszarce krążnikowej oraz z dodatkiem szkła wodnego w ilości 2% w stosunku do ilości pyłu. Wyniki badań wskazują, że granulator pozwala na uzyskanie granul z pyłów pochodzących z regeneracji mas formierskich z żywicą furanową z dodatkiem pyłów ze stacji przerobu mas bentonitowych. Słowa kluczowe: masy formierskie, pył poregeneracyjny, granulacja, ochrona środowiska. 1. Wprowadzenie Analiza struktury oraz ilości odpadów generowanych w odlewniach wnosi informacje odnośnie do prób zagospodarowania odpadów przez ich recykling czy odzyskiwanie niektórych składników. Pyły z odpylania pieców oraz żużle z procesów wytapiania ciekłego metalu mogą być powtórnie wykorzystane w odlewnictwie lub w innych gałęziach przemysłu [1, 2]. W systemach suchej regeneracji mas zużytych powstaje nawet do 10% mas. pyłów poregeneracyjnych, w których są skumulowane znaczne ilości resztek spoiwa lub lepiszcza usuniętego z ziaren piasku oraz produktów ścierania samego piasku [3-6]. W przypadku mas zużytych z żywicami pyły te często posiadają wysokie wartości strat prażenia (ponad 30%), co świadczy o znacznej zawartości części palnych [7]. 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /

2 Składowanie tego typu odpadów (pyłów) wymaga stosowania odpowiednio zabezpieczonych składowisk, co związane jest ze znacznymi kosztami [8]. O możliwości zagospodarowania pyłów poregeneracyjnych decyduje kilka właściwości i sposób przetworzenia postaciowego pyłów. Najczęściej bierze się pod uwagę składy: chemiczny, ziarnowy, fazowy, zawartość części lotnych i krzemionki, ph oraz wpływ na otaczające środowisko [9]. Sypkie masy samoutwardzalne z żywicami furanowymi mają nadal jeszcze największe zastosowanie spośród SMS z żywicami syntetycznymi. Mogą być one używane do sporządzania tak form, jak i rdzeni i to o różniej wielkości i kształcie, a także do odlewów ze wszystkich stopów odlewniczych [10]. Pyły pochodzące z regeneracji tych mas stwarzają poważne trudności podczas ich załadunku i transportu na składowisko, ze względu na wysoki stopień pylenia. Dlatego jednym z kierunków zagospodarowania tych pyłów może być ich wcześniejsze granulowanie [8]. 2. Program badań własnych Skład chemiczny granulowanych pyłów zestawiono w tabeli 1. Procesowi granulowania, w prototypowym granulatorze misowym [11], była poddawana mieszanka pyłów składająca się w 50% mas. z pyłów z masy z bentonitem (tab. 1a) i w 50 % mas. z pyłów uzyskanych po regeneracji masy furanowej (tab. 1b). Tabela 1. Skład chemiczny granulowanych pyłów: a pył z masy z bentonitem, b pył z masy z żywicą furanową a) b) Składnik Koncentracja [%] Al 5,64 C 16,80 Ca 0,82 Fe 1,07 K 0,69 Mg 1,17 Na 1,26 S 0,24 Si 24,74 Koncentracja [ppm] Bi < 6,00 O 42,15 Pb 37,00 Sb < 1,00 Zawartość Składnik składnika [% masowy] Al 2 O 3 4,30 CaO 0,30 Cl - 0,011 Fe 2 O 3 2,43 K 2 O 1,25 MgO 1,07 Na 2 O 0,27 SiO 2 85,60 SO 3 0,12 ZrO 2 1,13 aglomeracji i powstawały granulki, których średnice wahały się w granicach od 3 do 60 mm. Wyniki badań właściwości fizyko-chemicznych i wytrzymałościowych pyłów uzyskanych z regeneracji masy furanowej i z systemu odpylania przerobu masy z bentonitem zostały przedstawione w badaniach własnych [12, 13]. 3. Wyniki badań W pierwszym etapie badań wyznaczono doświadczalnie optymalną ilość dodatku pyłu bentonitowego w stosunku do ilości pyłu poregeneracyjego z mas z żywicą furanową, tak aby dana mieszanka pyłowa podlegała procesowi granulacji. Dodatek pyłu zmieniano w zakresie od 25 do 50%, co 5%. Zmianę odczynu chemicznego (rys. 1) oraz strat prażenia (rys. 2) gotowych granul w zależności od składu mieszanki pyłowej przedstawiono poniżej. Można zauważyć, iż wraz ze wzrostem ilości dodatku pyłu z mas bentonitowych w mieszance, następuje obniżenie kwasowości mieszanki. Przy wyznaczonym optymalnym składzie (50/50%) mieszanka ma ph w okolicach 7, a wiec charakter praktycznie obojętny. Rys. 1. Odczyn chemiczny granul, uzyskanych z mieszanki pyłowej, w zależności od jej składu procentowego; oznaczenia: B pył z masy z bentonitem, F pył z masy z żywicą furanową Przeciwny charakter zależności obserwuje się dla strat prażenia. Zwiększenie dodatku pyłu bentonitowego powoduje wzrost wartości straty prażenia, ze względu na występujący pył węglowy. Mieszanka pyłów, w ilości 10kg, podawana była porcjami na misę granulującą i zraszana wodą w ilości ok. 16% mas. w stosunku do ilości pyłu. Misa granulacja obracała się kolejno z zadanymi prędkościami (10, 15 i 20 obr/min), przy kącie nachylania wynoszącym 45 o. Zwilżany materiał w misie ulegał 98 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /

3 Rys. 2. Straty prażenia granul, uzyskanych z mieszanki pyłowej, w zależności od jej składu procentowego; oznaczenia jak na rys. 1 Po określeniu optymalnego składu mieszanki przeprowadzono właściwy proces granulacji. Przykładowy rozmiar uzyskanych granulek przedstawiono na rysunku 3. Rys. 4. Zależność wytrzymałości zrzutowej od czasu sezonowania granul, prędkość obrotowa misy granulatora 10 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Zależność wytrzymałości zrzutowej granul od czasu sezonowania dla prędkości wynoszącej 15 obr/min przedstawiono na rysunku 5. Najwyższą wytrzymałością rzutową po 1 i 3 zrzucie charakteryzuje się granulat surowy (wyjściowy) oraz po 10 dniach sezonowania. Początkowy czas sezonowania powoduje spadek wytrzymałości. Rys. 3. Frakcje granulatu z mieszanki pyłów, prędkość obrotowa misy granulatora 10 obr/min, kąt nachylenia 40 o, skala w cm Na rysunku 4 przedstawiono zależność wytrzymałości zrzutowej granul przy prędkości obrotowej misy granulatora wynoszącej 10 obr/min. W przypadku próbek badanych po 1 zrzucie obserwuje się stały spadek wytrzymałości wraz ze zwiększeniem czasu sezonowania. Najniższą wytrzymałość otrzymuje się po 10 dniach sezonowania. W przypadku wytrzymałości uzyskanej po 3 zrzutach do 5 dnia obserwuje się spadek wytrzymałości wraz z czasem sezonowania. Po przekroczeniu tego czasu następuje wzrost wytrzymałości granul. Rys. 5. Zależność wytrzymałości zrzutowej od czasu sezonowania granul, prędkość obrotowa misy granulatora: 15 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Analogiczną zależność wytrzymałości zrzutowej od czasu sezonowania dla prędkości wynoszącej 20 obr/min przedstawiono na rysunku 6. Granulat surowy oraz po 10 dniach sezonowania, po pierwszym zrzucie, osiąga praktycznie 100% wytrzymałości. Po zrzucie na płytę stalową granule nie ulegają rozpadowi. Najniższą wytrzymałość granule otrzymują po 5 dniach sezonowania. Podobny przebieg ma krzywa wytrzymałości badanych próbek po 3 zrzutach, przy czym najwyższą wytrzymałość osiąga po 3 dniach sezonowania. 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /

4 Rys. 6. Zależność wytrzymałości zrzutowej od czasu sezonowania granul, prędkość obrotowa misy granulatora: 20 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Rysunek 7 przedstawia wpływ czasu sezonowania na zawartość wody w granulach. Dla wszystkich prędkości obrotowych misy granulatora, stały wzrost czasu sezonowania granul powoduje zmniejszenie ilości wody w nich zawartej wskutek wysychania. Krzywa, dla prędkości wynoszącej 20 obr/min, ma charakter prawie liniowy. Rys. 8. Zależność wytrzymałości zrzutowej od prędkości obrotowej misy granulatora dla granul wysuszonych w temp. 150 C/3h Wyniki pomiaru powierzchniowego i objętościowego granul przedstawiono na rysunku 9. Początkowe zwiększenie prędkości obrotowej misy z 5 do 10 obr/min powoduje znaczne zmniejszenie wymiaru granul. Dalsze zwiększenie prędkości obrotowej nie powoduje dużych zmian wielkości granul. Pomiar objętościowy ma na celu wyznaczenie przybliżonej gęstości granul. Zwiększenie prędkości obrotowych misy granulatora nie powoduje różnic w gęstości otrzymanych granul. Rys. 7. Wpływ czasu sezonowania na zawartość wody w granulach Zależność wytrzymałości zrzutowej granul wysuszonych w temperaturze 150 C przez 3 godziny przedstawia rysunek 8. Zarówno dla wytrzymałości po 1 jak i po 3 zrzutach wzrost prędkości obrotowej misy granulatora powoduje zwiększenie wytrzymałości. Rys. 9. Wymiary powierzchni i objętości granul w zależności od prędkości obrotowej misy granulatora Dla prędkości obrotowej misy granulatora wynoszącej 10 obr/min przeprowadzono również próby granulacji mieszaniny pyłów po wstępnym ich mieszaniu w mieszarce krążnikowej (czas mieszania 3 min, bez wstępnego nawilżania) oraz z dodatkiem szkła wodnego w ilości 2% w stosunku do ilości pyłu. Krzywe wytrzymałości zrzutowej po 1 zrzucie przedstawiono na rysunku 10, natomiast po 3 zrzutach na rysunku 11. Zarówno po 1 jak i po 3 zrzucie najwyższą wytrzymałością charakteryzują się granule z mieszaniny pyłów z dodatkiem szkła wodnego, natomiast najniższą granule czyste z granulatora bez dodatków i wstępnego mieszania. W przypadku wytrzymałości po 1 zrzucie zwiększenie czasu sezonowania powoduje obniżenie wytrzymałości granul. W przypadku wytrzymałości po 3 zrzutach początkowe zwiększenie czasu sezonowania granul powoduje spadek ich wytrzymałości. Po 10 dniach sezonowania obserwuje się nieznaczny wzrost wytrzymałości. 100 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /

5 Zawartość wody, % Wytrzymałość zrzutowa Wz po 3 zrzucie, % Wytrzymałość zrzutowa Wz po 1 zrzucie, % 96 czyste ze szkłem po wstępnym mieszaniu 4. Wnioski Czas sezonowania, dni Rys. 10. Zależność wytrzymałości zrzutowej po 1 zrzucie od czasu sezonowania granul, prędkość obrotowa misy granulatora: 10 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Rys. 11. Zależność wytrzymałości zrzutowej po 3 zrzutach od czasu sezonowania granul, prędkość obrotowa misy granulatora: 10 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Na rysunku 12 przedstawiono wpływ czasu sezonowania na zawartość wody w granulach. Krzywe mają analogiczny przebieg do krzywych wytrzymałości po 1 zrzucie, czyli stały wzrost czasu sezonowania granul powoduje zmniejszenie ilości wody w nich zawartej. Można zauważyć, że granule czyste mają najwyższą wilgotność w całym okresie sezonowania czyste ze szkłem po wstępnym mieszaniu Czas sezonowania, dni czyste ze szkłem po wstępnym mieszaniu Czas sezonowania, dni Rys. 12. Wpływ czasu sezonowania na zawartość wody w granulach, prędkość obrotowa misy granulatora: 10 obr/min, kąt nachylenia misy: 45 o Wyniki badań wskazują, że stosowany granulator pozwala na uzyskanie granul z pyłów pochodzących z regeneracji mas formierskich z żywicą furanową z dodatkiem pyłów ze stacji przerobu mas bentonitowych. Wyznaczony, optymalny skład mieszanki pyłów o składzie: 50% mas. pyłu uzyskanego po regeneracji masy furanowej i 50% mas. pyłu z masy z bentonitem, pozwala na tworzenie się granul o odpowiednich wymiarach i wytrzymałości. Dla kąta nachylenia granulatora wynoszącego 45 optymalna prędkość obrotowa misy powinna wynosić 20 obr/min. Przy tej prędkości granule charakteryzują się najwyższą wytrzymałością zrzutową. Wstępne mieszanie pyłów przed procesem granulacji oraz dodatek szkła wodnego do mieszanki pyłów powoduję wzrost wytrzymałości zrzutowej granul, przy jednoczesnym zmniejszeniu ich wilgotności. Jednak z uwagi na nieznaczny wzrost wytrzymałości (w granicach 4%) nie ma uzasadnionych powodów modyfikacji procesu granulacji, tym bardziej iż powoduje to wzrost kosztów procesu. Podziękowania Opracowano w ramach projektu współfinansowanego przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, nr WND POIG /09. Literatura [1] Baricowá, D., Pribulowá, A. & Demeter P. (2010). Comparison of possibilities the blast furnace and cupola slag utilization by concrete production. Archives of Foundry Engineering 10(2), [2] Pribulowá, A., Baricowá, D., Futaš, P. & Gengel P. (2010). Possibilities of pelletizing and briquetting of dust from casting grinding. Archives of Foundry Engineering 10(2), [3] Dańko, R. (2011). Innovative developments in sand reclamation technologies. Metalurgija Metallurgy 50(2), [4] Dańko, R., Holtzer, M. (2010). Moulding sands grain size investigations by means of the laser method of measurement. Archives of Metallurgy and Materials 55(3), [5] Dańko, R., Holtzer, M. & Dańko, J. (2011). Reclamation of alkaline spent moulding sands of organic and inorganic type and their mixtures. Archives of Foundry Engineering 11(4), [6] Dańko, R. (2009). Analysis of effectiveness of used sands reclamation treatment in various technological devices. Archives of Foundry Engineering 9(4), [7] Dańko, R. (2010). Experiences gathered during reclamation of used water glass and bentonite sands in extra low and 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /

6 ambient temperature. International Journal of Cast Metals Research 23(2), DOI: / X [8] Praca zbiorowa (2009). Możliwości ograniczenia i metod zagospodarowania odpadów z procesów odlewniczych. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. [9] Dańko, J., Holtzer, M., Dańko, R., Grabowska, B.: Analiza i struktura odpadów z krajowych odlewni. Archives of Foundry Engineering, vol. 8, special issue 2/2008, s [10] Lewandowski, J.L. (1997). Tworzywa na formy odlewnicze. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT. [11] Kamińska, J., Skrzyński, M. (2011). Physical, chemical and strength properties of dust from the bentonite sands treatment plants. Metallurgy and Foundry Engineering 37(2), [12] Kamińska, J. (2011). Praca statutowa - Grant Dziekański, No [13] Wykorzystanie nowoczesnych technologii regeneracji zużytych mas formierskich do opracowania koncepcji i wykonania innowacyjnego regeneratora wibracyjnego ( ). No WND-POIG / Abstract Preliminary research on granulation process of dust waste from reclamation process of moulding sands with furan resin The results of investigations of the granulation process of foundry dusts generated in the dry mechanical reclamation process of used sands, where furan resins were binders are presented in the paper. Investigations concerned producing of granules of the determined dimensions and strength parameters. Granules were formed from the dusts mixture consisting in 50 mass% of dusts obtained after the reclamation of the furane sands and in 50 mass % of dusts from sands with bentonite. Dusts from the bentonite sands with water were used as a binder allowing the granulation of after reclamation dusts from the furane sands. The following parameters of the ready final product were determined: moisture content (W), shatter test of granules (Wz) performed directly after the granulation process and after 1, 3, 5, 10 days and nights of seasoning, water-resistance of granules after 24 hours of being immersed in water, surface porosity ep and volumetric porosity ev. In addition the shatter test and water-resistance of granulate dried at a temperature of 105oC were determined. Investigations were performed at the bowl angle of inclination 45o, for three rotational speeds of the bowl being: 10, 15, 20 rpm. For the speed of 10 rpm the granulation tests of dusts mixture after the preliminary mixing in the roller mixer and with the addition of water-glass in the amount of 2% in relation to the amount of dust were carried out. The obtained results indicate that the granulator allows to obtain granules from dusts originated from the reclamations of moulding sands with the furane resin with an addition of dusts from the bentonite sands processing plants. Key words: moulding sands, after reclamation dust, granulation, environment protection. 102 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 V o l u m e 1 2, S p e c i a l I s s u e 1 /