8/5 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 5 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 REGENERACJA TERMICZNA I RECYKLING PIASKÓW ŻYWICZNYCH Z WYKORZYSTANIEM TRANSPORTU PNEUMATYCZNEGO Z. IGNASZAK 1, J. B. PRUNIER*, R. PIAULT Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów 61 138 POZNAŃ, ul. Piotrowo 5 * Grupa Odlewni Ferry Capitain 52300 JOINVILLE (Francja) STRESZCZENIE W odlewni żeliwa produkującej odlewy wielkogabarytowe, w system istniejącego transportu pneumatycznego stacji recyklingu mas formierskich furanowych (metoda mechaniczna), wprowadzono agregat do regeneracji termicznej mas. Przedstawiono doświadczenia z jego uruchomienia i eksploatacji. Okres ten pozwolił na optymalizację parametrów cieplnych procesu wpływających na wydajność agregatu i jakość piasku. Wybrane aspekty tych zagadnień są opisane w artykule. Key words: pneumatic transport, thermal sand reclamation, furan sand.. 1.WPROWADZENIE Niniejsza praca dotyczy rozwiązania zastosowanego w odlewniach grupy Ferry Capitain, które wprowadzono w ostatnim czasie, włączając w stację recyklingu masy formierskiej furanowej, urządzenie do regeneracji termicznej. W poprzedniej publikacji przedstawiliśmy wybrane doświadczenia z wieloletniej eks ploatacji systemu transportu pneumatycznego [1]. Doświadczenie służb utrzymania ruchu grupy F C oraz własne techniczne usprawnienia systemu, pozwalają na jego użytkowanie przy niskim stopniu jego awaryjności i relatywnie niewysokim koszcie eksploatacji. F C jest grupą wiodącą w zakresie postępu tak w obszarze metalurgicznym jak i technologicznym. Między innymi to w tej grupie zastosowano po raz pierwszy w odlewnictwie francuskim odzysk chromitu z masy obiegowej, początkowo, w latach 1 dr hab. inż. prof. Politechniki Poznańskiej, mail: zenon.ignaszak@put.poznan.pl
65 siedemdziesiątych, metodą złoża fluidalnego, a przed kilku laty metodą magnetyczną oraz inne interesujące rozwiązania z zakresu instalacji do odzysku i regeneracji piasków formierskich [2,3,4]. W artykule [1] pokazano także charakterystyki wysokociśnieniowego transportu pneumatycznego w F C, omówiono zasadnicze problemy eksploatacyjne oraz oryginalne rozwiązania usprawniające system, wraz z określeniem jego rentowności. Do systemu wprowadzono agregat firmy Richards do regeneracji termicznej, łącząc go z istniejącymi podzespołami transportu pneumatycznego. Uruchomienie urządzenia do regeneracji termicznej było planowane w związku z oszczędnościowym programem w zakresie zużycia świeżego piasku oraz z ograniczeniem, a następnie eliminacją wywozu z odlewni mas odwałowych. 2. PROBLEMY RECYKLINGU I REGENERACJI MAS ŻYWICZNYCH Znane jest zagadnienie prawnych regulacji, które głównie dotyczą mas żywicznych i które w krajach zachodnich prowadzą nieuchronnie do ograniczenia, a w końcu eliminacji piasków i mas wywożonych na odwał. Na przykład począwszy od lipca 2002 roku na francuskie składowiska będą dopuszczone tylko skondensowane odpady "ostateczne" (dechets ultimes), tj. takie, które ze względów ekonomicznych czy technicznych nie będą mogły być poddane dalszemu przerobowi. Termiczna regeneracja piasków (mas) formierskich zajmuje ważną pozycję wśród technik wychodzących naprzeciw temu problemowi [3,5]. Z badań nad wyborem metody i systemu regeneracji termicznej mas wiązanych żywicami, przeprowadzonych w latach poprzednich [3], wynikało, że unifikacja systemu spoiwa żywicznego będzie korzystna z punktu widzenia jakości masy wykonanej z piasku regenerowanego termicznie. Kierunek ten był uzasadniony z punktu widzenia zasad wiązania ziaren piasku w warunkach kwaśnego charakteru procesu wiązania za pomocą żywicy furanowej. System spoiw furanowych, utwardzanych katalitycznie w środowisku kwaśnym, został wprowadzony do odlewnictwa w roku 1958. W połowie lat 60 tych, przez wprowadzenie aktywującego systemu silanów (0,1 0,2%), obniżono ilość żywicy do niezbędnego minimum (poniżej 1%). Łącznie z rozwojem mieszarek ciągłych, szybkoobrotowych, proces ten podlegał optymalizacji i do tej pory pozostaje on najważniejszym systemem spoiwowym spośród wszystkich systemów chemicznego wiązania mas formierskich i rdzeniowych [6]. Proces wiązania zachodzi w temperaturze otoczenia i odbywa się według schematu: żywica w stanie ciekłym środowisko kwaśne żywica w stanie stałym + woda + ciepło Zachodząca polikondensacja ma charakter egzotermiczny i jeżeli ten fakt powoduje lokalny wzrost temperatury, to przyspiesza to szybkość wiązania. Generalnie przyrost temperatury o 10 C przyspiesza 2 krotnie szybkość reakcji. Jednocześnie
66 wydzielanie się wody tak jak i obecność wody z utwardzacza oraz wody pierwotnej na ziarnach, spowalnia reakcję utwardzania lub może nawet wstrzymać jej przebieg, do czasu odparowania wody do otoczenia (stąd tendencja do powierzchniowego utwardzania masy). Biorąc pod uwagę charakter środowiska masy, wszelkie zanieczyszczenia przywarte do ziaren osnowy lub drobnoziarniste składniki o charakterze przeciwnym (zasadowym), mogą znacznie osłabić siły wiązania, odpowiednio adhezji lub kohezji. Dowiedziono, że decydującą rolę w oddziaływaniu na wytrzymałość mechaniczną mas żywicznych mają siły adhezji. Projektując zatem system recyklingu (odzysku) i regeneracji mas w odlewni stosującej jedynie chemiczne systemy żywiczne, należy zwrócić uwagę głównie na następujące zagadnienia: konieczność wyeliminowanie zasadowych procesów wiązania, na rzecz procesów kwaśnych, z zaleceniem unifikacji formuły spoiwo utwardzacz, wprowadzenie systemu regeneracji, neutralizującego ewentualne składniki, mogące zakłócić wiązanie konkretnego rodzaju masy, w tym dobre odpylanie, niedopuszczenie do zawilgocenia piasku. Stosowana jeszcze powszechnie regeneracja mechaniczna, nie prowadzi do całkowitego usunięcia otoczek spoiwowych, a zatem pozostałości mostków o charakterze kwaśnym, maskujących obecność zanieczyszczeń. Jest ona natomiast ważnym etapem przygotowawczym do regeneracji termicznej, pozwalającej jeszcze skuteczniej usuwać składniki utwardzonych mostów spoiwa. Na rys 1 przedstawiono schemat stacji recyklingu i regeneracji mechanicznej; w której obok typowych urządzeń, zastosowano odpowiednio rozbudowane nitki transportu pneumatycznego. Rozwiązanie to umożliwia usunięcie do 30% żywicy z powierzchni ziaren w stosunku do stanu początkowego, co można uznać za standard dobrego przygotowania piasku do usunięcia pozostałej otoczki na drodze termicznej. Dla odlewni, w których stosowanie piasku świeżego jest nieodzowne (rdzenie, masa przymodelowa) dobrze funkcjonujący system regeneracji termicznej pozostaje często jedynym wyjściem służącym globalnemu rozwiązaniu problemu technologicznego i problemu odpadów. Okazało się, że problem ten jest o wiele bardziej złożony [7]. 3. AGREGAT REGENERACJI TERMICZNEJ. MODYFIKACJE SYSTEMU Schemat agregatu Richards (Leicester, England) do regeneracji termicznej, z jego podzespołami, zainstalowanego w odlewni żeliwa F C, pokazano na rys 2. Agregat należy do grupy stosowanych już od pewnego czasu w kilku odlewniach europ ejskich [5]. Pewną uciążliwością w tym rozwiązaniu było doprowadzenie piasku do regeneracji mechanicznej od góry, do złoża fluidalnego, z zastosowaniem rynny wibracyjnej. W F C zmodyfikowano ten sposób, wprowadzając piasek bezpośrednio za pomocą 4 króćców (rozgałęzienie przewodu głównego od podajnika transportu pneumatycznego) rys.3. Podstawowe parametry tego rozwiązania przedstawiają się następująco:
67 Rys.1 Schemat stacji recyklingu i regeneracji mechanicznej masy furanowej (zaznaczono zasilanie agregatu Richards) Fig.1 Scheme of recycling station and mechanical reclamation of furan sand (feeding of Richards unit is indicated)
68 Rys. 2 Schemat zespołów agregatu Richards PX800: B1, B2, B6 podajniki transportu pneumatycznego, B1a zbiornik główny piasku po regeneracji mechanicznej, B3 zbiornik buforowy, B4 podajnik wibracyjny, B5 urządzenie do regeneracji ermicznej w złożu fluidalnym (zespół główny), B5a zespół chłodnicy fluidalnej (odzysk ciepła, klasyfikacja ziarnowa), B7 zespół odpylania. Strzałką oznaczono miejsce modyfikacji zasilania złoża fluidalnego (bezpośrednio z transportu pneumatycznego). Fig.2 Scheme of Richards PX800 unit: B1, B2, B6 pneumatic sand senders, B1a main container of sand after mechanical reclamation, B3 buffer container, B4 vibration feeder, B5 fluidal thermal bloc (main unit), B5a cooling fluidal bloc (thermal reclamation, granular classification), b7 dust and low grain cleaner. The arrow indicates the modification place of fluidal bloc feeding (directly from pneumatic system)
69 DOPROWADZENIE GAZU I POWIETRZA DO PALNIKÓW B A 4 3 OTWORY EWAKUACYJNE PIASKU ZE ZŁOŻA 2 1 Rys.3 Widok od góry systemu złoża fluidalnego (w stanie spoczynku). Fig.3 View of fluidal bloc system (in the neutral state). trzystopniowa redukcja ciśnienia zasilania złoża, z 0,6 do 0.06 MPa (niskociśnieniowy transport pneumatyczny), pojemność podajnika zasilającego 150 dm 3 (czas napełniania - 1 min., czas opróżniania 13 min), temperatura średnia w strefach A (od strony zasilania) 710 C i B (od strony ewakuacji piasku po regeneracji)- 720 C, co zależy od szybkości zasilania, wysokość wzbudzonego złoża fluidalnego około 1m. Obserwacja złoża fluidalnego przez specjalną pokrywę właz, od góry (jest to możliwe ze względu na bardzo dobrą jakość regeneratu po regeneracji mechanicznej mało dymów) pokazała, że strefa A nie jest zakłócana przez strumienie zasilające z 4 króćców. Przeprowadzono także badania rozkładu temperatury w strefach dolnej części zewnętrznej obudowy złoża fluidalnego (rys. 4 i 5), za pomocą termografu V 20. Stwierdzono nagrzewanie się rur doprowadzających (króćców) maksymalnie do około 250 C. Podobne maksymalne temperatury pomierzono na dwóch rurach, przez które zachodzi ewakuacja piasku obrobionego termicznie. W drugim przypadku rury te były słabo izolowane cieplnie i było to podstawą do poprawienia tego stanu przez służby techniczne F C.
70 Złoże fluidalne 1 2 3 4 A B B z podajnika TP A 1 2 3 4 Rys.4 Mapa temperatury obudowy po modyfikacji zasilania Fig. 4 Temperature map of housing after feeding modification. 4 3 2 1 A WY1 WY2 B WY1 WY2 TERMO GRAF Rys.5 System ewakuacji piasku. Mapy temperatury systemu. Fig.5 Evacuation sand system. Temperature map of system.
71 4. ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI MAS Z REGENERATU Piasek przed (RM) i po regeneracji termicznej (RT) poddano równolegle standardowym badaniom laboratoryjnym oraz porównano z wynikami dla piasku świeżego. Do wiązania stosowano następnie tę samą żywicę furanową i utwardzacze, które stosuje się w tej odlewni: żywica furanowo formaldehydowo mocznikowa (gęstość w 20 C =1,135 0,010; wskaźnik refrakcji=1,480 0,010; ph=7,5 1,0; woda%=7,0 1,0; azot%=0,8 0,2, wolny fenol%=0, wolny formaldehyd%=0,2 0,1 utwardzacze modyfikowane chemicznie roztwory wodne kwasu aryl sulfonowego (przykład: gęstość w 20 C =1,284 0,010; kwasowość: 4,8 ml/g 1n NaOH dla ph=7; siarka 14%) Zawartość żywicy (0,95%) i katalizatora (0,4%) była także zgodna ze składem stosowanym w produkcji, w warunkach temperatury otoczenia około 20 C, co daje wytrzymałość na zginanie (+GF+) min. 20 dan/cm 2 dla piasku po regeneracji mechanicznej (RM). Wyniki porównawczych badań osnów przedstawiono w [7]. Stwierdzono, że agregat Richards nie powoduje niepożądanych modyfikacji ziarnistości osnowy oraz, że uzyskano zgodne z oczekiwaniami obniżenie strat prażenia. Wartość ph roztworu wodnego potwierdzały oczekiwania co do zróżnicowania ph obu piasków. Otrzymane wskazania zapotrzebowania na kwas/zasadę wskazywały niezbicie obecność zasadowych pozostałości na powierzchni ziaren piasku po regeneracji termicznej. Wykonane badania porównawcze dla piasku świeżego wskazały również na obecność jonów zasadowych na powierzchni ziaren, które pochodzą prawdopodobnie z detergentów stosowanych do płukania świeżego piasku. Będąc przygotowanym na tę ewentualność, wcześniej zlecono badania, które potwierdziły obecność jonów sodowych na powierzchni ziaren. Uniemożliwiające normalne wiązanie jony Na pochodzić mogą z celowego neutralizowania żywicy furanowej przez jej producentów, dodatkiem np. NaOH, w celu zatrzymania samorzutnej polikondensacji. Margines ph żywicy ciekłej (od 6 do 8) jest tolerowany przez użytkowników i w warunkach stosowania piasków świeżych lub po RM, wydaje się być akceptowalny dla produkcji. Zaistniały problem z piaskiem po RT w temperaturze około 720 C, z którego powierzchni usunięto składniki organiczne, z pozostawieniem niemożliwych do usunięcia w warunkach RT mineralnych związków zasadowych, pokazał, że sytuacja wymaga szczególnej interwencji. Aby zobrazować ten problem, który narasta z czasem, na rys.6 przedstawiono zmiany zapotrzebowania na kwas (metodyka badania, zgodna z odpowiednią normą) zarejestrowane na podstawie badań w okresie lat 1999 2001. Jak widać, zasadowość wzrosła w miarę upływu czasu, co wymagało stosowania zmodyfikowanych odpowiednio formuł: żywica utwardzacz.
X - Pozostała objętość NaOH - 1n, w ml 72 Sable régénéré thermiquement ( FC) Demande d'acide, d'apres les mesures labo-sable, 1999-2001 16 diagramme de Z.Ignaszak 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rys.6 Zmiany zapotrzebowania na kwas piasku po regeneracji termicznej (1999 2001) Fig.6 Changes of acid demand for sand obtained by thermal reclamation (1999 2001) 6.PODSUMOWANIE ph mieszaniny (piasek 50g +50ml H 2 O + 50ml HCl-1n + (50-X)ml NaOH-1n 09.09.1999,pH=7.3 12.10.1999,pH=7.8 09.11.1999,pH=7.3 09.12.1999,pH=7.0 22.02.2000,pH=7.0 16.03.2000,pH=6.9 11.04.2000,pH=7.2 20.05.2000,pH=7.9 12.12.2000, ph=7.1 08.01.2001,pH=7.2 06.02.2001,pH=7.3 18.09.2001,pH=7.6 16.10.2001,pH=8.5 30.10.2001,pH=8.3 20.12.2001,pH=7.6 Wprowadzenie regeneracji termicznej do systemów recyklingu w odlewniach jest uważane jako prawie jedyne wyjście na przeciw problemom środowiskowym i przynoszącym jednocześnie oszczędności związane z ograniczeniem lub zaniechaniem zakupów świeżego piasku. W grupie odlewni Ferry Capitain wprowadzono taki nowoczesny agregat, poświęcając temu wiele uwagi i włączono go do systemu stacji recyklingu masy furanowej, wykorzystując nitki transportu pneumatycznego do składowania piasku regenerowanego mechanicznie w silosach przy poszczególnych mieszarko nasypywarkach, do zasilania złoża fluidalnego (nowe oryginalne rozwiązanie F C) i do odbioru piasku po regeneracji termicznej i jego przesłania do odpowiedniego silosu. Ten etap zakończył się pełnym sukcesem. Podczas eksploatacji odkryto wystąpienie nieoczekiwanej perturbacji jakości wiązań adhezyjnych ziarno most spoiwowy, podczas utylizacji piasku po regeneracji termicznej do wykonywania tzw. mas ze składników świeżych, zwłaszcza w temperaturach poniżej 5 C. Podjęta współpraca z producentami żywic i ich czynne włączenie się w produkcyjne problemy technologiczne; wynikające ze stosowania przez
73 nich substancji stabilizujących trwałość ciekłej żywicy, przynosi pierwsze korzystne efekty. LITERATURA [1] Z.Ignaszak, J.B.Prunier, R.Piault Doświadczenia eksploatacyjne systemu transportu pneumatycznego w warunkach odlewni francuskich. Solidification of Metals and Alloys, Book no 40, 1999. [2] Ignaszak Z., Millot A. - Odzyskiwanie i regeneracja piask ów z mas wiązanych chemicznie. Stan aktualny i perspektywy. [w:] Materiały IV Konferencji Odlewników Lubuskich, STOP i WSI Zielona Góra, 17-18 listopada 1994. [3] Ignaszak Z., Herzog T., Millot A., Prunier J-B. - Badania i studium nad hipotezami i perspektywami regeneracji i waloryzacji mas formierskich. Materiały międzynarodowej konferencji "Nowoczesne Technologie Odlewnicze - Ochrona Środowiska", AGH Kraków, 6-8 września 1995. [4] Ignaszak Z., Millot A., Prunier J-B. - Odzyskiwanie chromitu z masy obiegowej. Aspekt technologiczny i ekologiczny. Materiały II międzynarodowej konferencji "Nowoczesne Technologie Odlewnicze-Ochrona Środowiska", AGH, 3-5 września 1997. [5] Stephan J.: Régénération thermique des sables de fonderie. Caractérisation d'une installation Richards PX800. Fonderie Fondeur d'aujourd'hui 170, décembre 1997. [6] Praca zbiorowa: Manuel des sables à prise chimique (de la mise en œuvre au recyclage) Edition du Centre Technique des Industries de la Fonderie. Sèvres, 1994. [7] Ignaszak Z. - Regeneracja termiczna mas wiązanych chemicznie. Przykład masy furanowej. Proceedings. III Międzynarodowej Konferencji Nowoczesne Technologie Odlewnicze-Ochrona Środowiska, AGH, 7 9 września 2000 THERMAL RECLAMATION AND RECYCLING OF RESIN BONDED SANDS USING THE PNEUMATIC TRANSPORT SYSTEM SUMMARY In the cast iron foundry, where the heavy castings are manufactured., the system of thermal sand reclamation was inserted in the pneumatic transport of mechanical recycling station of furan sands. Our experiences, coming from startin g and first exploitation period, are presented. This period permitted to optimise mainly thermal parameters of process that influence the productivity of system and reclaimed sand quality. The chosen aspects of these problems are described in this paper. Recenzował Prof. Aleksander Fedoryszyn