Józef DAKO 1, Rafał DAKO 2, Aleksander FEDORYSZYN 3, Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1. Wstp. Analiza asortymentu urzdze do regeneracji suchej mechanicznej, wytwarzanych przez 35 bardziej znanych wytwórców europejskich i amerykaskich wskazuje, e zainteresowanie regeneracj mas zuytych ze spoiwami ywicznymi (25 producentów), jest takie samo jak zuytymi masami z bentonitem (24 producentów), a mniejsze dotyczy mas ze szkłem wodnym, utwardzanymi za pomoc CO 2 lub utwardzaczami estrowymi (17 producentów), przy czym jedynie 9 producentów posiada w ofercie urzdzenia do kadej z wymienionych trzech rodzajów masy zuytej. Analiza funkcjonalna typowych rozwiza regeneracji pozwala wyłoni rozwizania najbardziej odpowiednie do realizacji procesu regeneracji danej masy zuytej. 2. Urzdzenia do regeneracji suchej mechanicznej. Proces regeneracji suchej mechanicznej znalazł obecnie w odlewnictwie najszersze zastosowanie, co wynika z: moliwoci odzysku osnowy piaskowej praktycznie z kadej masy zuytej, przy załoeniu ograniczonego stopnia regeneracji, moliwoci zastosowania do regeneracji stosunkowo prostych urzdze, cz sto o innym pierwotnym ich przeznaczeniu (na przykład mieszarek), mniejszych, w porównaniu z innymi metodami kosztów realizacji procesu. Z punktu widzenia identyfikacji sił czynnych, dominujcych w urzdzeniach stosowanych zwykle do regeneracji wst pnej, a niekiedy równie właciwej, mona wyodr bni nast pujce techniki stosowane do rozbrylania i kruszenia zlepków masy: gwałtowna zmiana p du strumienia b dcego mieszanin zlepków ziaren i powietrza, realizowana najcz ciej w regeneratorach pneumatycznych, wykorzystanie sił bezwładnoci oraz tarcia zewn trznego i wewn trznego do kruszenia i rozcierania zlepków w b bnach obrotowych z wypełnieniem kulowym lub innym, wykorzystanie sił bezwładnoci oraz tarcia zewn trznego i wewn trznego do kruszenia i rozcierania zlepków w urzdzeniach wibracyjnych. Identyfikacja sił czynnych, dominujcych w znanych urzdzeniach do regeneracji właciwej pozwala wskaza nast pujce metody i techniki uwalniania osnowy z otoczek zuytego materiału wicego: 1 prof. dr hab. in.: e-mail: jd@agh.edu.pl 2 dr in,, e-mail: rd@agh.edu.pl 3 dr hab. in. prof. nadzw,: e-mail: alfa@agh.edu.pl 73
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze intensywne mechaniczne oddziaływanie sił tarcia wewn trznego i zewn trznego w warunkach prowadzenia procesu w temperaturze: otoczenia, podwyszonej lub ekstremalnie niskiej (kriogenicznej), gwałtowna zmiana p du ziaren osnowy lub strumienia piaskowo- powietrznego, realizowana najcz ciej w regeneratorach pneumatycznych, rzutowych (odrodkowych), samodzielne oddziaływanie termiczne lub w kombinacji z intensywnym oddziaływaniem mechanicznym, realizowane zwykle w urzdzeniach fluidyzacyjnych lub wirnikowych regeneratorach cieplno-mechanicznych, intensywne mechaniczne oddziaływanie sił tarcia wewn trznego i zewn trznego w warunkach prowadzenia procesu w rodowisku wodnym. Egzemplifikacj dokonanej charakterystyki wnosi przytoczona dalej analiza funkcjonalna regeneracji mas zuytych realizowanej przy uyciu typowych rozwiza. Mimo niezwykle szerokiej gamy i rónorodnoci konstrukcyjnej regeneratorów, których systematyk przedstawiono na rysunku 1, w systemach suchej regeneracji mechanicznej najcz ciej stosowane s rozwizania, w których uwolnienie ziaren osnowy z otoczki materiału wicego odbywa si na zasadzie kombinacji nast pujcych operacji elementarnych: ocierania, cierania i kruszenia otoczki materiału wicego z powierzchni osnowy.! Rys.1. Klasyfikacja regeneratorów do regeneracji mechanicznej (pneumatycznej) [2] Według obecnych tendencji, dominuj rozwizania regeneratorów wibracyjnych, współpracujcych z kruszarkami wibracyjnymi lub młotkowymi, w których produkty cierania otoczki materiału wicego, wolne pyły oraz podziarno s usuwane z regenerowanej osnowy za pomoc powietrza przedmuchiwanego przez warstw obrabianego materiału. Przykładem tego typu rozwiza s regeneratory wibracyjne typu Gamma-mill firmy Baker-Perkins, CE-CAST Engineering oraz Vibrader firmy Richards (rys. 2). 74 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
Rys. 2. Regenerator wibracyjny o działaniu kruszco-ciernym typu Gamma-mill firmy Baker-Perkins [1, 6] W regeneratorach o działaniu dynamicznym, charakteryzujcym si gwałtown zmian p du ziaren osnowy, realizowan najcz ciej w regeneratorach odrodkowych udarowych lub w wyniku udaru strumienia piaskowo- powietrznego w regeneratorach pneumatycznych, albo w wyniku działania krników dociskanych do obrotowej misy sił odrodkow, jak to ma miejsce w modelach USR-II-III firmy Sintokogio (rys. 3), dominuj elementarne procesy kruszenia i cierania powodujce usuwanie materiału wicego z powierzchni ziaren. Sporód krajowych urzdze do regeneracji mechanicznej suchej mona wymieni regeneratory odrodkowe, produkowane w oparciu o projekty Instytutu Odlewnictwa i Prodlewu o/kraków [3, 4]. Regeneratory odrodkowe zastosowano w kilku polskich odlewniach (Metalodlew - Kraków, Pioma Piotrków Trybunalski, Pomet - Pozna) do regeneracji sypkich mas samoutwardzalnych ze szkłem wodnym utwardzanych za pomoc utwardzacza organicznego o nazwie własnej flodur [5]. Rys. 3. Fragment roboczy uniwersalnego regeneratora mechanicznego typu USR I- II firmy Sintokogio o wymuszonym nacisku na mas zuyt elementów kruszco- cierajcych w postaci odchylnie zamocowanych krników [1] 75
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze W metodach, w których dominuje elementarna operacja kruszenia wykorzystuje si głównie młyny kulowe, b bny walcowe, kruszarki rutowe, kruszarki młotkowe i inne urzdzenia. Przykładem rozwiza b bnowych jest b ben do regeneracji firmy Allbertus Klein oraz regenerator firmy Didion Manufacturing, przy czym ten drugi moe wyst powa w rozwizaniu podstawowym, słucym do regeneracji tylko mechanicznej lub w rozwizaniu kombinowanym, w którym połczone zostały efekty regeneracji mechanicznej i cieplnej (rys. 4). a) b) Rys. 4. Regenerator bbnowy firmy Didion Manufacturing: a- bbnowy regenerator mechaniczny, b - bbnowy regenerator mechaniczno-termiczny: 1 zasyp masy zuytej do regeneracji, 2 - odpylanie i pobieranie pyłów, 3 odprowadzenie zanieczyszcze metalowych, 4 wysyp regeneratu, 5 palnik gazowy [1, 6] Metoda regeneracji pneumatycznej znajduje zastosowanie przede wszystkim do mas ze szkłem wodnym, do mas z lepiszczem, a rzadziej do mas z ywicami syntetycznymi. Pneumatyczn obróbki regeneracyjn stosuje si jako człon wspomagajcy such regeneracj mechaniczn, lub ciepln, a niekiedy jako niezalene urzdzenie regeneracyjne (np. rozwizanie Pneu-Reclaim firmy Webac lub firmy Simpson (rys. 5.). Zalet suchej regeneracji pneumatycznej jest stosunkowo mała powierzchnia zajmowana przez instalacj i moliwo montowania bez budowy ci kich fundamentów. Wad metody jest znaczne mechaniczne cieranie piasku (zwłaszcza przy duych pr dkociach strumienia piaskowo-powietrznego) i zwizany z tym mały uzysk regeneracji, a take zuywanie znacznych iloci spr onego powietrza i wysokie koszty zwizane z koniecznoci jego oczyszczania. 76 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
Rys. 5. Pneumatyczny regenerator udarowy typu Simpson firmy NEC (USA): 1 dysza, 2 - przewód transportowy, 3 kołpak udarowy, 4 odcig pyłu, 5 przegrod wysypu [1, 6] W celu zwi kszenia wydajnoci i poprawy jakoci odzyskiwanej osnowy stosuje si szeregowe połczenie identycznych członów regeneracyjnych, przy czym ich liczb mona dobiera si w zalenoci od potrzebnej wydajnoci urzdzenia. Masa przed regeneracj jest wst pnie rozdrabniana i przesiewana przez sito o przewicie oczek 3 mm oraz suszona, jeeli wilgotno przekracza 1%. W wyniku prac Boenischa firma Vogel-Schemmann wykonała regenerator mechaniczny wirnikowy o zmiennej pr dkoci obrotowej wirnika, w którym ju na pocztku lat 1990 moliwy był cz ciowy odzysk aktywnego bentonitu i pyłu w glowego (rys. 6). Odzysk obu dodatków do masy nast puje w pierwszej fazie regeneracji, charakteryzujcej si połczeniem przedmuchiwania powietrzem masy zuytej przy stosunkowo małej intensywnoci obróbki regeneracyjnej (odcinki 1 (1 )). Czynnikiem rozgraniczajcym i sterujcym włczenie lub wyłczenie poszczególnych pr dkoci obrotowych wirnika jest sygnał elektryczny z układu optyczno-elektronicznego mierzcego stopie zapylenia powietrza odciganego z regeneratora. Faza intensywnej regeneracji ma dwa poziomy intensywnoci: odcinki: 2 (2 ) i 3 (3 ), uzyskiwane w oparciu o odpowiednie nastawy wartoci sygnału sterujcego. Faza kocowa regeneracji odcinek 4 (4 ) obejmuje cieranie pozostałoci otoczek spoiwa oraz odpylenie regeneratu, realizowane przy ponownie małej intensywnoci cierania. Na rysunku 7 przedstawiono schemat instalacji do regeneracji mechanicznej zuytej masy z bentonitem z cz ciowym odzyskiem bentonitu i pyłu w glowego. 3. Regeneracja właciwa, termiczna. Ta metoda regeneracji jest przeznaczona do odzyskiwania osnowy piaskowej przede wszystkim z zuytych mas ze spoiwami organicznymi, lecz słuy take do dezaktywacji składników masy z lepiszczem, poddawanych regeneracji w systemach, w których nie jest prowadzona selekcja mas zuytych [8, 9]. 77
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze a) b) Rys 6. Schemat i funkcjonowanie układu regeneracyjno-sterujcego według koncepcji D. Boenischa: a) - regenerator mechaniczny wirnikowy: 1- selektywne oddzielanie frakcji pyłowych, 2 - cieranie otoczek spoiwa, 3-wirnik cierny, 4 - odpylanie w złou fluidalnym,5 - optyczny system pomiaru stopnia zapylenia powietrza, 6 - sprone powietrze, 7 - napd wirnika ciernego, b) - przykładowy diagram stopnia zapylenia powietrza w regeneratorze firmy Vogel&Schemmann AG: 1, 1 -oddzielenie wikszych frakcji pyłowych, 2, 2 -słabe cieranie, 3, 3 - silne cieranie, 4, 4 -cieranie pozostałoci otoczek spoiwa, 5-okres odpylania masy [6, 7] Rys. 7. Schemat instalacji firmy Vogel&Schemmann AG do regeneracji masy zuytej: 1 - zbiornik zasypowy, 2 - kruszarka walcowa, 3 - oddzielacz magnetyczny, 4 - człon suszcy mas, 5,11 - podajnik pneumatyczny, cinieniowy, 6 zasobnik masy zuytej, 7 - optyczny system pomiaru stopnia zapylenia powietrza, 8 - cyklony odpylania wstpnego, 9 - mechaniczny regenerator wirnikowy, 10 pojemnik na zanieczyszczenia metalowe, 12 wentylator, 13 - filtr, 14 - pojemnik na drobne frakcje piasku, 15 - pojemnik na pył z filtrów [ 6, 7] 78 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
W masach z lepiszczem termiczna obróbka regeneracyjna masy powinna spowodowa całkowit lub cz ciow degradacj nieorganicznych składników lepiszcza, która ułatwia dalsze uwolnienie ziaren osnowy z otoczek przepalonego lepiszcza. Stopie oczyszczenia osnowy poddanej regeneracji termicznej i typowym zabiegom uzupełniajcym jest wysoki porównywalny ze stanem wieej osnowy piaskowej. Zaletami metody termicznej s: bardzo dokładne usuni cie spoiwa, moliwo pełnego wykorzystania regeneratu do wykonywania wieych mas formierskich i rdzeniowych, nieznaczna szkodliwo chemiczna pyłów z regeneracji dla rodowiska. Natomiast wadami s: due koszty budowy i eksploatacji jak równie, w pewnych przypadkach, konieczno neutralizacji gazów odlotowych. Eksponowan w literaturze zalet piasku regenerowanego cieplnie jest stabilizacja jego rozszerzalnoci obj tociowej pod wpływem temperatury, zwizana z zajciem przemiany alotropowej kwarcu w trakcie wczeniejszego nagrzania cz ci piasku przylegajcego do odlewu. 4. Regeneracja mokra. Regeneracja mokra jest najbardziej skuteczn metod odzysku osnowy z mas zuytych z lepiszczem oraz z mas ze spoiwami rozpuszczalnymi w wodzie (masy krzemianowe, masy ze szkłem wodnym utwardzane za pomoc CO 2. W rodowisku wodnym, przy stosunkowo duym udziale wody w stosunku do masy (min. 10:1), wszystkie pyły znajdujce si w masie oraz ziarna piasku poniej 0,06 mm łatwo oddzielaj si na zasadzie tworzenia zawiesiny, któr odprowadza si w trakcie płukania piasku. Niekorzystn cech regeneracji mokrej jest wysoka energochłonno procesu, wynikajca z koniecznoci suszenia regeneratu, a take due zuycie wody wynoszce 10-15 m 3 na 1 ton regeneratu. Powysze wzgl dy powoduj, e regeneracja mokra praktycznie nie jest aktualnie stosowana, cho nadal istniej zakłady, w których bardzo skutecznie pracuj instalacje tego typu [10]. 5. Regeneracja kombinowana. Metody regeneracji kombinowanej znalazły zastosowanie stosunkowo niedawno, zwłaszcza do regeneracji osnowy z mieszaniny mas zuytych. Jest to moliwe dzi ki wykorzystaniu właciwoci i zalet poszczególnych metod regeneracji. Kojarzenie poszczególnych metod oraz ich odmian zaley od składu zuytej masy oraz od przeznaczenia regeneratu. Mona je podzieli na trzy podstawowe typy [6]: kombinacja metody mokrej i cieplnej, kombinacja metody cieplnej i suchej mechanicznej albo pneumatycznej, kombinacja metody mokrej, cieplnej i suchej mechanicznej. Klasycznym przykładem kombinacji metody cieplnej i pneumatycznej jest przedstawiony na rysunku 8 system regeneracji trójstopniowej firmy FATALUMINIUM, w którym zastosowano dwa identyczne regeneratory pneumatyczne (stopnie I i III) oraz regenerator termiczny typu HotRec (stopie II). Wielostopniowe systemy regeneracji oferuje take firma KGT, IMF, Whr oraz Erich. Pod wzgl dem funkcjonalnym instalacja firmy FATALUMINIUM składa si z 3 zespołów regeneracyjnych usytuowanych szeregowo. Pierwszy i ostatni zespół stanowi regeneracj pneumatyczn, natomiast rodkowy regeneracj termiczn. Zadaniem zespołu wst pnej regeneracji pneumatycznej jest usuni cie z mieszaniny masy zuytej wolnych pyłów (głownie nieaktywnego bentonitu oraz pyłu w glowego), ochłodzenie masy i dokoczenie procesu jest dezintegracji na pojedyncze ziarna. 79
Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze W członie wysokotemperaturowej regeneracji termicznej nast puje wypalenie składników organicznych masy zuytej, głownie pozostałoci spoiw ywicznych oraz całkowita degradacja termiczna lepiszcza na bazie bentonitu. Zadaniem członu trzeciego jest starcie z powierzchni regeneratu produktów spalania (popioły) oraz uwolnienie osnowy z produktów cierania pozostałoci spoiwa nieorganicznego (nieaktywnego bentonitu). Elementem korzystnym obróbki osnowy kwarcowej w tym członie jest oszlifowanie i uaktywnienie jej powierzchni. Rys. 8. Schemat instalacji firmy FATALUMINUM do trójstopniowej regeneracji masy zuytej: 1 zbiornik masy zuytej, 2 podajniki limakowe, 3 regeneracja pneumatyczna (wstpna i kocowa), 4 - podajniki transportu pneumatycznego, 5 piec fluidyzacyjny Hot-Rec, 6 komora wstpnego chłodzenia osnowy, 7 chłodziarka z wodnym wymiennikiem ciepła, 8 klasyfikator sitowy, 9 przenonik pneumatyczny pionowy, 10 wentylacja odpylajca [1, 6] 6. Regeneracja przy uyciu metod chemicznych. Aktualnie regeneracja przy uyciu metod chemicznych nie odgrywa znaczcej roli technicznej. Proponowane sposoby polegaj na oddziaływaniu silnie st onym kwasem H 2 SO 4 na zuyt mas z bentonitem. Uzyskany regenerat charakteryzuje si bardzo małym stopniem oolityzacji, z powierzchni jego ziaren została usuni ta praktycznie cała otoczka zuytego materiału wicego. Wdroenie do przemysłu napotyka na trudnoci zwizane z niebezpieczestwem stosowania H 2 SO 4, jako reagenta oddziałujcego na mas zuyt oraz spodziewanych bardzo wysokich kosztów takiej regeneracji. 7. Podsumowanie. Regeneracja osnowy piaskowej masy zuytej jest uzasadniona ekonomicznie, technologicznie oraz z punktu widzenia ochrony rodowiska naturalnego. Powszechne stosowanie regeneracji zuytych mas odlewniczych obejmuje praktycznie wszystkie masy ze znanych technologii wytwarzania form i odlewów. Post p w zakresie regeneracji jest zwizany z wprowadzaniem nowoczesnych rozwiza technicznych. Podane opisy urzdze oraz idea sterowania procesem daj obraz aktualnego stanu realizacji regeneracji. Podstaw dalszego doskonalenie procesów obróbczych regeneracji s rezultaty prowadzonych prac badawczych wicych efekty uwalniania ziaren osnowy z otoczek zuytego materiału wicego w warunkach rónych systemów realizacji. 80 Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
8. Literatura. 1. Wydawnictwa prospektowe firm: Webac, Simpson, Didion, Universal, KGT, Küttner, IMF, Whr, Eirich. Sintokogio. 2. Dako R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej zuytych mas odlewniczych. Praca doktorska. Kraków, 2006 3. Gadocha A., Lewandowski L., Maniowski Z.: Regeneracja mas formierskich w odlewniach krajowych, Przegld Odlewnictwa nr 5, 1993, s. 163-165. 4. Pezarski F. i in.: Procesy regeneracji piasków opracowane w Instytucie Odlewnictwa i zastosowane w przemyle. Konferencja naukowo-techniczna. Kraków 1996. 5. Bogacz T.: Wskanikowa ocean regeneracji na przykładzie form dwuwarstwowych z mas samoutwardzalnych. Praca doktorska. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 2002. 6. Dako J., i in.: Prognozy odlewnictwa w Polsce na tle tendencji wiatowych. Cz I. Procesy i urzdzenia regeneracji osnowy kwarcowej ze zuytych mas formierskich i rdzeniowych. Projekt zamawiany KBN, WO AGH, Kraków 1995, s. 50. 7. Boenisch D.: Verfahren und Vorrichtung zum Regenerieren von Giessereisand. Patent niemiecki nr 4212097, 1992. 8. Dako J., Dako R., Holtzer M.: Reclamation of used sands in foundry production. Metallurgy, vol. 42, br. 3, Zagreb, (July/ September) 2003, s. 173 178. 9. Dako R.: Badanie regenerowalnoci zuytej masy samoutwardzalnej metodami termicznymi. IV Mi dzynarodowa Sesja Naukowa Nowe technologie i osigni cia w metalurgii i inynierii materiałowej. Cz stochowa 2003, s. 560 564. 10. Dalle Rieve L.: Wet reclamation central plant. Experience in Italy. International Conference Foundry Waste possibilities in the future Conference organized by EU Thematic Network Foundry Waste, 2002. 81