ODPADOWE MASY FORMIERSKIE MOŻLIWOŚCI ICH UTYLIZACJI. M. ŻMUDZIŃSKA, M. LATAŁA -HOLTZER Instytut Odlewnictwa, Kraków , ul.

Transkrypt

1 39/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN ODPADOWE MASY FORMIERSKIE MOŻLIWOŚCI ICH UTYLIZACJI M. ŻMUDZIŃSKA, M. LATAŁA -HOLTZER Instytut Odlewnictwa, Kraków , ul. Zakopiańska 73 STRESZCZENIE W referacie podano krótką charakterystykę odpadowych mas formierskich. Omówiono aktualny stan gospodarki tymi odpadami. Przedstawiono wyniki badań dotyczących zastosowania odpadowych mas pochodzących z procesów odlewniczych w drogownictwie oraz budownictwie. Określenie właściwości fizyko-chemicznych omawianych odpadów pozwoliło na dokonanie oceny możliwości ich wykorzystania. Keywords: waste moulding sand, utilization. 1. CHARAKTERYSTYKA ODPADOWYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH Ilość stałych odpadów powstających w przemyśle odlewniczym w stosunku do ogólnej ilości odpadów przemysłowych w kraju jest stosunkowo niewielka. Zgodnie z danymi z GUS ilość nagromadzonych odpadów odlewniczych na koniec roku 2002 wynosiła 8,3 mln Mg (przy całkowitej ilości odpadów przemysłowych wynoszącej ~2mld Mg), co stanowi 0,4% ogólnej ilości odpadów przemysłowych. Nie mniej lokalnie odpady odlewnicze stanowią problem, który powinien być rozwiązany przez odlewnie. Zgodnie z obowiązującymi przepisami podstawowym zadaniem odlewni jest dążenie do minimalizacji ilości odpadów. Wytworzone odpady powinny być wykorzystywane w odlewni lub poza nią. Stałe odpady odlewnicze to: odpadowe masy formierskie i rdzeniowe, pyły z odpylania pieców topialnych, z przerobu mas, z oczyszczania i wykańczania odlewów,

2 262 żużel odlewniczy, odpady szlifierskie, szlamy z odpylania. Odpady mas formierskich i rdzeniowych stanowią około 80% ogólnej ilości odpadów stałych powstających w odlewniach. Odpadowe masy formierskie i rdzeniowe to w około 90% zanieczyszczone piaski kwarcowe. Pozostała część to frakcje pyliste oraz związki chemiczne organiczne i nieorganiczne. W tabeli 1 podano analizę chemiczną mieszaniny odpadowych mas formierskich i rdzeniowych pochodzących z wybranej odlewni. Tabela 1. Przykładowa analiza chemiczna mieszaniny odpadowych mas formierskich rdzeniowych Table 1. Example chemical analysis of a mixture of waste moulding and core sands Składnik SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O straty prażenia Zawartość [%] 95,3 0,70 1,90 0,35 0,32 0,28 0,42 0,45 Rodzaj i ilość związków wodo rozpuszczalnych występujących w odpadowych masach określają stopień ich szkodliwości. Stosowane spoiwa oraz katalizatory wiązania mas (czyli utwardzacze) powodują obecność w odpadach substancji chemicznych toksycznych (fenole, formaldehyd, cyjanki), związków azotu, a także wpływają na odczyn ph. Odpadowe masy z żywicami utwardzanymi kwasami posiadają odczyn kwaśny, o wartości wskaźnika ph od 4,5 do 6,5. Odpady z mas klasycznych z lepiszczem naturalnym posiadają odczyn obojętny. Odpady z mas, w których spoiwem jest szkło wodne charakteryzują się odczynem alkalicznym, o wartości wskaźnika ph w granicach od 9,0 do 12,0. Azot występuje w odpadach odlewniczych w postaci azotu amonowego, azotanów lub azotu organicznego. Obecność związków azotowych powodują żywice mocznikowe, aminy, urotropina. Ponadto w odpadowych masach występują metale (migrujące do masy podczas jej kontaktu z ciekłym metalem). W tabeli 2 podano wartości wskaźników zanieczyszczeń wymywanych z mieszaniny odpadowych mas formierskich i rdzeniowych pochodzących z wybranej odlewni, w skład której wchodziły następujące rodzaje mas: z bentonitem, ze szkłem wodnym, z żywicą B-1, z żywicą super-eko oraz piasek otaczany. Tabela 2. Wyniki badań wymywalności mieszaniny odpadowych mas formierskich i rdzeniowych Table 2. The results of elution tests made on a mixture of waste moulding and core sands Parametr Odczyn ph Chlorki Indeks fenolowy Chrom Mangan Cynk mg/dm 3 10,3 12,8 0,01 0,04 0,8 0,70 Parametr Żelazo Kadm Nikiel Siarczany Cyjanki ChZT Cr mg/dm 3 13,9 <0,003 0,025 17,6 <0,001 94,9

3 AKTUALNY STAN GOSPODARKI ODPADAMI Podstawowym aktem prawnym zawierającym uregulowania dotyczące gospodarki odpadami jest Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001r. (Dz.U. Nr 62, poz. 628). Ustawa ta obowiązująca od r. określa zasady postępowania z odpadami, zwracając szczególną uwagę na: zapobieganie powstawaniu odpadów, wykorzystywanie odpadów wytworzonych, unieszkodliwianie odpadów, których nie udało się wykorzystać. Ustawowym obowiązkiem wytwarzających odpady jest zarówno stosowanie technologii bezodpadowych, jak i utylizacja lub unieszkodliwienie odpadów wytworzonych. Podczas produkcji odlewów powstają znaczne ilości odpadów w postaci zużytych mas formierskich i rdzeniowych. Przeważająca większość tych odpadów wywożona jest na składowiska, przy czym z zakładów, w których nie prowadzi się procesów regeneracji odpady te w całości są składowane. Ponieważ koszty ich składowania wzrosły ostatnio dość znacznie, odlewnie dążą do ich ponownego wykorzystania. Odpady z odlewni w USA i Francji są często wykorzystywane do przesypywania odpadów komunalnych [1,3]. W Niemczech oraz Czechach stosowano zużyte masy formierskie jako składnik betonów [1,3]. W Finlandii prowadzono badania nad zastosowaniem odpadowych mas: do produkcji asfaltu (stwierdzono, że dodatek niektórych odpadowych mas furanowych i estrowych alkalicznych nie miał większego wpływu na żywotność asfaltu), jako warstw izolacyjnych chroniących przed migracją zanieczyszczeń do wód gruntowych (zastosowano odpowiednio dobrane masy, o zawartości w nich aktywnego bentonitu w przedziale 7-9%, co było wystarczające, aby przepuszczalność dla wody warstwy izolacyjnej nie przekraczała 9 m/s - co spełnia stawiane wymagania), w kompostowniach (próby prowadzono dodając kolejno: masę do formowania na wilgotno, masę furanową, masę z żywicą fenolową utwardzaną estrami) stwierdzono, że przy odpowiednim doborze ich udziału mają one niewielki wpływ na zawartość metali ciężkich w kompoście [2]. W kraju od Mg/rok mas odpadowych powinno być zastosowane do ponownego zagospodarowania, zamiast składowania ich na wysy - piskach. Aktualna stawka opłaty za składowanie 1 Mg odpadowej masy zawierającej substancje niebezpieczne wynosi 47,35 zł, natomiast za składowanie 1 Mg tych odpadów nie zawierających substancji niebezpiecznych: 14,75 zł. Proces regeneracji w chwili

4 264 obecnej jest stosowany w niewielu odlewniach. Wprawdzie szereg odlewni planuje wprowadzenie procesu regeneracji, jest to jednak uwarunkowane względami ekonomicznymi. 3. BADANIA WŁAŚCIWOŚCI ODPADOWYCH MAS W ASPEKCIE ZASTOSOWANIA ICH W DROGOWNICTWIE I BUDOWNICTWIE Duża zawartość piasku kwarcowego o korzystnym uziarnieniu w odpadowych masach formierskich i rdzeniowych, a także inne cechy tego odpadu stwarzają możliwość jego zastosowania, zarówno w drogownictwie jak i budownictwie. Badania przeprowadzone w tym zakresie pozwoliły na potwierdzenie przyjętej koncepcji Badania właściwości odpadowych mas pod kątem zastosowania ich w drogownictwie Badania właściwości fizycznych odpadowych mas obejmowały określenie wszystkich parametrów fizyko-mechanicznych, decydujących o możliwości efektywnego zastosowania badanego odpadu w drogownictwie. Badania przeprowadzono na próbkach mieszaniny odpadowych mas, pochodzących z wybranej odlewni. Mieszanina ta zawierała: masę z bentonitem, ze szkłem wodnym, z żywicą B-1, z żywicą super-eko oraz piasek otaczany. Skład mieszaniny dobrano w oparciu o analizę udziałów procentowych mas formierskich i rdzeniowych z poszczególnych technologii stosowanych w danej odlewni w globalnej ilości w skali roku. Badania przeprowadzone na próbkach odpadu w stanie naturalnym oraz po zagęszczeniu w warunkach laboratoryjnych obejmowały określenie: uziarnienia kruszywa i jego zmienność w procesie zagęszczania, wskaźnika piaskowego i jego zmian po procesie zagęszczania, gęstości objętościowej szkieletu gruntowego, wodoprzepuszczalności, wskaźnika nośności CBR, kapilarności biernej, zawartości związków siarki, stabilizowania badanego odpadu cementem. Określone wartości własności fizycznych odpadowych mas porównano z wymaganiami dla materiałów stosowanych w drogownictwie. Badania składu granulometrycznego wykonane metodą płukania w aparacie Proctora wykazały, że odpad praktycznie nie podlega zmianom w procesie zagęszczania. Określone wartości wskaźnika piaskowego dla badanego odpadu zarówno w stanie naturalnym (WP=20,0) jak i poddanemu zagęszczeniu (WP=19,1) były mniejsze

5 265 od wartości granicznej WP=35, stanowiącej wymagane minimum dla gruntów niewysadzinowych. Wartość maksymalna gęstości szkieletu gruntowego ( =1,684 g/cm 3 ) spełniała wymagania stawiane materiałom stosowanym w drogownictwie, dla których max >1,6 g/cm 3. Badania wodoprzepuszczalności wykazały, że wartość tego wskaźnika (k 10 =8,2m/dobę) dla odpadu poddanego badaniu w stanie naturalnym była nieco większa od wymaganego minimum (k 10 =8,0m/dobę), natomiast była za mała w przypadku odpadu poddanego działaniu sił zagęszczających (4,3m/dobę). Określona wartość wskaźnika nośności CBR = 11,5% spełniała wymagania normy budowlanej - minimalna wartość CBR > 10%. Wyniki badania kapilarności biernej dla materiału w stanie naturalnym (H kb =0,45m) raz po zagęszczeniu (H kb =0,47m) były pozytywne i świadczyły o niedużej możliwości zatrzymywania wody w kapilarach, co jest zjawiskiem korzystnym z punktu widzenia wysadzinowości. Określona zawartość związków siarki wynosiła 0,01% i była znacznie mniejsza od wielkości dopuszczalnej równej 1%. Badania stabilizowania odpadowej masy cementem wykazały taką możliwość. Ilość dodawanego cementu uzależniona jest od parametrów wytrzymałości i mrozo - odporności Badania właściwości odpadowych mas dla potrzeb budownictwa Badania w tym zakresie przeprowadzono określając właściwości fizyko-chemiczne ceramicznych materiałów budowlanych z dodatkiem mas odpadowych, stanowiących mieszaninę o składzie podanym w punkcie 3.1. Określono następujące parametry zgodnie z obowiązującymi normami: wielkość wody zarobowej, skurczliwość suszenia, gęstość objętościową, wytrzymałość na ściskanie, nasiąkliwość, mrozoodporność, zawartość soli rozpuszczalnych: siarczanów i węglanów oraz promieniotwórczość odpadowej masy. Parametry wyżej wymienione określono także dla ceramicznego materiału budowlanego otrzymanego z masy referencyjnej, tj. nie zawierającej dodatku odpadowej masy. Próbki tworzyw ceramicznych do badań otrzymywano z mas ceramicznych przygotowanych na bazie jednego rodzaju surowca ilastego. Skład masy odniesienia był

6 266 modyfikowany dodatkiem odpadowej masy (stanowiącej mieszaninę mas - punkt 3.1), wprowadzonej w ilości 30%. Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że dodatek odpadowej masy formierskiej w ilości 30% w stosunku do masy surowca ilastego spowodował: obniżenie ilości wody zarobowej o 5,9%, zmniejszenie skurczliwości suszenia o 3,3%, zmniejszenie wytrzymałości na ściskanie 14,6 MPa, minimalny wzrost nasiąkliwości 0,6%. Zastosowana domieszka nie wpłynęła na zmianę mrozoodporności, a także nie spowodowała pogorszenia właściwości użytkowych gotowego wyrobu. 4. OCENA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA ODPADOWYCH MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH Analiza wyników przeprowadzonych badań wykazała możliwość zastosowania odpadowych mas formierskich do: budowy dolnych partii korpusu drogowego jako materiału przewarstwiającego lub doziarniającego inne materiały odpadowe, budowy warstw mrozoochronnych i filtracyjnych, pod warunkiem zastosowania dociskowej warstwy, zapewniającej możliwość dogęszczenia piasków odpadowych i wymaganą nośność całej warstwy, budowy warstw mrozoochronnych i wzmacniających, warstw ulepszonego podłoża w technologii stabilizacji cementem, doziarniania, źle uziarnionych mieszanek kruszyw łamanych, naturalnych lub antropogenicznych (np. kruszone betony), w których występuje niedobór frakcji piaskowej, podsypki i obsypki instalacji (przewody, kable). Wprowadzona w ilości 30% w stosunku do masy surowca ilastego, odpadowa masa formierska spełniła rolę typową dla domieszki schudzającej. Dodatek odpadu spowodował zmniejszenie ilości wody zarobowej oraz wielkości skurczu po zakończeniu procesu suszenia. Obniżenie ilości wody zarobowej ma zasadnicze znaczenie w odniesieniu do procesu suszenia, gdyż w skali przemysłowej wynikają z tego tytułu wymierne korzyści, związane z mniejszym zużyciem energii cieplnej potrzebnej do odparowania wody niezbędnej do uzyskania konsystencji plastycznej masy ceramicznej. Obecność odpadowej masy formierskiej nie wpłynęła na szkodliwą zawartość soli rozpuszczalnych. Jest to bardzo ważne, gdyż wpływa bezpośrednio na trwałość materiałów ceramicznych w warunkach ich eksploatacji. Zawartość soli rozpuszczalnych powoduje powstawanie tzw. "wykwitów" na powierzchni wyrobów,

7 267 co wiąże się z pogorszeniem estetyki gotowych produktów, a przede wszystkim w wyniku ich krystalizacji na powierzchni wyrobu, prowadzi do odspajania tynków na ścianach elewacyjnych budynków. Dodatek odpadu nie spowodował zmiany mrozoodporności ceramicznego materiału budowlanego. Wprowadzenie odpadowej masy formierskiej do składu masy ceramicznej, opartej na ile, spowodowało obniżenie cech wytrzymałościowych otrzymanego tworzywa, ale w stopniu nie powodującym jego dyskwalifikacji, bowiem uzyskany poziom wytrzymałości próbek gwarantuje otrzymywanie wyrobów w najwyższych klasach przewidzianych dla materiałów ceramicznych o czerepie porowatym, tj. większości popularnych ceramicznych materiałów budowlanych ściennych i stropowych, z wyłączeniem wyrobów klinkierowych. Z analizy uzyskanych wyników badań wynikają następujące wnioski: przeprowadzone badania mieszaniny odpadowych mas z wybranej odlewni potwierdziły możliwość zastosowania ich w drogownictwie oraz budownictwie, badany odpad może być zastosowany: w drogownictwie do budowy warstw mrozoochronnych, filtracyjnych, wzmacniających, dolnych partii korpusu drogowego oraz doziarniania, podsypki i obsypki instalacji, w budownictwie jako dodatek do masy ceramicznej, przeznaczonej do produkcji ceramicznych materiałów budowlanych o czerepie porowatym, to jest większości popularnych ceramicznych materiałów budowlanych ściennych i stropowych, zagospodarowanie odpadów pochodzących z przemysłu odlewniczego jest koniecznością w świetle Ustawy o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r., obowiązującej od dnia 1 października 2001r., która nakłada na wytwórców odpadów obowiązek ich unieszkodliwiania bądź utylizacji i jest kolejnym krokiem w kierunku dostosowania normatywów prawnych do przepisów obowiązujących w krajach Unii Europejskiej, z uwagi na różnorodność technologii stosowanych w odlewniach należałoby przeprowadzić badania z zastosowaniem mieszanin mas odpadowych o innych składach w celu uogólnienia powyższych wniosków.

8 268 LITERATURA [1] M. Holtzer: Gospodarka odpadami i produktami ubocznymi w odlewniach. Wydawnictwa AGH, Kraków [2] J. Orkas: Environnement et Fonderie en Finlande. Hommes & Fonderie. No 307/2000, [3] Poradnik gospodarowania odpadami. Wydawnictwo Verlag Dashofer [4] Określenie kierunków minimalizacji odpadów odlewniczych w małych i średnich odlewniach poprzez ich utylizację w fazie końcowej procesu produkcyjnego. Instytut Odlewnictwa, Kraków WASTE MOULDING SANDS AND POSSIBILITIES OF THEIR UTILISATION SUMMARY The paper gives short characteristic of the waste moulding sands. The current state of the management of this waste has also been discussed. The results of tests concerning utilisation of the foundry waste sand in road and house building have been outlined. The determination of physical and chemical properties of this waste enabled an assessment of the possibility of their utilisation in these sectors of industry. Recenzent: prof. dr inż. Tadeusz Olszowski.