ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING Published quarterly as the organ of the Foundry Commission of the Polish Academy of Sciences ISSN (189-3310) Volume 10 Special Issue 2/2010 93 98 1/2 Badania regeneracji kombinowanej termiczno-mechanicznej zużytej masy z technologii hot-box M. Łucarz Wydział Odlewnictwa AGH, Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 23 Kontakt korespondencyjny: e-mail eumar@agh.edu.pl Otrzymano 20.05.2010; zaakceptowano do druku 05.0.2010 Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań po obróbce cieplnej zużytej masy rdzeniowej otrzymanej z rdzeni wykonanych w technologii hot-box. Podjęcie tego problemu wynikało z niedostatecznego oczyszczenia ziarn osnowy z żywic w wyniku procesu wypalania. Dlatego, po wybranej liczbie cykli regeneracji termicznej realizowano dodatkowo regenerację mechaniczną. Celem podjętych działań było usunięcie ewentualnych zanieczyszczeń i resztek produktów spalania z powierzchni ziarn oraz przywrócenie osnowie ziarnowej parametrów zbliżonych do wyjściowych. Porównano wytrzymałość rdzeni wykonanych na bazie regeneratu. Stwierdzono, że zastosowanie regeneracji mechanicznej, jako zabiegu uzupełniającego, jest uzasadnione. We wszystkich analizowanych przypadkach po regeneracji kombinowanej mas rdzeniowych z technologii hot-box właściwości wytrzymałościowe uzyskano lepsze. Zwrócono uwagę, że w zależności od rodzaju żywicy regeneracja mechaniczna powinna być realizowana z odpowiednią intensywnością. Słowa kluczowe: Regeneracja kombinowana; Regeneracja termiczna; Regeneracja mechaniczna; Masy zużyte; Technologia hot-box. 1. Wstęp Regeneracja mechaniczna, w przypadku mas formierskich i rdzeniowych na bazie żywic jest niewystarczająca dla dobrego oczyszczenia osnowy ziarnowej. W istniejących systemach regeneracji stosowana jest zazwyczaj jako proces uzupełniający regenerację termiczną. Związane jest to głównie z kumulowaniem się szkodliwych substancji nieorganicznych oraz zanieczyszczeń w masie podlegającej wielokrotnemu procesowi regeneracji cieplnej, a następnie kolejnemu wielokrotnemu użyciu osnowy masy będącej w obiegu [1]. Nie usunięte związki z powierzchni ziarn po procesie spalania spoiwa wpływają na właściwości technologiczne masy. Aby zachować pierwotne właściwości, jakie posiadała świeża masa, trzeba zwiększyć ilość dozowanej żywicy czy też utwardzacza. Ze względów ekonomicznych jest to oczywiście nieuzasadnione, dlatego osnowa po regeneracji cieplnej może wymagać zastosowania dodatkowo regeneracji mechanicznej i klasyfikacji pneumatycznej, usuwającej zanieczyszczenia powierzchniowe z ziaren, które adsorbują większe ilości spoiwa i utwardzacza. Regeneracja mechaniczna lub pneumatyczna wykonana przed zabiegiem cieplnym ma za zadanie usunięcie zgrubne żywicy, natomiast po procesie wypalania usunięcie resztek produktów spalania, które wpływają na jakość osnowy, a w konsekwencji na parametry wytrzymałościowe masy sporządzanej z regeneratu. Pomimo zalet technologicznych, masy z żywicami np. z technologii hot-box są masami jednokrotnego użycia, a to ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98 93
z kolei wytycza kierunki badawcze i kreuje nowe problemy technologiczne wymagające rozwiązania. 2. Przebieg badań Celem badań było stwierdzenie progowej liczby cykli regeneracji termicznej, po której należy wprowadzić uzupełniający zabieg regeneracji mechanicznej, dla utrzymania na wyjściowym poziomie właściwości wytrzymałościowych masy. Obróbka mechaniczna ścierna osnowy ziarnowej została zastosowana dla usunięcia rezydualnych zanieczyszczeń z powierzchni ziaren i przywrócenie jej parametrów zbliżonych do wyjściowych. Badania wykonano na trzech masach rdzeniowych stosowanych w technologii hot-box [2]. Składy badanych mas przedstawia tabela 1. Tabela 1. Składy badanych mas Opis Masa I Masa II Masa III piasek Grudzeń Las - 100 cz. mas Jaworzno Szczakowa - 100 cz. mas Jaworzno Szczakowa - 100 cz. mas żywica utwardzacz Furesan 439-1,5 cz. mas Furedur 5242-0,3 cz. mas Coresin - 2 cz. mas AK-M - 10% w stosunku do żywicy SQ-10-2 cz. mas RX - 25% w stosunku do żywicy Sposób sporządzania i obróbki regeneracyjnej badanych mas był identyczny. Masy rdzeniowe przygotowywano w mieszarce wstęgowej, mieszając ładunek 1 minutę po dodaniu utwardzacza i 3 minuty po dodaniu żywicy. Każdorazowo przygotowano odpowiednią ilość masy, aby zapewnić możliwość wykonania kilku cykli regeneracji termicznej, biorąc pod uwagę straty masy w trakcie zabiegów międzyoperacyjnych. Rdzenie o kształcie próbek do badań wytrzymałościowych sporządzano w rdzennicy podgrzanej do temperatury 220 C. Czas wygrzewania rdzeni wynosił dla masy I 40 sekund, dla masy II - 25 sekund, dla masy III 0 sekund, a wytrzymałość badano po 1 godzinie od wykonania, gdy rdzenie uzyskały temperaturę otoczenia. Zamieszczone w publikacji wyniki badań są średnią arytmetyczną z przynajmniej 10 pomiarów wytrzymałościowych. Złom rdzeniowy powstały po badaniach wytrzymałościowych kruszono wykorzystując do tego celu mieszarkę krążnikową. Pokruszoną i przesianą osnowę wypalano w porcjach 5 kg w piecu, którego zasada działania została omówiona w publikacjach [3, 4]. Regenerat po ostygnięciu do temperatury otoczenia wykorzystywano do kolejnych cykli badawczych. Po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej regenerat poddawano regeneracji mechanicznej w regeneratorze odśrodkowym z bezudarową pobocznicą obwodową, którego zasada działania została omówiona w pracach [5-8]. W badaniach masę przepuszczano przez układ regeneratora 10 razy. Po regeneracji mechanicznej produkty ścierania usuwano poddając regenerat klasyfikacji pneumatycznej. Tak przygotowany regenerat wykorzystywano do sporządzania masy rdzeniowej w celu określenia właściwości wytrzymałościowych masy. Uzupełniający zabieg regeneracji mechanicznej realizowano po 1, 5 i 9 cyklach regeneracji termicznej. 2.1. Wyniki badań - masa I Na rysunku 1 przedstawiono rezultaty badań wytrzymałości rdzeni sporządzonych z regeneratu po wybranej ilości cykli regeneracji termicznej i dodatkowo wprowadzonej regeneracji mechanicznej. Uzyskane wyniki potwierdzają obserwację, że sam proces regeneracji termicznej nie jest w stanie przywrócić osnowie właściwości nowego piasku. Po pierwszych cyklach regeneracji termicznej następuje dość znaczny spadek wytrzymałości masy wykonanej z regeneratu. Dla kolejnych cykli, w przypadku tej masy, wytrzymałość rdzeni stabilizuje się na poziomie 2,55 MPa. masa po 9 cyklach regeneracji termicznej masa po 5 cyklach regeneracji termicznej masa po 1 cyklu regeneracji termicznej i Rys. 1. Wytrzymałość masy w zależności od rodzaju obróbki regeneracyjnej liczby cykli regeneracji (masa I) Regeneracja mechaniczna i klasyfikacja pneumatyczna wprowadzone w znaczący sposób zwiększają wytrzymałość rdzeni wykonanych z regeneratu poza jednym przypadkiem (1 cykl regeneracji). Uwzględniając wyniki badań oznaczenia ph (rys. 2), można stwierdzić korzystne działanie zabiegu mechanicznego na jakość regeneratu. Odczyn ph otrzymanego materiału ulega zmniejszeniu w wyniku obróbki mechanicznej. Dodawany kwaśny utwardzacz w pełni realizuje funkcję wiązania żywicy, co wpływa na zwiększenie wytrzymałości masy. Powyższe stwierdzenie ma swoje uzasadnienie w wynikach zamieszczonych na rysunku 3. Zastosowanie po 2 cyklach regeneracji termicznej obróbki mechanicznej stworzyło porównywalne warunki z działaniem polegającym na zwiększeniu ilości dodawanego utwardzacza, w celu zwiększenia wytrzymałości wykonywanych rdzeni. Na rysunku 3 zaznaczono dopuszczalny poziom 0% wytrzymałości wartości początkowej świeżej masy [9]. 1,92 2,55 2,55 2,3 3,2 3,83 4,19 0 1 2 3 4 5 R gu, MPa 94 ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98
,8,,4,5 kombinowanej termiczno-mechanicznej po każdym cyklu wytarzania rdzeni. a) b) Oczyn ph,2,8,,8,,9,1,4,2 1 5 9 Liczba cykli regeneracji c) d) Rys. 2. Wartość ph regeneratu po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej (masa I) masa po 2 cyklach regeneracji termicznej i 10 cyklach regeneracji mechanicznej oraz klasyfikacji pneumatycznej masa po 2 cyklach regeneracji termicznej (40% utwardzacza w stosunku do żywicy masa po 2 cyklach regeneracji termicznej (30% utwardzacza w stosunku do żywicy 3,51 3, 4,23 Rys. 4. Zdjęcia skaningowe: a) regenerat po 5 cyklach regeneracji termicznej, pow. 150x b) regenerat po 5 cyklach regeneracji termicznej, pow. 150x, c) regenerat po 5 cyklach regeneracji termicznej, pow. 500x d) regenerat po 5 cyklach regeneracji termicznej i dodatkowej regeneracji mechanicznej, pow. 500x masa po 2 cyklach regeneracji termicznej 2,19 masa po 1 cyklu regeneracji termicznej 2,1 5 Rys. 3. Wytrzymałość na zginanie próbek sporządzonych z masy na osnowie piasku i regeneratu przy różnych sposobach obróbki regeneracyjnej osnowy (masa I) Na rysunku 4 przedstawiono różnice stanu powierzchni regeneratów po obróbce termicznej i dodatkowej regeneracji mechanicznej. Na przestawionych zdjęciach można zauważyć, że po powierzchnia regeneratu jest mniej zanieczyszczona (por. np. rys. 4a i 4b oraz 4c i 4d). Zredukowana ilość drobnych cząstek na powierzchni zregenerowanej termicznie i mechanicznie osnowy ziarnowej jest prawdopodobnie tym czynnikiem, który decyduje o zmniejszeniu ph regeneratu, a to wpływa na zwiększenie wytrzymałości masy, wykonanej na bazie regeneratu po obróbce termicznomechanicznej, z żywicą utwardzanej kwaśnym Furedurem. Zastosowanie regeneracji mechanicznej po wybranej liczbie cykli regeneracji termicznej powodowało dość znaczne zwiększenie wytrzymałości rdzeni. Dlatego interesującym zagadnieniem było stwierdzenie, jaka będzie jakość osnowy ziarnowej i na jakim poziomie będą się kształtować wartości wytrzymałości masy rdzeniowej, jeżeli zostanie zastosowany zabieg regeneracji 3, 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 R gu, MPa R g u, MPa 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 8 9 Liczba cykli regeneracji kombinowanej Rys. 5. Wytrzymałość na zginanie próbek w zależności od liczby cykli regeneracji kombinowanej (masa I) Na rysunku 5 przedstawiono wyniki badań wytrzymałości masy dla określonej liczby cykli zmian regeneracji kombinowanej termiczno-mechanicznej. Można stwierdzić, dla zastosowanego składu masy, że regeneracja kombinowana pozwala utrzymać właściwości wytrzymałościowe na stabilnym poziomie. Potwierdza się również w tym przypadku opinia, że regenerat może się charakteryzować lepszymi właściwościami w stosunku do świeżej osnowy (rys. 5). ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98 95
a) b) powstały w wyniku zabiegów regeneracyjnych oraz większym rozdrobnieniem i bardziej nieregularnym kształtem. Na większych powiększeniach obserwowane są poza zmianami topografii również efekty gromadzenia się nie usuniętych resztek produktów spalania, jak również pozostałości po zabiegach mechanicznych. Na rysunku c i d zauważalne są w zagłębieniach (kraterach) nagromadzone zanieczyszczenia oraz zniszczenia osnowy wywołane mechanicznym oddziaływaniem. c) d) 2.2. Wyniki badań - masa II Rys.. Zdjęcia skaningowe przy powiększeniu x50: a) osnowy piaskowej Jaworzno Szczakowa, b) regeneratu po 1 cyklu regeneracji kombinowanej, c) regeneratu po 5 cyklach regeneracji kombinowanej, d) regeneratu po 9 cyklach regeneracji kombinowanej a) b) Dla drugiej z badanych mas pochodzącej z technologii hotbox, regeneracja termiczna gwarantowała zadawalające, korzystniejsze od wyjściowych wyniki wytrzymałości rdzeni, w badanym zakresie cykli obiegu osnowy ziarnowej. Zastosowanie regeneracji mechanicznej ściernej, dla większej liczby cykli obiegu osnowy kwarcowej, w niewielkim stopniu poprawiało właściwości wytrzymałościowe masy. W przypadku masy II poprawa parametrów wytrzymałościowych nie była właściwie konieczna. Na rysunku 8 przedstawiono porównanie wpływu regeneracji termicznej i dodatkowej obróbki mechanicznej na wytrzymałość rdzeni. 5,4 masa po 9 cyklach regeneracji termicznej 5,14,34 masa po 5 cyklach regeneracji termicznej 5,8 5,58 masa po 1 cyklu regeneracji termicznej i 5,1 c) d) 5,03 0 1 2 3 4 5 8 Rgu, MPa Rys. 8. Wytrzymałość na zginanie próbek sporządzonych z masy II na osnowie piasku i regeneratu, po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej, ze spoiwem fenolowo-mocznikowym modyfikowanym alkoholem furfurylowym Rys.. Zdjęcia skaningowe przy powiększeniu x500: a) osnowy piaskowej Jaworzno Szczakowa, b) regeneratu po 1 cyklu regeneracji kombinowanej, c) regeneratu po 5 cyklach regeneracji kombinowanej, d) regeneratu po 9 cyklach regeneracji kombinowanej Na rysunku przedstawiono zdjęcia skaningowe świeżej osnowy i regeneratów po określonej liczbie cykli regeneracji kombinowanej. Można zauważyć, że zmienia się powierzchnia ziarn po kolejnych przejściach osnowy przez układ regeneracji kombinowanej. Szczególnie wyraźnie dostrzegalne są te zmiany przy porównaniu rysunku a i d. Powierzchnia osnowy ziarnowej (regeneratu) po 9 cyklach regeneracji kombinowanej charakteryzuje się większą ilością kraterów (zagłębień), które 9 Liczba cykli regeneracji termicznej wpływa nieznacznie na odczyn chemiczny regeneratu (rys. 9). Natomiast w przypadku tej masy zauważalne jest zwiększenie zasadowości po regeneracji mechanicznej (rys. 9), jednak nie na tyle duże, aby spowodować pogorszenie jakości osnowy ziarnowej i wpływać niekorzystnie na wytrzymałość masy utwardzanej AK-M. Wielokrotne użycie osnowy kwarcowej w obiegu segregowało ilości poszczególnych frakcji, a z kolei przyczyniało się do poprawy parametrów wytrzymałościowych. Można przypuszczać, że w miarę kolejnych cykli, jednak zabieg regeneracji mechanicznej będzie wymagany dla utrzymania wytrzymałości rdzeni na poziomie jaki uzyskano dla masy wyjściowej. ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98
Odczyn ph 8,9,8,,,5,4,3,2,1,55,,41, 1 5 9 Liczba cykli regeneracji,5,95 masy. Sugeruje to, że badanie odczynu ph dla masy III nie jest parametrem miarodajnym do oceny regeneratu. Odczyn ph 10 9 8 5 4 3 2 1 9,0 8,03,9,33,1, Rys. 9. Wartość ph regeneratu uzyskanego z masy II, po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej i dodatkowej regeneracji mechanicznej 2.3. Wyniki badań - masa III W przypadku masy III stwierdzono jeszcze inny charakter zmian wytrzymałości masy sporządzonej z regeneratu. Z każdym kolejnym cyklem wykorzystania osnowy ziarnowej po obróbce cieplnej obserwowano spadek analizowanego parametru (rys. 10). masa po 9 cyklach regeneracji termicznej i masa po 5 cyklach regeneracji termicznej i masa po 1 cyklu regeneracji termicznej i Rys. 10. Wytrzymałość na zginanie próbek sporządzonych z masy III ze spoiwem fenolowo-formaldehydowym na osnowie piasku i regeneratu, po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej. Zastosowanie regeneracji mechanicznej jako zabiegu uzupełniającego okazywało się skuteczne jedynie dla większej liczby cykli regeneracji termicznej. Może się to wiązać z łatwiejszym i skuteczniejszym oddzielaniem mechanicznym większych pokładów nagromadzonych zanieczyszczeń na powierzchniach ziarn. Ale w tym przypadku zabieg regeneracji mechanicznej w bezudarowym regeneratorze odśrodkowym okazywał się zbyt słaby. Co prawda po 9 cyklach pozwalał utrzymać wytrzymałość rdzeni na poziomie powyżej 0% świeżej masy [9]. Pomimo zmniejszenia się odczynu ph regeneratu (rys. 11) nie uzyskano znaczącej poprawy wytrzymałości jakości 4,4 5,25,21,0,5,8,9 0 1 2 3 4 5 8 R gu, MPa 0 Rys. 11. Wartość ph regeneratu uzyskanego z masy III, po określonej liczbie cykli regeneracji termicznej i dodatkowej regeneracji mechanicznej 3. Podsumowanie 1 5 9 Liczba cykli regeneracji Zastosowanie regeneracji mechanicznej jako zabiegu uzupełniającego regenerację termiczną jest uzasadnione. We wszystkich analizowanych przypadkach mas formierskich z technologii hot-box uzyskano lepsze właściwości wytrzymałościowe. Należy jednak stwierdzić, że skuteczność oddziaływań mechanicznych jest bardziej efektywna wówczas, jeżeli ilość nagromadzonych zanieczyszczeń jest duża, bądź gdy ich stan związania z powierzchnią jest słabszy, np. wskutek degradacji termicznej powierzchni osnowy. Wobec tego intensywność zastosowanych oddziaływań mechanicznych powinna uwzględniać wcześniejszą krotność wykorzystania osnowy ziarnowej w procesie technologicznym. Przeprowadzone badania wskazują, że w zależności od rodzaju spoiwa obserwowany jest różny wpływ regeneracji termicznej na właściwości wytrzymałościowe. Wykonane badania określają, które z badanych mas regenerowanych termicznie wymagają wcześniejszego lub późniejszego zastosowania zabiegu regeneracji mechanicznej. Stwierdzono także, że nie dla wszystkich spoiw zastosowanych w składzie masy bezudarowa regeneracja mechaniczna jest dostatecznie skuteczna. Dlatego istotne wydaje się dobranie obróbki mechanicznej o określonej intensywności, która zagwarantuje poprawę właściwości wytrzymałościowych masy sporządzanej z regeneratu. Zastosowanie regeneracji kombinowanej termiczno-mechanicznej w każdym cyklu umożliwia utrzymanie właściwości wytrzymałości na stałym poziomie. Jest powodowane zabiegami mechanicznymi, które naruszają wierzchnią warstwę ziarna i odsłaniają nową czystą powierzchnię, która sprzyja uzyskaniu wymaganej wytrzymałości w każdym kolejnym cyklu wykorzystania osnowy ziarnowej (regeneratu). ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98 9
Publikacja naukowa finansowana w ramach projektu POIG nr WND-POIG.01.03.01-12-00/09 Literatura [1] M. Łucarz, Badanie pozostałości substancji nieorganicznych na powierzchni zregenerowanej osnowy. Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3, str. 9 102. [2] Katalog materiałów formierskich firmy Hüttenes-Albertus. [3] J. Dańko, L. Bodzoń, M. Łucarz, R. Dańko, A. Sroczyński, Charakterystyki robocze doświadczalnego stanowiska regeneracji termicznej. III Międzynarodowa Konferencja Nowoczesne Technologie Odlewnicze- Ochrona Środowiska, Kraków 9 wrzesień 2000 r., str. 2 32. [4] J. Dańko, M. Łucarz, L. Bodzoń, R. Dańko, Porównanie efektów regeneracji termicznej dla różnych warunków prowadzenia procesu. Acta Metallurgica Slovaca, Ročnik, tom 1, 2001, s. 105 110. [5] M. Łucarz, Opracowanie podstaw konstrukcji odśrodkowych regeneratorów mas formierskich. Praca doktorska, WO AGH, Kraków 199. [] J. Dańko, M. Łucarz, Theoretical backgrounds of designing impact-free centrifugal reclamation units. Metallurgy and Foundry Engineering, UMM, vol.22, Kraków 199, p. 309-31. [] J. Dańko, M. Łucarz, Analiza symulacyjna parametrów bezudarowego regeneratora odśrodkowego. Przegląd Odlewnictwa nr -8, Kraków 199, s. 230-233. [8] J. Dańko, R. Dańko, M. Łucarz, Procesy i urządzenia do regeneracji osnowy zużytych mas formierskich. Wydawnictwo Naukowe,,Akapit, Kraków 200. 291 s. ISBN 98-83-89541-88-8. [9] G. Good, D. Hoyt Fetal., AFS Special Report, July 198, p. 30-34. Study of combined thermo-mechanical reclamation of used hot-box sand Abstract The paper presents the results of the additional mechanical reclamation applied after the heat processing of the waste core mass obtained from the cores produced in hot-box technology. It was important to undertake the research because the process of purifying the resins off the grains of the matrix by burning had proved to be unsatisfactory. That is why, after a particular number of cycles of thermal reclamation, a mechanical reclamation was additionally applied. The aim of the action was to remove the potential impurities and the remains of the combustion products from the surface of the grains and restoring the parameters of the matrix close to the initial ones. The strength of the cores obtained from the reclaimed material after thermal reclamation was compared to that after the additional mechanical reclamation. It was found that mechanical reclamation applied additionally after the thermal one proved to be fully justified. In all analysed cases the application of the combined reclamation of core masses in hot-box technology led to receiving better strength qualities. It was observed that the intensity of the use of mechanical reclamation should depend on the kind of a resin. 98 ARCHIVES OF FOUNDRY ENGINEERING Volume 10, Special Issue 2/2010, 93-98