15/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ZAGOSPODAROWYWANIE OCYNKOWANYCH BLACH W PROCESACH TOPIENIA ŻELIWA M. GRZYBOWSKA 1, A.W. BYDAŁEK 2, R. DYLEWSKI 3 1 DOZAMET-Odlewnia, ul. Przemysłowa 1, 65-002 Nowa Sól 2,3 Uniwersytet Zielonogórski, ul. Szafrana 2, 65-016 Zielona Góra STRESZCZENIE W artykule przedstawiono zagrożenia wynikające z przetwarzania blach ocynkowanych w procesach topienia żeliwa. Pokazano wyniki prób przemysłowych z zastosowaniem wsadu z blach ocynkowanych. Wskazano na możliwość formułowania zadań optymalizowania z użyciem programowania liniowego. Wskazano na efektywniejsze wykorzystanie mocy produkcyjnych odlewni i zminimalizowanie strat powstających w wyniku niewłaściwego doboru składu surowcowego. Omówiono postępowanie optymalizowania zabiegu topienia żeliwa sfero EN-GJS-500-7 o właściwościach zgodnych z normą PN-EN 1563. Key words: cast-iron, optimum chemical composition, zinc influence on iron 1. WPROWADZENIE Począwszy od lat 90-tych ubiegłego stulecia obserwuje się w przemyśle samochodowym rosnące zastosowanie blach ocynkowanych. Powoduje to pojawianie się na rynku znacznych ilości złomu metalowego w postaci odpadów stali ocynkowanej. Wtórne zagospodarowanie tego rodzaju blach stwarza obecnie istotne problemy ze względów zarówno technologicznych jak i ekologicznych [1]. Równocześnie istnieje jednak możliwość pozyskania powstałego podczas procesu pyłu tlenku cynku jako surowca wtórnego. Cynk jest pierwiastkiem lotnym o temperaturze wrzenia 911 o, który przy temperaturze 1300-1500 o paruje i utlenia się w kontakcie z powietrzem, zanieczysz- 1 mgr inż. m_grzybowska@o2.pl 2 dr hab. inż. a.bydalek@ibem.uz.zgora.pl 3 R.Dylewski@wmie.uz.zgora.pl
124 czając środowisko w istotnym stopniu. Cynk odznacza się niską wartością współczynnika aktywności (0,146) wskazując na podobieństwo do węgla, niklu lub wanadu. Na podstawie przeglądu dostępnej literatury dla ważniejszych składników stopowych i cynku jako zanieczyszczenia wskazać można również na jego odpowiednie oddziaływania grafityzujące. Ciekły metal, w omawianym przypadku żeliwo, zawierające znaczne ilości resztkowego cynku paruje podczas wszystkich operacji topienia i transportu aż do momentu odlewania. Jest to powodem zanieczyszczenia hal produkcyjnych. Ponadto pary cynku penetrują i przenikają przez ściankę tygla lub wymurówki pieca a następnie kondensują się na zimnych ściankach cewki indukcyjnej, stwarzając niebezpieczeństwo krótkiego spięcia i w konsekwencji awarii pieca. Obniża to żywotność wyłożenia ogniotrwałego pieca przyczyniając się do skrócenia czasów między remontami. Powstający wówczas w nadmiernych ilościach odpad, wybita wymurówka lub zużyty tygiel, stanowi zagrożenie w przypadku jego niewłaściwego składowania. 2. METODY ZAGOSPODAROWAYWANIA BLACH OCYNKOWANYCH W PROCESACH METALURGICZNYCH Znalezienie rozwiązania sygnalizowanych powyżej problemów technologicznych staje się konieczne z uwagi na rosnące zapotrzebowanie na żeliwo (zwłaszcza sferoidalne) jak i zwiększającą się corocznie ilość odpadów ocynkowanych - rocznie na rynek trafia ich przeciętnie 1,5 miliona ton. Prowadzone na przestrzeni lat badania pozwoliły na opracowanie kilku sposobów zagospodarowania blach ocynkowanych w procesie topienia. Wśród nich wymienić można: 1) Procesy pyrometalurgiczne polegające na podgrzewaniu blachy ocynkowanej do temperatury 400-800 o C pod ciśnieniem 10Pa. 2) Proces hydrometalurgiczny przebiegające poza procesem topienia i polegające na traktowaniu cynku odczynnikiem kwaśnym. 3) Odcynkowywanie pod częściową próżnią procesy polegające na eliminowaniu cynku podczas topienia blachy i przetrzymywania ciekłego żeliwa w elektrycznym piecu indukcyjnym. Na ogół, przy danych warunkach technologicznych i ekonomicznych, istnieje wiele decyzji dopuszczalnych. Spośród trzech wymienionych powyżej metod pozwalających na zagospodarowywanie blach ocynkowanych wszystkie zawierają pewne niedoskonałości zarówno z technologicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia. Pierwszy i trzeci wymaga stosowania drogiego i wymagającego częstych remontów osprzętu, natomiast drugi jest uciążliwy z ekologicznego punktu widzenia. Wyboru decyzji optymalnej można dokonać posługując się metodami matematycznymi [2-7]. W pracy podjęto próbę rozwiązania zadania umożliwiającego optymalizowanie procesu przetapiania żeliwa z uwzględnieniem obecności w wsadzie ocynkowanych blach stalowych [8].
125 3. POSTĘPOWANIE OPTYMALIZACYJNE I PRÓBY PRZEMYSŁOWE Sformułowanie problemu odpowiedniego doboru materiałów wsadowych jako zadanie optymalizacyjnego pozwala na efektywniejsze wykorzystanie mocy produkcyjnych odlewni przy zminimalizowaniu strat powstających w wyniku niewłaściwego doboru składu surowcowego. Stąd też próba zastosowania programowania linowego do optymalizacji procesu topienia z uwzględnieniem obecności we wsadzie cynku. Wykorzystano w tym celu pakiet obliczeniowy MATLAB firmy MathWorks zawierający interpreter języka umożliwiającego implementację algorytmów numerycznych [9]. W pakiecie MATLAB zaimplementowano standardowe operacje na macierzach. Wykorzystano podstawowe założenia programowania liniowego, uwzględniając maksymalizację i minimalizację funkcji liniowej przy ograniczeniach równości lub nierówności [8]. Formułując przedmiotowe zagadnienie uwzględniono straty surowcowe powstające w procesie topienia. Ustalono minimalne i maksymalne zawartości głównych składników oraz zanieczyszczeń w żeliwie, uwzględniając dodatkowo cynk maksymalnie 0,001% mas. i skład chemiczny materiałów wsadowych (surówki, złomu żeliwnego i blach ocynkowanych). Wynikiem ostatecznym jest zalecana ilość surowców w poszczególnych grupach wsadu przykład okna przygotowawczego przedstawiono na rysunku 1a. Próby przeprowadzono w dwu i cztero tonowych indukcyjnych piecach elektrycznych średniej częstotliwości. W fazie wstępnej uwzględniono zastosowanie złomu z blach ocynkowanych w ilości do 10% masy wsadu. Znaczącą rolę odgrywała również analiza mocy instalacji odpylającej. W celu wyeliminowania negatywnego, bezpośredniego oddziaływania par cynku na obsługę pieców zaprojektowano instalację umożliwiającą przy całkowicie otwartych pokrywach pieców wymianę 30000 m 3 /h powietrza. Opracowywany proces technologiczny zakładał otrzymanie otrzymywanie żeliwa wyjściowego gat. EN-GJS-500-7 w ilości 4000 kg. Założono uzyskanie żeliwa o składzie: C=3.9%; Si=1,2%; Mn=0,2%; P=0,02%; S=0,01%; Zn=0,002%. Do produkcji wykorzystano: blachy ocynkowane (tab.1), surówkę wielkopiecową (tab.2), złom obiegowy (tab.3), złom stalowy-czarny (tab. 4). Uwzględniając straty surowcowe ilości poszczególnych materiałów wsadowych, z pominięciem nawęglacza, ustalono namiar wsadowy pieca. Zestawienie wynikowe (wydruk okna) pokazuje rysunek 1b. Załadunek pieca odbywał się w następującej kolejności:1) surówka + blacha ocynkowana, 2) złom stalowy czarny + surówka, 3) złom obiegowy + surówka Końcowy skład żeliwa po modyfikacji żelazo-krzemem Fe-Si 75% Si przedstawiał się następująco: C=3,62%; Si=2,99%; Mn=0,21%; Zn=0,0109. Po zakończeniu procesu topienia pobrano próby z tygla celem: - oceny składu chemicznego przed modyfikacją, - oceny zawartości cynku, - określenia mikrostruktury, - określenia własności mechanicznych zgodnie z normą PN-EN 1563. Wyniki badań były zadowalające wskazały jednak na konieczność modyfikacji procesu technologicznego. Obserwowano bowiem nadmierna wypłukiwanie wymurówki pieca.
126 a) b) Rys. 1. a) Okno robocze opracowanego programu optymalizacyjnego na bazie MATLAB firmy MathWorks, b) okno wynikowe. Fig 1. a) The window of elaborated optimization programme - basis of the MATLAB of firm MathWorks, b) the outcome window. Tabela 1. Skład chemiczny zastosowanych blach ocynkowanych Table 1. The chemical composition of zinc-plated sheet metals 1 0,139 0,212 0,679 0,012 0,012 0,005 2 0,146 0,219 0,508 0,016 0,016 0,004 3 0,136 0,189 0,660 0,014 0,014 0,009 średnia 0,004 0,035 0,2 0,01 0,01 0,04
127 Tabela 2. Skład chemiczny zastosowanej surówki Table 2. The chemical composition of applied blast-furnace pig iron 1 4,43 0,226 0,043 0,052 0,027 0,00028 2 4,49 0,52 0,051 0,055 0,015 0,0008 3 4,44 0,7 0,179 0,063 0,037 0,0005 średnia 4,16 0,5 0,04 0,05 0,04 0,04 Tabela 3. Skład chemiczny zastosowanego złomu obiegowego Table 3. The chemical composition of current scrap-iron 1 3,52 2,75 0,3 0,011 0,012 0,0013 2 3.78 2,64 0,25 0,016 0,013 0,0016 3 3.65 2,53 0,08 0,013 0,014 0,0019 średnia 3,5 2,75 0,3 0,03 0,01 0,03 Tabela 4. Skład chemiczny zastosowanego złomu stalowego czarnego Table 4. he chemical composition of steel black scrap-iron 1 1,139 0,212 0,679 0,0101 0,0144 0,00166 2 0,146 0,189 0,508 0,0088 0,0118 0,00164 3 0,186 0,161 0,543 0,0084 0,0121 0,00159 średnia 0,16 0,17 0,59 0,009 0,01 0,001 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zaproponowany sposób optymalizacji zabiegu topienia żeliwa z udziałem wsadów zanieczyszczonych cynkiem (blachy ocynkowane) pozwolił na uzyskiwanie żeliwa sferoidalnego EN-GJS-500-7 o właściwościach zgodnych z normą PN-EN 1563. Zastosowanie metody programowania liniowego przy rozwiązywaniu problemu optymalizacji wytopu żeliwa pozwoliło na porównanie i ocenę dużej liczby wariantów składów wsadu. Należy jednak podkreślić złożoność zagadnienia: nie tylko z uwagi na zachodzące zjawiska fizykochemiczne, ilości wariantów składów chemicznych czy szybkości działań (w sensie liczby operacji arytmetycznych), ale również występujące efekty eksploatacyjne jak zużycie wymurówki czy zwiększona wymienialność filtrów powietrza. Obecnie prowadzone są badania zarówno nad korozyjnością jak i dopasowaniem optymalnych warunków rafinacyjnych do wytapiania żeliwa sferoidalnego z nowoopracowanych wsadów. Prowadzone są również analizy stopnia zużywania się worków filtracyjnych oraz wentylatorów. Wyniki badań pozwolą na wprowadzenie kolejnych wariantów obliczeniowych pozwalających obniżyć zarówno koszty eksploatacji jak i oddziaływanie na środowisko.
128 LITERATURA [1] C. Cadaroso, M. Losada: Melting of zinc coated scrap in modern crucible, Euro-Equip S.A-Fuchosa S.A., 2003 [2] A. Cegielski: Programowanie liniowe, Wyd. Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2002. [3] R. Knosala: Zastosowanie metod sztucznej inteligencji w inżynierii produkcji. PWN, Warszawa 2002. [4] Z. Lech, E. Czekaj: Biuletyn Instytut Odlewnictwa, nr spec., 2001, 3. [5] J. Wolf: Giesserei, Nr 1, T. 88, 2001, 28. [6] A. Tabor, J. Rączka; Arch. Odlewnictwa, nr 17, R. 5, 2005, 333. [7] S. Pietrowski, Gumienny, B. Pisarek: Arch. Odlewnictwa, nr 17, R. 5, 2005, 417. [8] M. Grzybowska, A.W. Bydałek, A. Cegielski: Arch. Odlewnictwa, (przyjęta do druku-2006). [9] A. Zalewski, R. Cegieła: MATLAB obliczenia numeryczne i ich zastosowanie, Wyd. NAKOM, Poznań, 2001. SUMMARY STOCKING OF ZINC-PLATED SHEET METALS INTO CAST IRON MELTING PROCESSES In the article the consequential from processing of zinc-plated sheet metals threats in processes the melting of cast iron were presented. The industrial test data with use of furnace charge from zinc-plated were showed. The formulating the problems of optimizing from use of linear programming were showed on possibility. It was showed on more effective utilization the productive power of foundry and the minimizing losses forming in result of wrong selection of the raw material composition. It the conduct of optimizing the treatment of melting of cast iron sphere EN - GJS-500-7 about properties conforming with norm PN - EN 1563. was talked over. Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer.