14/41 Solidification of Metais and Alloys, Y e ar 1999, Volume l, Book No. 41 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik l, Nr 41 PAN- Katowice PL ISSN 0208-9386 WPL YW PARAMETRÓW EKOLOGICZNEGO PROCESU PRODUKCYJNEGO NA JAKOŚĆ~ FORMY CERAM][CZNEJ I ODLEWU W METODZIE WYTAPIANYCH MODELI HARA TYM Roman 1, KAR WIŃSKI Aleksander 2 1 Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, 2 Zakład Technologii, Instytut Odlewnictwa w Krakowie. Streszczenie Przeprowadzono analizę jakości form ceramicznych i odlewów precyzyjnych wykonanych ze stopu AK9 w aspekcie poprawy warunków ekologicznych procesu produkcyjnego jak; obniżenie ilości szkodliwych zanieczyszczeń powietrza w odlewni oraz zmniejszenie zanieczyszczeń poza odlewnią przez obn iżenie en e rgochłonności wytwarzanych odlewów. Udowodniono, że wzrost jakości wyrobu (odlewu) w kolejnej fazie procesu wytwarzania może być dokonany przy jednoczesnej poprawie warunków pracy w odlewni precyzyjnej i zmniejszeniu szkodliwych czynników poza odlewnią (w skali globalnej - krajowej). Wstęp Od czasu światowego kryzysu energetycznego, który miał miejsce w latach siedemdziesiątych XX wieku, wszystkie kraje są zainteresowane obniżeniem energochłonności podczas produkcji wyrobów. Nadmierne zu;tycie energii negatywnie wpływa na środowisko przyrodnicze. Przemysł energetyczny jest główną przyczyną zanieczyszczenia powietrza [ l ]. Podstawowym źródłem powstawania takich zanieczyszczeń jak tlenki siarki, węgla i azotu jest przemysł energetyczny (50 do 60% zanieczyszczeń). Energochłonność przemysłu w Polsce jest jedną z najwyższych w świecie (rysunek 1). Energochłonność wytwarzanych wyrobów przemysłowych najbardziej efektywnie można zmniejszyć w fazie projektowania poprzez zmniejszenie ilości użytego materiału na jednostkę wyrobu i w fazie produkcji przez zastosowanie mniej energochłonnej technologii.
107 lkgpu..:: 251.) M., l'aństwa Rysunek l. Energochłonn o ść przemys łu maszynowego w różnych państwach. Figure l. The national differences in the level of the consumption of energy in machine industry. Energochłonność wytwarzania danego odlewu będziemy mierzyć ilością energii włożonej w każdą fazę procesu produkcyjnego. Im więcej faz wyodrębnimy tym energochłonność będzie dokładniej obliczona. Z uwagi na objętość referatu obliczenie energochłonno ś ci będzie bardziej ogólne z uwzględnieniem aspektu ekologicznego. Energochłonność całkowita (skumulowana) powinna być sumą czterech strumieni energii [ 2 ]. Energochłonność skumulowanajest wtedy sumą : l. nośników energii, 2. energii włożonej w produkcję surowców i materiałów technologicznych, 3. energii włazonej w urządzenia i maszyny technologiczne, 4. energii siły roboczej. Jakość formy ceramicznej w aspekcie ekologii. Forma ceramiczna w metodzie wytapianych modeli jest formą nie dzieloną, wi e lowarstwową wykonaną przez nakładanie kolejnych warstw na model woskowy. Wykonanie formy ceramicznej jest jedną z główny ch operacji wykonania odlewu precyzyjnego. Proces wykonania odlewu dzielimy najczęściej na pięć główn y ch operacji technologicznych (rysunek 2). Zaliczamy do nich: ~ wykonanie matrycy, najc zę śc iej metalowej, do wytwarzania modeli woskowych, ~ wykonanie modeli woskowych, ~ wykonanie form ceramicznych (wraz z wytapianiem modeli woskowych wygrzewanie form ceramicznych), ~ topienie metalu i zalewanie form ceramicznych, ~ wykańczanie odlewów.
108 Rysunek 2. Uproszczony schemat technologiczny w metodzie wytapianych modeli. Figure 2. The technological scheme in investment casting process. Proces był monitorowany podczas wykonania modelu woskowego (rysunek 3) na bazie, którego sporządzono następnie formę ceramiczną i odlew. 1vVVVVll l ~t (U -q- - - 40 Rys unek 3. K sz tałt monitorowanego odlewu. Figure 3. The shape o f casing monitored. Podstawowymi parametrami technologicznymi w procesie wykonania formy ceramicznej, które później głównie wpływają na jakość odlewu, są: a) dokładne odwzorowanie kształtu modelu, b) własności wytrzymałościowe formy ceramicznej, c) przepuszczalność formy ceramicznej. W pracy [ 3 ] udowodniono, że zastosowanie "wodnego" spoiwa krzemianowego EKOSIL [ 4 ] zamiast spoiwa na bazie krzemianu etylu pozwoli na
109 dokładniejsze odwzorowanie kształtu modelu (rysunek 3) przez wykonaną przy jego zastosowaniu formę ceramiczną. Jednocześnie zamiana krzemianu etylu na EKOSIL poprawi warunki pracy w odlewni przez wyeliminowanie toksycznych krzemianu etylu i alkoholu etylowego. Biorąc pod uwagę fakt, że choroby zawodowe w znaczący sposób wpływają na długość życia ludzkiego w Polsce [ 6 ], które jest jednym z najniższych (dla mężczyzn) w Europie, każda poprawa warunków pracy w odlewni nie jest bez znaczenia. Na rysunku 4 przedstawiono wytrzymałość form ceramicznych, natomiast na rysunku 5 porównano przepuszczalność form ceramicznych wykonanych na spoiwach krzemianowych (z użyciem krzemianu etylu) oraz spoiwie EKOSTL...J ifj o ~ LlJ 0.. o ~ ifj ~ ~ L ~ Rysunek 4. Wytrzymałość na zginanie form ceramicznych wykonanych z udziałem różnych spoiw. Figure 4. Bending strength o f ceramie moulds designed with different binders. Rysunek 5. Przepuszczalność form ceramicznych wykonanych z udziałem różnych spoiw. Figure 5. Permeability ofceramic moulds designed with different binders. Do pomiarów wytrzymałości i przepuszczalności form ceramicznych użyto różne rodzaje spoiw krzemianowych, aktualnie stosowane w polskich odlewniach precyzyjnych, oraz materiały kwarcowe krystaliczne. Pomiary prowadzono według metod opisanych we wcześniejszych publikacjach [1,7]. Energochłonność wykonania odlewów ze stopu AK 9 w zależności od rodzaju użytego spoiwa. W naszym przypadku obliczymy tylko energochłonność technologii konkretnego odlewu precyzyjnego Eor. bez obliczania cząstkowych energii pozyskania i
110 przetwarzania surowców i materiałów zawartych w gotowym wyrobie (np. nie uwzględniono energii wtórnej zawartej w złomie obiegowym). Energochłonność E 0 p będzie równa: Eor = E Went + E wm + E FC + E w cm + E wo Odlew (rysunek 3) jest wykonany z AK 9 ma masę 65 gram. Masa zestawu - 25 sztuk odlewów z układem wlewowo - zasilającym wynosi około 2650 gram. Zakładając l 0% braków i uzysk około 62%, ustalamy, że odlew ma masę obliczeniową potrzebną do określenia zapotrzebowania na ciekły metal około 116 gram. Proces wykonywania odlewów był następujący; model wykonano z mieszanki parafinowo - stearynowej z dodatkiem wosku Montana. Formy ceramiczne sporządzono na bazie krzemianu etylu i zolu kwasu krzemowego nakładanych naprzemiennie oraz krystalicznych materiałów kwarcowych. Odlewy zalewano grawitacyjnie, do form o wysokości 320 mm i o temperaturze 320 C, ciekłym metalem o temperaturze 725 C. Energochłonność w poszczególnych operacjach procesu wytwarzania odlewów [ 1 ], przy równoważniku l kwh= 9,3 MJ (zgodnie z literaturą [ 5 ]), była następująca: l. E wm 1 - Energochłonność wykonania matrycy do wytwarzania modeli woskowych - dla matrycy metalowej o masie l,5 kg, wykonanej metodą obróbki skrawaniem wynosi 56202 kj. Zakładając wykonanie w niej 400 000 sztuk modeli, dla l kg odlewów E wm 1 będzie równa około 2,25 kj, II. E WM -Energochłonność wykonania modelu woskowego - wynosi 33 I0,74 kj na I kg odlewów wykonanych ze stopu AK 9, III. E re- En ergochłonnoś ć wykonania formy ceramicznej- dla l kg odlewów wynosi 25237,9 kj, IV. E wcm - Energochłonność wytapiania ciekłego metalu i zalewania formy ceramicznej ciekłym metalem - dla I kg odlewów wynosi 8364,2 JeJ, V. E wo- Energochłonność wykańczania odlewu wraz z ohróbką cieplną - wynosi 8356,9 kj. Energochłonność całkowita Eor"" 45 272 kj (wariant I). Zastosowanie spoiwa EKOSIL na formy ceramiczne przy grawitacyjnym zalewaniu, ze względu na wyższą wytrzymałość i lepszą przepuszczalność, daje możliwość użycia wyższych wlewów głównych w formach ceramicznych. W wyniku tego otrzymamy zwiększenie uzysku z 62 do 68% (wariant II procesu ). Zastosowanie spoiwa EKOSIL na formy ceramiczne w przypadku wykonywania odlewu ze stopu AK 9 metodą podciśnieniową (proces CLA) spowoduje dalsze zwiększenie uzysku z 68 do 82% (wariant III procesu). W związku z powyższym, szacunkowo obliczona calkowita energochłonność odlewu E 0 p dla wariantu II (na l kg odlewu) wyniesie E 0 r 11 = 43225,8 kj oraz dla wariantu III otrzymamy Eopm= 39199,6 kj.
III Analiza wyników W wyniku wprowadzenia "wodnego" spoiwa EKOSIL w miejsce krzemianu etylu i Sikopu zostanie zmniejszona energochłonność całk owita odlewu EoP dla wariantu II (w porównaniu do wariantu l) o około 2016 kj oraz dla wariantu III o około 6072 kj. Jednocześnie badania odlewów ze stopu AK 9 prowadzone w Politechnice Warszawskiej wykazały, że poprawiła się znacznie jakość ich powierzchni; R. (dla wariantu I) wynosi od około 3 do 5 11m zaś wariantu III R."" 0,9 do 2,0 wn. Ponadto gdyby p rzyjąć, że połowę roc?..nej produkcji odlewów precyzyjnych w Polsce (czyli około 480 ton) wykonać w wariancie III zamiast w I to uzyskano by roczne oszczędności energii rzędu 2428* I 0 3 MJ (261 075 kwh). Dzięki temu można by zmniejszyć szkodliwe zanieczyszczenie środowiska ograniczając np. emisję do atmosfery S0 2 i N0 2 o około kilkaset ton za ś C0 2 o około kilka tysięcy ton rocznie. Wnioski l. Zastosowanie EKOSILU jako spoiwa w odlewnictwie precyzyjnym w kraju spowoduje roczne oszczędności energii około 2,61 * 10 3 kwh, przy jednoczesnej poprawie jakości formy ceramicznej i odlewów precyzyjnych. 2. Oszczędności energii przy obniżeniu energochłonności wytwarzanych odlewów związane są również ze zmniejszeniem emisji szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery takich jak S0 2 N0 2 i C0 2 Spowoduje to poprawę warunków ochrony środowiska naturalnego. Literatura [l] Roman Haratym, Andrzej Kolasa: "Ekologiczne wytwarzanie części maszyn" Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1997 [2] Aleksander Sala: "Zmniejszenie energochłonności " Wydawnictwo MCNEMT Radom, 1993, [3] Aleksander Karwiński, Roman Haratym: "Jakość form ceramicznych w procesie wytapianych modeli" Acta Metallurgica Slovacia, Koszyce, 1999, [4] Zbigniew Adamczyk, Aleksander Karwiński, Jerzy Stachańczyk : Zgłoszenie patentowe nr P- 3 19315 [5] Praca zbiorowa GUS, Rocznik Statystyczny RP ZWS Warszawa 1998, [6] Praca zbiorowa GUS Ochrona Środowiska ZWS Warszawa 1998 [7] Aleksander Karwiński: "Nowoczesne metody badań laboratoryjnych w odlewnictwie precyzyjnym" - materiały szkoleniowe dla pracowników odlewni precyzyjnych, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 1997. Recenzował : Marcin Perzyk