ODLEWNICTWO WSPÓŁCZESNE POLSKA I ŚWIAT MODERN FOUNDRY POLAND AND THE WORLD 1/2011 ISSN 1898-7257 Metody ograniczania emisji lotnych związków organicznych do środowiska Odlewane pomniki Jana Pawła II w Krakowie
Z okazji zbliżających się Świąt Wielkanocnych, składamy najserdeczniejsze życzenia: dużo zdrowia, radości, smacznego jajka, mokrego dyngusa, mnóstwo wiosennego optymizmu oraz samych sukcesów... Redakcja czasopisma Odlewnictwo Współczesne - Polska i Świat
Kwartalnik naukowo-techniczny Rocznik 4, nr 1/2011 BADANIA I STUDIA Janusz Faber, Zbigniew Maniowski, Katarzyna Perszewska, Maria Żmudzińska, Zdzisław Żółkiewicz: Metody ograniczania emisji lotnych związków organicznych do środowiska...5 Agnieszka Kryczek: Odlewnictwo w Polsce...11 STUDIES AND RESEARCH Janusz Faber, Zbigniew Maniowski, Katarzyna Perszewska, Maria Żmudzińska, Zdzisław Żółkiewicz: Methods to reduce VOC emissions to the environment...5 Agnieszka Kryczek: Metalcasting in Poland...11 INFORMACJA NAUKOWO-TECHNICZ- NA Wybór informacji z czasopism naukowo-technicznych...15 SCIENTIFIC AND TECHNICAL INFORMATION A choice of information from the scientific and technical journals... 15 Ekspresowa informacja naukowo-techniczna wybranych czasopism...48 Express scientific and technical information from selected journals...48 INFORMACJA PATENTOWA...53 PATENT INFORMATION...53 SZKOLENIA KONFERENCJE SEMI- NARIA SPOTKANIA Eksploatacja i obsługa pieców indukcyjnych tyglowych. Topienie żeliwa i staliwa...55 IV Międzynarodowa Konferencja Naukowa- Innowacje w Odlewnictwie Ciśnieniowym...56 Solidna Firma 2010...57 Rada Główna Instytutów Badawczych...57 Porozumienie o współpracy pomiędzy IOd a firmą Odlewnie Polskie SA...58 TRAINING CONFERENCES SEMINARS MEETINGS Maintenance and operation of crucible induction furnaces. Melting of cast iron and steel...55 IV International Scientific Conference - Innovations in The Die Casting Industry...56 Solid Firm 2010...57 Central Council of Research Institutes...57 Agreement on cooperation between FRI and Odlewnie Polskie SA...58 Z HISTORII ODLEWNICTWA Krokosz Jacek, Pabiś Rafał, Matoga Beata: Odlewane pomniki Jana Pawła II w Krakowie...59 PUBLIKACJE Wydawnictwa...67 FROM THE HISTORY OF FOUNDING Krokosz Jacek, Pabiś Rafał, Matoga Beata: Cast statues of Pope John Paul II in Krakow...59 PUBLICATIONS Publications...67
Wydawca/Publisher: INSTYTUT ODLEWNICTWA w Krakowie REDAKTOR NACZELNY/ EDITOR IN CHIEF: Andrzej BALIŃSKI ZESPÓŁ REDAKCYJNY/TEAM: Jerzy J. SOBCZAK, Jerzy TYBULCZUK, Joanna MADEJ, Marta KONIECZNA, Anna SAMEK-BUGNO, Patrycja RUMIŃSKA RADA PROGRAMOWA/PROGRAM BOARD: Zbigniew RONDUDA (Przewodniczący), Mariusz HOLTZER (Z-ca Przewodniczącego), Tadeusz BOGACZ, Józef DAŃKO, Zbigniew GÓRNY, Adam TABOR, Andrzej JOPKIEWICZ, Janusz MIKLASZEWSKI, Mariusz URBANOWICZ ADRES REDAKCJI/EDITORIAL OFFICE: Odlewnictwo Współczesne Polska i Świat 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73 tel. (012) 26-18-381, fax (012) 26-60-870 http://www.iod.krakow.pl e-mail: jmadej@iod.krakow.pl WSZELKIE PRAWA ZASTRZEŻONE ALL RIGHTS RESERVED Żadna część czasopisma nie może być powielana czy rozpowszechniana bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. No part of the magazine may be reproduced or distributed without the written permission of the copyright holder. Printed in Poland ISSN 1898-7257
Badania i studia Metody ograniczania emisji lotnych związków organicznych do środowiska Methods to reduce VOC emissions to the environment Janusz Faber, Zbigniew Maniowski, Katarzyna Perszewska, Maria Żmudzińska, Zdzisław Żółkiewicz Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Streszczenie W ostatnich latach znacznie wzrosła świadomość ekologiczna społeczeństwa. Przyczynili się do tego naukowcy i członkowie organizacji ekologicznych, zwracając uwagę opinii publicznej żądaniem ograniczenia emisji zanieczyszczeń towarzyszącej produkcji przemysłowej. W artykule przedstawiono źródła emisji lotnych związków organicznych do środowiska. Omówiono metody ograniczania emisji tych zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. Abstract In recent years, public awareness of the ecological problems has significantly increased. Scientists and members of environmental organisations have greatly contributed to this situation calling attention of the public opinion with the demand to reduce the level of emissions accompanying the industrial production. This article presents the sources of VOC emissions to the environment. Methods to reduce such emissions to the atmospheric air have also been discussed. Wprowadzenie Zanieczyszczenia atmosfery są poważnym problemem zagrażającym czystości środowiska, w których dużą rolę odgrywają lotne związki organiczne LZO (ang. volatile organic compounds VOCs). Obowiązująca w Polsce definicja LZO została podana między innymi w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 13 czerwca 2003 r. [1]. Przez LZO rozumie się każdy związek organiczny mający w temperaturze 293,15 K prężność par nie mniejszą niż 0,01 kpa, bądź posiadający analogiczną lotność w szczególnych warunkach użytkowania. Do najważniejszych lotnych związków organicznych zalicza się przede wszystkim: węglowodory alifatyczne i aromatyczne, alkohole, glikole, etery, aldehydy i węglowodory chlorowane. Źródła powstawania LZO można podzielić na: naturalne (wulkany, gejzery, pożary lasów, gaz ziemny, procesy wegetacyjne niektórych organizmów), antropogeniczne powstałe na skutek działalności człowieka (przeróbka ropy naftowej, przemysł chemii organicznej, procesy wydobywania i spalania paliw, hutnictwo, rolnictwo, przemysł spożywczy, transport drogowy, powietrzny i morski, utylizacja odpadów stałych). Odlewnictwo, z uwagi na dużą chemizację technologii formy i rdzenia jest również źródłem emisji LZO, chociaż w mniejszym stopniu. Ograniczanie emisji LZO Usuwania lotnych związków organicznych z gazów odlotowych można dokonać wykorzystując następujące procesy [2]: 5
Szybkość reakcji chemicznej można zwiększyć, prowadząc reakcję w obecności pewnych substancji zwanych katalizatorami. Kataliza polega na obniżeniu energii aktywacji reakcji, przez co rośnie znacz- spalanie: w płomieniu (temp. ~1500 K), termiczne (temp. 900 1400 K), katalityczne (500 900 K), biodegradację, adsorpcję, absorpcję, kondensację (skraplanie par). Spalanie w płomieniu przy niskich stężeniach emitowanych zanieczyszczeń metoda ta jest rzadko stosowana. Spalanie termiczne stosuje się, gdy: stężenie zanieczyszczeń organicznych jest zbyt małe, aby podtrzymywać płomień oraz nie można wykorzystać metod katalitycznych (mieszanina gazów zawiera składniki, które mogą powodować szybką dezaktywację katalizatora). Przykład rozwiązania konstrukcyjnego instalacji do spalania termicznego pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego instalacji do spalania termicznego: 1 wlot gazów oczyszczanych, 2 wylot gazów oczyszczonych, 3 wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy, 4 palniki, 5 komora spalania [2] Fig. 1. Example of design solution of installation for thermal combustion: 1 waste gas inlet, 2 clean gas outlet, 3 jacketed pipe heat exchanger, 4 burners, 5 combustion chamber [2] Spalanie katalityczne nie wartość stałej szybkości reakcji. Następuje to na skutek zmiany mechanizmu reakcji po utworzeniu struktur przejściowych typu katalizator-cząsteczka, łatwiej reagujących niż cząsteczka pierwotna. Katalizatory sprawiają, że reakcja przebiega z zadowalającą szybkością w znacznie niższej temperaturze. W ochronie powietrza mamy do czynienia z katalizą heterogeniczną w układzie gaz-ciało stałe. W tego typu reakcjach, odbywających się na kontaktach porowatych, można wyróżnić następujące etapy: dyfuzję reagentów ze strumienia gazów do powierzchni katalizatora, adsorpcję reagentów na powierzchni katalizatora, reakcję utleniania na powierzchni katalizatora, desorpcję produktów z powierzchni katalizatora, dyfuzję produktów do strumienia gazów. Układy katalityczne są złożone. Występują w formie: katalizatora osadzonego na metalach w kształcie wstęg (pakiety), katalizatora osadzonego na ceramicznym nośniku, metali pokrytych cienką warstwą ceramiczną z naniesionym katalizatorem. Najlepszymi katalizatorami są: metale szlachetne z VIII grupy układu okresowego (Pt, Rh, Pd), tlenki niektórych metali (V, Ti, Al, Co, Cr, Cu, Mn, Zn, Bi, Fe, Ni). Katalizatory mogą w pewnych warunkach tracić lub znacznie zmniejszać swoją aktywność. Do najważniejszych przyczyn można zaliczyć: koksowanie zanieczyszczeń organicznych (depozyty węglowe), sublimacja katalizatora, spiekanie powierzchni aktywnych, zatruwanie katalizatora (związki siarki, metale ciężkie), blokowanie powierzchni przez depozyty pyłów. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono ideowy schemat oraz przykład rozwiązania konstrukcyjnego instalacji do spalania katalicznego. 6
Metody biologiczne Rys. 2. Ideowy schemat instalacji spalania katalitycznego: 1 podgrzewacz, 2 reaktor, 3 wymiennik ciepła, 4 wlot gazów oczyszczanych, 5 dopływ paliwa, 6 dopływ dodatkowego powietrza, 7 wylot gazów oczyszczonych [2] Fig. 2. Pictorial diagram of installation for catalytic combustion: 1 preheater, 2 reactor, 3 heat exchanger, 4 waste gas inlet, 5 fuel supply, 6 additional air supply, 7 clean gas outlet [2] Rys. 3. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego instalacji do spalania katalitycznego: 1 wlot gazów oczyszczanych, 2 wylot gazów oczyszczonych, 3 wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy, 4 palnik lub grzałka elektryczna, 5 warstwa katalizatora [2] Fig. 3. Example of design solution of installation for catalytic combustion: 1 waste gas inlet, 2 clean gas outlet, 3 jacketed pipe heat exchanger, 4 burner or electric heating element, 5 catalyst layer [2] W przyrodzie istnieje wielka różnorodność mikroorganizmów, mających zdolność przyswajania materii organicznej. Efektem tego jest m.in. oczyszczanie i odnawianie środowiska. Niektóre szczepy bakterii potrafią przystosować się do rozkładu substancji organicznych niespotykanych w naturalnym środowisku. Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych opiera się na dwóch głównych procesach, którymi są: absorpcja zanieczyszczeń w wodzie, biologiczny rozkład pochłoniętych zanieczyszczeń. Efekt wspólnego oddziaływania powyższych procesów jest taki, że: wskutek absorpcji gazy zostają oczyszczone, wskutek biologicznego rozkładu zanieczyszczeń zachodzi regeneracja sorbentu. Warunki i ograniczenia prowadzenia procesu biologicznego oczyszczania gazów: usuwane z gazów odlotowych zanieczyszczenia muszą być podatne na rozkład biologiczny, zanieczyszczenia muszą być rozpuszczalne, choćby tylko słabo, w wodzie stanowiącej środowisko życia mikroorganizmów, temperatura oczyszczanych gazów musi się mieścić w zakresie aktywności biologicznej mikroorganizmów (0 55 C, optymalnie 37 40 C), oczyszczane gazy nie mogą zawierać substancji trujących dla mikroorganizmów, np. związków metali ciężkich czy oparów kwasów. W praktyce gazy są oczyszczane biologicznie przede wszystkim w takich instalacjach, jak: biofiltry (filtry biologiczne), biopłuczki (płuczki biologiczne), bioreaktory trójfazowe. 7
Biofiltry Głównym elementem filtru biologicznego jest warstwa materiału filtracyjnego (porowatego wypełnienia), który zasiedlony jest przez heterotroficzne mikroorganizmy tlenowe. Materiałem filtracyjnym jest materiał biologiczny, np. torf, kompost, żyzna warstwa gleby i inne materiały organiczne. Schemat biofiltru pokazano na rysunku 4. Dobry materiał filtracyjny powinien mieć: dużą porowatość, dużą powierzchnię właściwą, małe opory przepływu gazu, dużą zdolność zatrzymywania wody, słaby zapach własny, małe koszty pozyskania, dostępność, dużą gęstość zasiedlenia mikroorganizmami, dużą trwałość, niewielkie wymogi pielęgnacyjne. Rys. 4. Schemat biofiltru: 1 wentylator, 2 urządzenie do kondycjonowania gazów, 3 złoże filtracyjne [2] Fig. 4. Schematic diagram of biofilter: 1 fan, 2 gas conditioning device, 3 filtrating bed [2] Wadą biofiltrów jest występująca z czasem niehomogeniczność złoża, zbijanie się materiału filtracyjnego. Biopłuczki Specyfiką płuczek biologicznych jest to, że medium roboczym jest wodna zawiesina mikroorganizmów. Zanieczyszczenia organiczne rozpuszczają się w wodzie, a następnie rozkładane są przez bakterie tlenowe, podobnie jak to ma miejsce w biologicznych oczyszczalniach ścieków (rys. 5). Bioreaktory trójfazowe W bioreaktorach trójfazowych mikroorganizmy osadzane są na wypełnieniu (kulki szklane lub inne materiały syntetyczne) [3]. Faza ciekła spływa w dół po wypełnieniu, zwilżając warstwę biologiczną. Zanieczyszczony gaz płynie współ- lub przeciwprądowo względem cieczy. Zanieczyszczenia absorbowane w cieczy ulegają biodegradacji w warstwie biologicznej. Absorpcja i degradacja zanieczyszczeń przebiega w jednym aparacie. Zaletą stosowania biologicznego usuwania zanieczyszczeń organicznych są niskie koszty inwestycyjne i operacyjne procesu (funkcjonowanie w temperaturze otoczenia i ciśnieniu atmosferycznym a tym samym niższe zużycie energii) oraz nieobecność wtórnych zanieczyszczeń (produktów ubocznych). Dodatkowym atutem metod biologicznych jest możliwość ich stosowania z bardzo dużą wydajnością (ok. 95%) przy niskich stężeniach zanieczyszczeń. Biorąc pod uwagę wyżej wymienione korzyści, należy stwierdzić, że biotechnologiczne procesy są skutecznymi, tanimi i ekologicznie przyjaznymi sposobami ochrony środowiska. Spośród metod biologicznego oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń organicznych najczęściej stosowane są biofiltry ze względu na to, że są prostsze konstrukcyjnie i tańsze w eksploatacji niż biopłuczki. 8
Absorpcję prowadzi się w skruberach zwanych absorberami jedno- lub wielostopniowymi (absorbery półkowe). W absorberze jednostopniowym zachodzi ciągły proces absorpcji w wyniku bezpośredniego kontaktu strumieni gazu i cieczy, które następnie są rozdzielane. W zależności od czasu ich kontaktu i dynamiki procesów między fazami układ absorpcyjny zbliżyć się może do stanu równowagi. W przypadku absorpcji gazów o małej rozpuszczalności, konieczna jest większa niż jeden liczba stopni kontaktu w celu zbliżenia się do stanu równowagi w układzie gaz-ciecz. Rys. 5. Schemat płuczki biologicznej: 1 absorber, 2 komora osadu czynnego, 3 pompa, 4 wlot gazów oczyszczanych, 5 wylot gazów oczyszczonych, 6 napowietrzanie osadu, 7 uzupełnienie wody, 8 doprowadzenie pożywek mineralnych, 9 odprowadzenie nadmiaru osadu czynnego [2] Fig. 5. Schematic diagram of biological scrubber: 1 absorber, 2 active deposit chamber, 3 pump, 4 waste gas inlet, 5 clean gas outlet, 6 deposit aeration, 7 water makeup, 8 supply of mineral nutrients, 9 outlet for excess active deposit [2] Metoda absorpcyjna polega na pochłanianiu zanieczyszczeń gazowych przez ciecz (absorbent)[4]. Gazowy składnik reaguje z cieczą, tworząc nielotne produkty. Stosowana jest wówczas, gdy stężenie zanieczyszczeń wynosi kilka procent, a w przypadku gazów rozcieńczonych, gdy są one łatwo rozpuszczalne w absorbencie. Absorbentami są: woda, roztwory soli, kwasów, zasad. Proces absorpcji w roztworach jest połączony zwykle z reakcją chemiczną, wskutek czego zmniejsza się stężenie równowagowe ustalonego składnika nad cieczą. Metoda adsorpcyjna wykorzystuje zjawisko zatrzymywania zanieczyszczeń organicznych na powierzchni ciała stałego (adsorbenta). Jako adsorbent najczęściej stosuje się węgiel aktywny, a ostatnio polimery. Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Proces odwrotny, usuwanie cząstek zaadsorbowanych z powierzchni do przestrzeni otaczającego płynu, zwany desorpcją wymaga więc doprowadzenia ciepła. Efektywnej adsorpcji sprzyja duża powierzchnia właściwa adsorbentu i niska temperatura. Adsorpcja jest selektywna i największą zdolność do adsorpcji wykazują cząsteczki gazów o dużej masie i niskiej temperaturze wrzenia. Ulegając adsorpcji, wypierają przy tym inne cząstki o mniejszej energii wiązania. Niektóre procesy adsorpcji są nieodwracalne, np. chemisorpcja. Podczas adsorpcyjnego oczyszczania gazów zanieczyszczenia o małym stężeniu, 20 30 ppm, są zatężane, co w dalszym etapie umożliwia ich spalanie lub ekonomiczne wykorzystanie. Proces adsorpcji składnika gazowego w pierwszym etapie jest związany z jego wędrówką do powierzchni zewnętrznej adsorbentu. Etap ten jest określony szybkością dyfuzji cząstek gazu w fazie gazowej. Dalszym etapem jest dyfuzja w porach do powierzchni wewnętrznej i adsorpcja na jej powierzchni. Dyfuzja wewnętrzna może być bardzo wolna i decydować o szybkości całego procesu. Gdy cząsteczki gazu są adsorbowane na powierzchni stosunkowo małymi siłami (siły van der 9
Waalsa), to proces nazywa się adsorpcją fizyczną. Gdy te siły są zbliżone do wiązania chemicznego, mamy do czynienia z adsorpcją chemiczną (chemisorpcją). Adsorpcja fizyczna gazu zachodzi z dużą szybkością, w temperaturze o małej wartości, w dowolnym miejscu powierzchni adsorbentu. Dla przebiegu chemisorpcji w tych warunkach niezbędne jest doprowadzenie tzw. energii aktywacji, koniecznej do wytworzenia odpowiedniego wiązania (kompleksu) adsorbent-substancja adsorbowana. Krzywe adsorpcji, zwane izotermami adsorpcji, w procesie chemisorpcji wskazują na jednocząsteczkowość warstwy zaadsorbowanych cząstek, natomiast podczas adsorpcji fizycznej warstwy te mogą być wielocząsteczkowe. Metoda adsorpcji jest cenna wtedy, gdy podczas regeneracji sorbentu następuje odzysk zgromadzonych LZO. Metoda kondensacji polega na zmianie fazy z gazowej na ciekłą w wyniku zmiany wartości temperatury i ciśnienia. Najczęściej stosowanym procesem jest ochładzanie, w którym strumień zanieczyszczonych gazów wchodzi bezpośrednio w kontakt z czynnikiem chłodzącym (wodą) lub w pośredni kontakt z ochłodzoną powierzchnią. W celu przeprowadzenia kondensacji zanieczyszczeń gazowych stosowane są dwie zasadnicze metody chłodzenia: bezprzeponowa (w skruberach natryskowych lub półkowych) i przeponowa (w wężownicach). Metoda kondensacji jest zazwyczaj stosowana, gdy stężenie LZO przekracza 3000 ppm. Główną zaletą tej metody jest odzysk LZO z gazów odlotowych. Uwagi końcowe Analiza problemów związanych z emisją LZO powinna być dokonywana na etapie projektowania procesów technologicznych (w przypadku odlewnictwa na etapie doboru technologii). Wówczas powinny zapadać decyzje o wyborze takich metod wytwarzania, które przyczyniają się do likwidacji zanieczyszczeń lub ich ograniczania do minimum. Zaostrzające się stale przepisy dotyczące ochrony środowiska wymuszają modernizację istniejących instalacji w kierunku minimalizacji emisji zanieczyszczeń. Jeżeli w wyniku tych działań nie zostaną osiągnięte wymagane efekty, zachodzi konieczność skutecznego oczyszczania gazów odlotowych. Literatura 1. Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 13 czerwca 2003 r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji Dz.U. nr 110, poz. 1057. 2. Warmiński K.: Oczyszczanie gazów odlotowych z zanieczyszczeń organicznych, UMW w Olsztynie, Ochrona środowiska, 2007. 3. Kasperczyk D., Bartelmus G.: Ochrona powietrza Biodegradacja lotnych związków organicznych w reaktorze trójfazowym, http://www.pitro.pl. 4. Cęckiewicz S., Szczepanik A.: Oczyszczanie gazów odlotowych, spalinowych i powietrza, Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Budowy Urządzeń Chemicznych CBA, Kraków, 2006. 10
Odlewnictwo w Polsce Metalcasting in Poland Agnieszka Kryczek Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków Całkowita wielkość produkcji odlewów w roku 2009 i zmiany w ostatnim dziesięcioleciu Produkcja odlewów ze stopów żelaza i metali nieżelaznych w 2009 roku wyliczona na podstawie danych rzeczywistych z odlewni, które przekazały sprawozdania za rok 2009 oraz oszacowana drogą aproksymacji według lat poprzednich dla odlewni, które nie złożyły spra- wozdań, wyniosła 807 000 ton i była niższa o 16% w stosunku do produkcji w 2008 roku. Dane dotyczące wielkości produkcji odlewów w podziale na tworzywa w roku 2009 i dla porównania w roku 2008 zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Produkcja odlewów w podziale na tworzywa w Polsce w roku 2008 i 2009 Table 1. Production volume of castings in Poland in years 2008 and 2009 with breakdown into cast material grades Tworzywo odlewu Produkcja w tonach Zmiana % 2009/2008 2008 2009 Odlewy z żeliwa szarego i stopowego 490 000 387 000-21,0 Odlewy z żeliwa sferoidalnego 148 400 118 000-20,5 Odlewy z żeliwa ciągliwego 12 400 14 400 16,1 Odlewy staliwne 68 200 58 600-14,1 Razem odlewy ze stopów żelaza 719 000 578 000-19,6 Odlewy ze stopów miedzi */ 8 000 6 900-13,8 Odlewy ze stopów aluminium 217 000 206 500-4,8 Odlewy ze stopów cynku 13 000 12 000-7,7 Odlewy z innych stopów metali nieżelaznych (w tym stopy Mg) */ 4 000 3 600-10,0 Razem odlewy ze stopów metali nieżelaznych 242 000 229 000-5,4 Razem odlewy ze stopów żelaza i metali nieżelaznych 961 000 807 000-16,0 */ Dane szacunkowe z uwagi na brak danych z wielu małych odlewni produkujących odlewy ze stopów metali nieżelaznych 11
Produkcja w tys. ton Do 2008 roku produkcja odlewów ogółem ze stopów żelaza i metali nieżelaznych wykazywała tendencje wzrostowe. W 2009 miał miejsce dość znaczący spadek produkcji odlewów w stosunku do pięciu poprzednich lat. Jednakże produkcja nie osiągnęła najniższej wartości i nadal była wyższa o 6,6% od produkcji w 2000 roku. Dane dotyczące wielkości produkcji odlewów w latach 2000 2009 przedstawiono na rysunku 1. * / Bez firm zagranicznych produkujących w Polsce felgi aluminio- we * / * / Rys. 1. Zmiany wielkości produkcji odlewów w Polsce w latach 2000 2009 Fig. 1. Changes in the volume of castings produced in Poland in the period of 2000 2009 Struktura produkcji odlewów w podziale na tworzywa Udział tworzyw w całkowitej produkcji odlewów w 2009 roku przedstawiono na rysunku 2. Odlewy z żeliwa szarego i stopowego mają największy udział w całkowitej produkcji odlewów (mimo tendencji spadkowych występujących w ostatnich dziesięciu latach). W 2009 roku wyniósł on 47,9%. Odlewy z żeliwa sferoidalnego to 14,6% całkowitej produkcji odlewów. W ostatnich latach obserwuje się systematyczny wzrost wartości tego wskaźnika, jedynie w 2009 roku miał miejsce spadek w porównaniu z rokiem poprzednim. Odlewy z żeliwa ciągliwego mają najmniejszy udział, tj. 1,8% całkowitej produkcji odlewów. Od kilku lat, pomimo niewielkiego wzrostu wartości wskaźnika w 2009 roku, notuje się tendencje spadkowe udziału produkcji odlewów z żeliwa ciągliwego w całkowitej produkcji. Udział odlewów staliwnych w 2009 roku wyniósł 7,3% całkowitej produkcji odlewów. Od dwóch lat notuje się niewielki wzrost wartości tego wskaźnika. Odlewy ze stopów metali nieżelaznych w roku 2009 stanowiły 28,4% całkowitej produkcji odlewów. W ostatnich dziesięciu latach notuje się tendencje wzrostowe. udział w całkowitej produkcji 60 50 47,9 51,0 40 30 20 10 0 odlewy z żeliwa szarego i stopowego 14,6 odlewy z żeliwa sferoidalnego 15,4 odlewy z żeliwa ciągliwego 1,3 1,8 7,3 odlewy staliwne 7,1 28,4 odlewy ze stopów metali nieżelaznych 25,2 2009 2008 Rys. 2. Udział tworzyw w produkcji odlewów w Polsce w roku 2009 i dla porównania w roku 2008 Fig. 2. The share of different cast materials in overall casting production in Poland in 2009 and for comparison in 2008 12
Całkowity eksport polskich odlewów w roku 2009 i zmiany wielkości eksportu w ostatnim dziesięcioleciu 1 000 979 961 Według danych za 2009 rok eksport odlewów ze stopów żelaza i metali nieżelaznych (tonażowo) był niższy niż w roku 2008 i wyniósł 415 tys. ton, w tym 235 tys. ton odlewów ze stopów żelaza i 180 tys. ton odlewów ze stopów metali nieżelaznych. Dane dotyczące całkowitej wielkości produkcji i eksportu odlewów ze wszystkich tworzyw w ostatnim dziesięcioleciu zestawiono w tabeli 2, a tendencje zmian produkcji i eksportu przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Udział eksportu w całkowitej produkcji odlewów w roku 2009 był niższy niż w 2008 roku i wyniósł 51,4%. Analiza udziału eksportu odlewów z poszczególnych tworzyw wykazała, że udział ten wyniósł 40,7% całkowitej produkcji odlewów ze stopów żelaza i 78,6% całkowitej produkcji odlewów ze stopów metali nieżelaznych. W ostatnim dziesięcioleciu wielkość eksportu odlewów, pomimo spadku w 2009 roku, wykazuje tendencje wzrostowe (od 282 tys. ton w roku 2000 do 415 tys. ton w roku 2009). Produkcja w tys. ton 800 600 400 200 0 754 282 745 306 715 326 729 343 811 827 374 402 877 425 495 550 2000*/ 2001*/ 2002 2003 2004 2005**/2006**/ 2007 2008 2009 produkcja ogółem * / * / eksport 807 415 * /bez firm zagranicznych produkujących w Polsce felgi aluminiowe Rys. 3. Zmiany wielkości produkcji i eksportu odlewów w Polsce w latach 2000 2009 Fig. 3. Changes in production volume and exports of castings in Poland in the period of 2000 2009 Tabela 2. Całkowita wielkość produkcji i eksportu odlewów ze stopów żelaza i metali nieżelaznych w latach 2000 2009 Table 2. Overall production volume and exports of castings from ferrous and non-ferrous metal alloys in the period of 2000 2009 Rok Produkcja odlewów w tonach Eksport odlewów w tonach Udział eksportu w całkowitej produkcji % 2000 */ 753 600 282 000 37,4 2001 */ 745 200 306 000 41,1 2002 715 000 326 000 45,6 2003 729 400 343 300 47,1 2004 811 200 374 000 46,1 2005 827 400 402 000 48,6 2006 876 800 424 600 48,4 2007 979 000 495 000 50,6 2008 961 000 550 000 57,2 2009 807 000 415 000 51,4 * / Bez firm zagranicznych produkujących w Polsce felgi aluminiowe Produkcja w % Rys. 4. Zmiany wielkości udziału eksportu odlewów w Polsce w produkcji całkowitej w latach 2000 2009 Fig. 4. Changes of casting exports share in overall production volume of castings in Poland in the period of 2000 2009 13
Notowany od kilku lat wzrost wielkości eksportu charakteryzuje się także poszerzeniem asortymentu odlewów produkowanych na eksport: od prostych odlewów dla budownictwa (głównie kanalizacyjnych) do skomplikowanych odlewów motoryzacyjnych. Zwiększone zapotrzebowanie na odlewy dla przemysłu samochodowego świadczyć może o akceptacji ze strony zachodnich odbiorców zarówno jakości, jak i cen naszych odlewów. Największym zagranicznym rynkiem zbytu dla polskich odlewów są kraje Unii Europejskiej. Ogółem szacuje się, że eksport odlewów z Polski do krajów Unii Europejskiej wynosi ok. 90% całego eksportu. 14
Informacja naukowo-techniczna WYBÓR INFORMACJI Z CZASOPISM NAUKOWO-TECHNICZNYCH 01. ZAGADNIENIA OGÓLNE Jak zapewnić konkurencyjność produkcji odlewów metali kolorowych i wybrać metodę odpowiednią do współczesnych warunków? Kak sdelat' proizvodstvo otlivok iz cvetnykh splavov konkurentosposobnym v sovremennykh uslovijakh? How to Make the Nonferrous Alloy Casting Production Competitive under Current Conditions? Autor: Jurkov I.I. i in. Lit. Proiz. 2009 nr 5, s. 27-29. Przedstawiono zalecenia dotyczące modernizacji procesów produkcji odlewów ze stopów metali nieżelaznych, pozwalające obniżyć straty produkcji i ilość braków, podwyższyć jakość procesów i konkurencyjność wyrobów. Dotyczy to zwłaszcza odlewów ciśnieniowych i kokilowych ze stopów aluminium i cynku. Przyczyną opracowania takich zaleceń są wysokie ceny aluminium w Rosji, a producenci stopów aluminium domagają się przedpłat na zamawiane dostawy. Zalecenia dotyczą zmiany pieców i elementów nagrzewających, stosowania wysokojakościowych materiałów na tygle, topniki, pokrycia na kokile, a także modernizacji maszyn ciśnieniowych. Oprzyrządowanie w odlewniach jest często zużyte, wykwalifikowani odlewnicy są na wagę złota, powstają duże straty energii. A przy tym przewiduje się, że w 2011 roku ceny energii elektrycznej i gazu wzrosną dwukrotnie. Autorzy artykułu to specjaliści z międzynarodowego centrum technologicznego POLITEGMET. Zalecenia, które wytypowali jako najważniejsze, podzielili na trzy grupy ze względu na terminy realizacji w zakładzie. Cztery odlewnie prezentują automatyzację w modelarni wykonujacej modele woskowe. Four foundries illustrate the power of process control and automation in the wax room. Autor: Phipps B. Incast 2009, Vol. 22, nr 3, s. 12-15. Przedstawiono doświadczenia 4 amerykańskich odlewni wytwarzających odlewy precyzyjne, które mając na uwadze obniżenie kosztów produkcji i poprawę jakości wyrobów zastosowały automatyzację, regulację sterowania i kontrolę procesu wykonywania modeli woskowych i form ceramicznych. Firma Wisconsin Precision Casting Corporation wprowadziła m.in kontrolę temperatury i ilości wosku dwa razy na zmianę, cotygodniowe pomiary dokładności wymiarowej modeli i odlewów oraz klasyfikację złomu. Opracowała nowe procedury i zarządzenia, np. takie, że wszelkie zmiany parametrów produkcji mogą być dokonywane wyłącznie pod nadzorem kierownictwa. W celu monitorowania prawidłowości procesu wtryskiwania wosku zainstalowano urządzenie MPI`S 20-20 monitorujące graficznie ten proces. Firma Dolphin Precision Investment Castings produkująca wyposażenie do gry w golfa opisała wprowadzone udoskonalenia, które pozwoliły na 15
zmniejszenie nakładów robocizny o 78% i wzrost wydajności o 350%. Firma Pine Tree Castings omówiła proces produkcji po zastosowanych zmianach. Firma Invest Cast Inc. uzyskała poprawę wydajności procesu poprzez zmniejszenie odległości pomiędzy modelami, a wlewem głównym i zastosowanie urządzeń monitorujących MPI`S. Firma stworzyła program przyjazna odlewnia który, dzięki wprowadzonej automatyzacji (wykonywanie modeli) poprawił znacznie wydajność. Planowanie działań odlewni. Auslegung von Giessereiaktivitaeten. Planning of the foundry activities Giesserei-Prax. 2008, nr 11, s. 385-388. W artykule przedstawiono analizę pracy odlewni w aspekcie ekonomicznym i występowania kosztów, podejmowania decyzji organizacyjnych i technologicznych w celu ich ograniczenia (optymalizacji). Produkty dzisiejszych odlewni cechuje wysoki stopień przetworzenia. Dużą liczbę czynności poza właściwym, zasadniczym procesem wykonania odlewu (takimi jak: topienie metalu, odlewanie, przygotowanie mas formierskich) odlewnie wykonują we własnym zakresie. Dotyczy to także wykonywania czynności o charakterze drugorzędnym, jak zarządzanie parkiem maszynowym, sprzątanie pomieszczeń odlewni. Ostatnio w odlewniach zmierza się do możliwie jak najbardziej znaczącego ograniczenia działań ubocznych a także tych, które decydują o jakości usług odlewni. Do usług, które są podzlecane można zaliczyć wspomniane już zarządzanie parkiem maszynowym, logistykę, prace ekonomiczne, prace związane z utrzymaniem ruchu, gotowości eksploatacyjnej urządzeń. W tym celu własne służby odlewni przeprowadzają analizy ofert i usług. Oferty usług można łatwo przyporządkować uwzględniając czynniki jakościowo-ilościowe, nie ponosząc przy tym nadmiernych kosztów, które są łatwe do skontrolowania. Trudniej jest zlecić usługi księgowe czy utrzymania ruchu (trudno jest wycenić tego typu świadczenia). Konieczne jest porównanie kosztów usług wykonanych we własnym zakresie i kosztów tych samych usług zleconych na zewnątrz. W artykule podjęto próbę omówienia istotnych punktów decydujących o poprawnym podjęciu decyzji w obszarze zlecania usług lub podejmowania się wykonania czynności we własnym zakresie. Techniki szybkiego prototypowania. Rapid prototyping techniques. Autor: Miecielica M. Prz. Mech. 2010, R. 69, nr 2, s. 39-45. Przedstawiono możliwości jakie daje zastosowanie technik szybkiego prototypowania. Omówiono podstawy procesu RP (Rapid Prototyping) oraz podano obszary zastosowania tych metod, a także ich główne zalety i wady. Zestawiono najczęściej stosowane techniki RP (Rapid Prototyping), krótko je scharakteryzowano. Zaprezentowano 6 technologii wraz z firmami wiodącymi na rynku, ogólne cechy jakościowe, typowe zastosowania i stosowane materiały wyjściowe. Mechaniczne problemy elektrowni wiatrowych. Wind power plant, mechanical problems. Autor: Gutkowski W. Prz. Mech. 2010, R. 69, nr 2, s. 20-26. Celem artykułu jest zwrócenie uwagi na konieczność prowadzenia badań w obszarze mechaniki teoretycznej i stosowanej na potrzeby elektrowni wiatrowych w Polsce. Omówiono warunki pracy turbin wiatrowych, elementy ich mechaniki oraz techniki sterowania mocą turbiny. Zaprezentowane zostały turbiny o poziomych i pionowych osiach obrotu, a także rozwiązania konstrukcyjne wież podtrzymujących turbiny wiatrowe. Przedstawione w artykule problemy badawcze i techniczne związane z pracą elektrowni wiatrowych mogą stanowić podstawę do inicjatywy stworzenia polskich programów badawczych związanych ta dziedziną. 16
Prognozowanie właściwościości odlewów i wybór technologii ich produkcji. Prognozirovanie svojstv otlivok i vybor tekhnologij ikh proizvodstva. Prediction of Casting Properties and Selection of Their Manufacturing Technologies. Autor: Bibikov A.M. i in. Lit. Proiz. 2010, nr 1, s. 14-18. Przedstawiono metodykę otrzymywania odlewanych półwyrobów, pozwalającą na sterowanie składem i strukturą materiału tych półwyrobów, poprzez zmianę składu chemicznego, reżimów temperaturowych, a także poprzez oddziaływanie na stop siłami mechanicznymi, magnetycznymi i innymi w procesie jego krystalizacji. Badano wzajemną zależność otrzymywanej mikrostruktury i właściwości mechanicznych odlewów. W metodzie tej zakłada się regulowanie otrzymywania drobnego ziarna przy krystalizacji stopu poprzez zewnętrzne oddziaływanie na ośrodki krystalizacji, ułatwiające otrzymywanie drobnego ziarna, to znaczy kierowanie procesem powstawania kryształów. Proces krystalizacji w warunkach nierównowagi rozpatrywano jako proces synergetyczny. Przy tym metal znajdujący się w stanie ciekłym przyjmowano jako system otwarty, daleki od termodynamicznej równowagi, który wymienia się energią z zewnętrznym środowiskiem według określonych schematów. 02. ZASTOSOWANIE SYMULA- CJI KOMPUTEROWEJ W ODLEW- NICTWIE Wirtualny ciąg procesów powstawania narzędzia do przeróbki plastycznej; symulacja odlewania poszerza wirtualny proces produkcji. Virtuelle Produktenentstehungskette eines Umformwerkzeuges; Giesssimulation erweitert den virtuellen Fertigungsprozess. Virtual sequence of processes of making tools for plastic forming; casting simulation extends the virtual production process. Konstruieren+Giessen www.kug.bdguss.de (Fachartikel), s. 6. Badania pokazały, że zarówno integracja symulacji odlewania z wirtualnym ciągiem operacji powstawania wyrobu, jak i opracowana na jego podstawie optymalizacja kształtu są skutecznym środkiem do wczesnej oceny jakości odlanego elementu i ewentualnej jej poprawy. W ten sposób uzyskuje się informacje na temat naprężeń własnych, miejsc występowania jam skurczowych, a także prawdopodobieństwa ewentualnego ich wystąpienia. Informacje te są uwzględniane podczas badań nad wytrzymałością (trwałością) eksploatacyjną urządzenia i wraz z optymalizacją kształtu pozwalają opracować optymalną konstrukcję urządzenia. Dlatego też zastosowanie symulacji procesu odlewania powinno być standardem przy opracowywaniu konstrukcji urządzeń do przeróbki plastycznej. Do tego konieczna jest pełna integracja oprzyrządowania (oprogramowania) symulacyjnego do wirtualnego ciągu powstawania wyrobu (narzędzia do przeróbki plastycznej). Nieustalone, niezsynchronizowane punkty krzyżowania się narzędzi oprogramowania symulacyjnego są przeszkodą dla płynnej integracji łańcucha wirtualnego procesu wytwarzania (powstawania) wyrobu. Pewne nietypowe czynności można wykonać za pomocą innych, odrębnych rodzajów oprogramowania. Przekazywanie wyników pracy jednego oprogramowania do 17
kolejnego może wiązać się z dużą pracochłonnością. Czas przekazywania danych jest (może być) długi ze względu na niezsynchronizowane punkty wspólne pracy oprogramowania. W dalszej kolejności należy także uwzględnić optymalizację kształtu w wirtualnym procesie powstawania wyrobu. W tym zakresie konieczne są dalsze badania. Przewidywanie powstawania pęknięć na gorąco i obliczanie odkształcania odlewów w pakiecie programów PolygonSoft dla systemu symulacji procesów odlewania wspomaganych komputerem. Prognoz obrazovanija gorjachikh treshhin i raschet koroblenija otlivok v SKM LP "PoligonSoft". Hot Tearing Prediction and Casting Warpage Calculation in PolygonSoft Computer-Aided Casting Process Simulation System. Autor: Monastyrskij A.V. i in. Lit. Proiz. 2009, nr 10, s. 27-30. Modelowanie stanu naprężenia odkształcenia odlewu jest ważnym etapem opracowania procesu technologicznego odlewania części o zróżnicowanych kształtach. Ignorowanie tego etapu przy projektowaniu odlewu podwyższa ryzyko pojawienia się w odlewach wad typu pęknięcia na gorąco i na zimno, odkształcenia itp. Usunięcie ich drogą doświadczalną, metodą prób i błędów, może okazać się procesem długotrwałym i nieefektywnym. W ostatnim roku grupa specjalistów z firmy Csoft opracowuje model stanu naprężeń: naprężenie odkształcenie stygnącego odlewu z uwzględnieniem jego wzajemnego oddziaływania z formą. Model ten będzie dołączony do pakietu programów PolygonSoft jako jeden z modułów decyzyjnych. W artykule przedstawiono wybrane wyniki obliczeń testowych. Model wielofazowej mikrosegregacji. A multi-phase micro-segregation model. Autor: Pustal B. i in. Cast Metals Res. 2009, Vol. 22, nr 1-4, s. 252-255. Celem poznania przemiany eutektycznej żeliwa sferoidalnego opracowano wielofazowy model mikrosegregacji. Założono mieszaną, dendrytyczno-globularną morfologię powstającą w czasie krystalizacji. Podział rozpuszczalności jest obliczony przy założeniu stanu równowagi na granicach fazowych. Stosowano dostępne w handlu oprogramowanie CALHAD. Mikrosegregacja w zależności od czasu i ułamki fazowe są rozwiązane za pomocą modelu mikrosegregacji. Powstawanie frakcji ciekłej przy zmianie temperatury w czasie było porównane do symulacji Gulliver-Scheila dla modelu z i bez dyfuzji na przekroju. Model mikrosegregacji był połączony z dostępnym w handlu pakietem symulacji. Umożliwiało to rozwiązywanie problemu wzajemnego oddziaływania pomiędzy materiałem a skalą materiałową i procesową w czasie krystalizacji odlewów próbnych wykonanych ze stopu EN-GJSA- XNiCr20-2. Kinetyka wydzieleń fazowych, a specjalnie grafitu - jest szczególnie interesująca w czasie krystalizacji żeliwa sferoidalnego, dzięki działaniu zasilania. Podkreślono także inne aspekty krzepnięcia żeliwa sferoidalnego. Symulacja kierunkowego krzepnięcia odlewów z żarowytrzymałych stopów niklu. Modelirovanie processa napravlennoj kristallizacii otlivok iz zharoprochnykh nikelevykh splavov. Simulation of the Process of Directional Solidification of Heat-Resistant Nickel Alloy Castings. Autor: Mal'ceva Ju.Ju., Monastyrskij A.V. Lit. Proiz. 2010, nr 1, s. 19-22. 18
Najbardziej przyszłościowa technologia odlewania, zapewniająca wymagane eksploatacyjne właściwości łopatek turbin to metoda kierunkowego krzepnięcia z chłodzeniem ciekłego metalu. W artykule pokazano możliwości oprogramowania ProCAST na przykładzie modelowania procesu kierunkowego krzepnięcia. Rezultaty takiego modelowania i porównanie ich z rzeczywistymi wynikami otrzymano przy odlewaniu w formach ceramicznych. Pozwalają potwierdzić dużą jakość modeli matematycznych realizowanych w ProCAST. Zastosowanie symulacji komputerowej w opracowywaniu konstrukcji odlewu zaworu. Comparative analysis of design variants by pouring simulation. Autor: Hennecke U., Fritzsching C., Moser H. Casting Plant a.technology Int. 2009, nr 2, s. 42-44, 46-47. Celem badań było opracowanie najkorzystniejszej pod względem technologicznym konstrukcji odlewu zaworu (typu Trick lub Allan) z żeliwa szarego, stosowanego w lokomotywach parowych MAV II. Zaprojektowano w CAD trzy warianty tego zaworu różniące się szczegółami konstrukcyjnymi i dla każdego z nich wykonano symulację wypełniania formy metalem, symulację krzepnięcia i stygnięcia. Analiza porównawcza symulacji zalewania pozwoliła na wytypowanie pod względem konstrukcyjnym najkorzystniejszego wariantu odlewu. Pozwoliło to na uniknięcie kosztownych przeróbek konstrukcyjnych i korekt technologicznych w trakcie produkcji odlewu. Analiza procesów topienia i odlewania aluminidków tytanu w próżniowym piecu indukcyjnym z tyglem miedzianym, chłodzonym wodą. Analysis of melting and casting processes of TiAl in the cold induction crucible vacuum furnace. Autor: Jarczyk G. i in. Inż. mat. 2009, R. 30, nr 5, s. 411-413. W pracy przedstawiono wyniki symulacji numerycznej procesu topienia TiAl prowadzonego w piecu indukcyjnym z tyglem miedzianym (garnisażowym), chłodzonym wodą (IFCC). Badania dotyczyły modelowania rozkładu pola elektromagnetycznego i przepływu wirowego (turbulentnego) ciekłego wsadu w IFCC. Wykazano możliwość zastosowania trójwymiarowego przebiegu nieustalonego LES (Large Eddy Currents) w odniesieniu do symulacji procesu przepływu ciepła i masy w aplikacjach metalurgicznych. Przedstawiono również wyniki procesu odlewania odśrodkowego, z zastosowaniem tygla garnisażowego, do podgrzanej kokili, jak również zautomatyzowanego systemu załadunku wsadu oraz wyładunku odlanych półwyrobów (np. zaworów) bez zapowietrzania atmosfery pieca. Proces ten umożliwia wyprodukowanie w bardzo krótkim czasie (30 min) z wlewków o ciężarze do 8 kg 40 zaworów i 14 prętów na próbki do rozciągania. Powstawanie pyłów i gazów przy topieniu i rafinowaniu siluminu w piecu SAN-2,5. Pylegazoobrazovanie pri plavke i rafinirovanii siluminov v pechi SAN-2,5. Dust and Gas Formation during Melting and Refining of Silumins in Reverberatory Electric Furnace SAN-2,5. Autor: Rumyantseva G.A. i in. Lit. Proiz. 2009, nr 11, s. 31-34. Badano emisję pyłów i gazowych przy topieniu i rafinowaniu siluminów w płomieniowym piecu elektrycznym SAN-2,5. 19