17/3 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA PROCESU BRYKIETOWANIA DO UTYLIZACJI PYŁÓW ŻELIWIAKOWYCH K. SMYKSY 1, M. HOLTZER 2 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE Zwiększenie zakresu utylizacji odpadów powstających w odlewniach jest konieczne ze względu na zaostrzenie przepisów związanych z ochroną środowiska. Istotnym źródłem emisji pyłów w wielu odlewniach są żeliwiaki. Zastosowanie w nich instalacji suchego odpylania wiąże się z koniecznością składowania znacznej ilości gromadzonych pyłów. Jedną z możliwości ograniczenia kosztów składowania pyłów jest ponowne ich wprowadzenie do żeliwiaka w postaci pyłów, grudek lub brykietów. W artykule opisano w zarysie proces brykietowania pyłów. Przedstawiono wyniki wstępnych badań brykietowania pyłów żeliwiakowych. Key words: environmental protection in foundries, dust from cupola, briquetting of dust. 1. WSTĘP Problem wykorzystania odpadów powstających przy wytwarzaniu odlewów budzi coraz większe zainteresowanie odlewników. Jest to związane z aspektami zarówno ekologicznymi, jak i ekonomicznymi. Ostrzejsze przepisy zobowiązują odlewnie do wykorzystywania odpadów w celach przemysłowych. Odpadami, które w najbliższej przyszłości będą stanowiły istotne obciążenie dla odlewni, są pyły pochodzące z odpylania żeliwiaków, szczególnie przy stosowaniu we wsadzie ocynkowanego złomu motoryzacyjnego [6]. Wymogi ochrony środowiska będą w najbliższej przyszłości zmuszać odlewnie do wprowadzania skutecznych metod odpylania właśnie m.in. żeliwiaków. Ilość koniecznych do zagospodarowania pyłów 1 dr inż., ksmyksy@agh.edu.pl 2 prof. dr hab., holtzer@agh.edu.pl
ilość pyłu; kg/(t żeliwa 122 wyraźnie się zwiększy. Dlatego też konieczne jest poszukiwanie i wdrażanie skutecznych metod wykorzystywania tych pyłów, zgodnych z zasadami ochrony środowiska i ekonomicznie opłacalnych [5,12]. W zakresie utylizacji pyłów z odpylania żeliwiaków można zauważyć dwie zasadnicze technologie, jakie w ostatnich latach są realizowane w świecie: bezpośrednie wdmuchiwanie pyłów do żeliwiaka, często zmieszanych z innymi pyłami powstającymi w odlewni [8]. wstępne ich brykietowanie lub grudkowanie i w takiej formie wprowadzanie do żeliwiaka wraz ze wsadem [12]. 2. CHARAKTERYS TYKA PYŁÓW POCHODZĄCYCH Z ODPYLANIA ŻELIWIAKÓW Ilość pyłu emitowanego z żeliwiaków zawiera się w szerokim przedziale i zależy od typu żeliwiaka (rys.1). Najczęściej wynosi ona 8-10 kg/tonę ciekłego żeliwa [9]. 35 30 25 20 15 10 koks klasyczny koks formowany 5 0 0,1 1 10 100 Wydajność żeliwiaka; t/h Rys. 1. Zależność ilości emitowanych pyłów od wydajności żeliwiaka. Dane z [11]. Fig. 1. Correlation between amount of emitted dust and cupola output. Data from [11]. Duży udział w pyle emitowanym z żeliwiaka mają cząstki koksu (tzw. koksik). W tabeli 1 podano charakterystykę pyłu emitowanego z żeliwiaka [8]. Należy zwrócić szczególną uwagę na obecność w pyle tlenków metali ciężkich (głównie PbO i ZnO). Występują one na ogół tylko w przypadku stosowania złomu motoryzacyjnego (np. ocynkowanej blachy karoseryjnej). Udział tego złomu zwiększa się systematycznie,
123 dlatego też coraz większe staje się zagrożenie tlenkami metali ciężkich. Cynk w pyle żeliwiakowym może występować w postaci tlenku cynku ZnO (frakcja najdrobniejsza), ferrytu cynku ZnFe 2 O 4 oraz krzemianu cynku Zn 2 SiO 4 [7]. Tabela 1. Skład chemiczny i właściwości fizyczne pyłu emitowanego z żeliwiaka o wyłożeniu kwaśnym i wydajności 8 t/h [8]. Table 1. Chemical composition and properties of dust emitted from acid lined cupola (melting rate 8 t/h). Ilość pyłu 5 13 kg/t ciekłego żeliwa Ziarnistość pyłu: < 10 m ŻZD-20%, ŻGD-30%, < 100 m ŻZD-50%, ŻGD-70%, ziarnistość cząstek ZnO: 0,01 3 m (ŻZD żeliwiak z zimnym dmuchem; ŻGD ż.eliwiak z gorącym dmuchem.) Składnik Zawartość, % wag. Składnik Zawartość, % wag. Tlenki żelaza 30 60 SiO 2(również w postaci Fe 2SiO 4) Ok. 25 C (z koksu) 3 15 MnO 3 10 Al 2O 3 1 3 MgO 1 3 CaO < 1 ZnO Do 3 (max 20) PbO i tlenki innych metali ciężkich Tlenki alkaliczne rozpuszczalne w wodzie (Na 2O i K 2O) z popiołu i koksu < 1 S Do 2 0,3 5 Siarczany rozpuszczalne w wodzie 0,3-5 Szkodliwe mogą być również krzemiany i tlenki metali alkalicznych, rozpuszczalne w wodzie. Te ostatnie pochodzą z popiołu koksu i dlatego wartość ich emisji jest proporcjonalna do zużycia koksu [9]. 3. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESU BRYKIETOWANIA Wprowadzenie pyłów bezpośrednio do wsadu wymaga ich grudkowania lub brykietowania. Przy grudkowaniu konieczne są: znaczne rozdrobnienie materiału, stabilizacja jego wilgotności i zastosowanie materiału wiążącego [1,3]. Uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości grudek wymaga zwykle dodatkowych zabiegów. Stopień zagęszczenia granulatu jest stosunkowo niewielki, a grudki mają zróżnicowane i stosun - kowo niewielkie wymiary oraz porowatą strukturę. Konkurencyjną metodą w stosunku do grudkowania jest brykietowanie. Zagęszczony materiał drobnoziarnisty przyjmuje formę brykietów, o żądanym kształcie i wymiarach geometrycznych oraz o określonej wytrzymałości. Na właściwości brykietów wpływają: dobór składu mieszanki przeznaczonej do brykietowania, sposób jej przygotowania oraz dobór urządzenia brykietującego i parametrów jego pracy. Ważne są również warunki przechowywania brykietów do momentu ich wykorzystania. Do brykietowania można używać pras stemplowych, ślimakowych, pierścieniowych i walcowych. Największe zastosowanie mają obecnie prasy walcowe. Ich zalety to: ciągły charakter pracy, uzyskiwanie dużej
Zawartość danej frakcji pyłu, % 124 wydajności, mniejsze zużycie energii oraz większa trwałość elementów formujących (w stosunku do innych odmian pras) [3]. Prasy walcowe stosuje się coraz częściej w procesie utylizacji drobnoziarnistych odpadów produkcyjnych. Aktualna oferta urządzeń do brykietowania pod względem rozwiązań konstrukcyjnych oraz wydajności jest bardzo szeroka. Przykładowo prasy walcowe mogą osiągać wydajność objętościową w zakresie od 0,7 do 12,5 m 3 /h przy mocy napędu od 0,7 do 200 kw [2]. 4. WSTĘPNE BADANIE BRYKIETOWANIA PYŁÓW ŻELIWIAKOWYCH We wstępnych badaniach brykietowania pyłu żeliwiakowego wykorzystano pył oddzielony w cyklonie (pył gruby) oraz pył oddzielony w odpylaczu suchym (pył drobny). Charakterystyki ziarnowe omawianych pyłów, określone za pomocą przesiewacza pneumatycznego LPzB-1, zamieszczono na rysunku 2. Z omawianych pyłów sporządzano mieszanki z dodatkiem różnych materiałów wiążących- ich składy zamieszczono w tabeli 2. 70 60 50 40 30 20 10 Pył drobny Pył gruby 0 0-0,04 0,04-0,056 0,056-0,063 0,063-0,071 0,071-0,1 0,1-0,16 0,16-0,2 >0,2 Przedział wielkości ziaren danej frakcji pyłu, mm Rys. 2. Skład ziarnowy badanego pyłu żeliwiakowego. Fig. 2. Grain size distribution of investigated dust from cupola. Przesłanką wyboru materiałów wiążących były dane z publikacji [1,2] dotyczących badań procesu brykietowania pyłów żelazonośnych, pochodzących z odpadów hutniczych. Możliwe było również brykietowanie pyłów bez materiału wiążącego, jednak dopiero po ich wstępnym nawilżeniu. Brykiety te odznaczały się małą trwałością i ulegały rozpadowi po usunięciu z matrycy (zjawisko reekspansji[1]). Brykiety sporządzano w matrycy o średnicy wnęki około 20 mm pod naciskiem statycznym, wywieranym przez układ hydrauliczny.
125 Tabela 2. Skład mieszanek z których sporządzano brykiety. Table 2. Composition of mixtures for briquettes. O znaczenie mieszanki Pył drobny Pył gruby Zawartość składnika; cz. wag. Wióry żeliwne Bentonit Bentomak Szkło wodne Wapno hydratyzowane Wilgotność mieszanki % M1 100 - - 2,5 - - 4,9 M2-100 2,5 - - - 5,3 M3 50 50-2,5 - - 5,6 M4 37,5 37,5 20 2,5 - - 6,3 M5 50 50 - - 5 3 7,5 M6 65 25 - - - 10 5,5 Uśrednione wyniki pomiarów gęstości brykietów, otrzymanych z różnych mieszanek i przy różnym nacisku prasującym, przedstawia rysunek 3. Na rysunku 4 zestawiono wybrane wyniki pomiarów wytrzymałości brykietów na ściskanie oraz na rozszczepianie. Pomiary wytrzymałości na ściskanie przeprowadzano bezpośrednio po wykonaniu brykietów oraz po 24 godzinach a pomiary wytrzy - małości na rozszczepianie- po 24 godzinach. Ze względu na dominujący w tej próbie udział naprężeń rozciągających można założyć, że jej wyniki charakteryzują również wytrzymałość brykietów na rozciąganie. Pomiary wytrzymałości brykietów prowadzo - no przy stosunku ich wysokości do średnicy (h/d) bliskim 1; pomiary gęstości brykietów również przy stosunku h/d poniżej 0,5 (w celu wyeliminowania wpływu tarcia o ściany matrycy na wyniki pomiarów). Zróżnicowanie wyników, zwłaszcza przy nacisku powyżej 10 MPa, nie było jednak znaczące. Dzięki wykonanym specjalnym uchwytom możliwe było przeprowadzenie prób na typowym aparacie LRu-1. Zastosowanie, jako materiału wiążącego, szkła wodnego powodowało - zgodnie z przewidywaniami - wzrost wytrzymałości brykietów po 24 godzinach. Analizując wyniki pomiarów (rys.3), można stwierdzić, że największy przyrost gęstości brykietów następuje przy nacisku jednostkowym do około 100 MPa. Zwiększanie nacisku jednostkowego do wartości ponad 130 MPa nie prowadziło do wyraźnego powiększenia się gęstości i wytrzymałości brykietów. Rodzaj zastosowanego materiału wiążącego stosunkowo nieznacznie wpływał na gęstość wykonywanych brykietów. Zaobserwowano natomiast znaczący wpływ składu ziarnowego mieszanki: lepsze efekty uzyskiwano w przypadku zagęszczania mieszanek drobnoziarnistych lub z udziałem pyłu drobnego. Uzyskiwane gęstości brykietów sugerują mniejszy niż podawany w tabeli 1 udział związków żelaza; prawdopodobny natomiast jest większy udział w badanych pyłach krzemionki. Dodanie do mieszanki wiórów żeliwnych spowodowało wyraźne zwiększenie się gęstości brykietów. Wykonane z różnych mieszanek brykiety charakteryzowały się różną trwałością; zwłaszcza brykiety wykonane z pyłu grubego rozpadały się samoistnie po okresie kilku do kilkunastu dni
Gęstość brykietów ; MPa 126 (zależnie od wartości stosowanego nacisku i smukłości brykietów oraz od początkowej wilgotności mieszanki). Oznaczenie mieszanki M1 (PD+B) M2 (PG+B) M3 (PD+PG+B) M4 (PD+PG+WŻ+B) M5 (PD+PG+SzW+WH) M6 (PD+PG+WH) 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 30 50 70 90 110 130 150 170 Jednostkowy nacisk prasujący P j ; MPa Rys. 3. Wpływ jednostko- wego nacisku prasującego P j na gęstość brykietów, sporządzonych z różnych mieszanek (tab.2); symbole składników mieszanki: PD - pył drobny, PG - pył gruby, WŻ - wióry żeliwne, B- bentonit, SzW - szkło wodne, WH - wapno hydratyzowane. Fig. 3. Influence of unit squeezing pressure P j on the density of briquettes ; briquettes have been prepared from different mixtures (table 2); Symbols of the components of mixtures: PD- fine dust, PG- coarse dust, WŻ- cast iron chips, B- bentonite, SzW- water glass, WH- hydrated lime. 5. PODSUMOWANIE Właściwości brykietów uzyskane w badaniach można uznać za wystarczające do ich wykorzystania w procesie żeliwiakowym. Otrzymane wyniki są porównywalne z danymi literaturowymi [1,12]. Zakres planowanych, dalszych badań brykietów będzie rozszerzony m.in..na oznaczanie wytrzymałości w podwyższonej temperaturze oraz odporności brykietów na obciążenia dynamiczne (np. przy zastosowaniu próby zrzucania). W świetle przeprowadzonej analizy literaturowej oraz badań wstępnych można stwierdzić, że najważniejszy jest prawidłowy dobór składu mieszanki przeznaczonej do brykietowania, zapewniającej dobre właściwości brykietów oraz optymalnej z punktu widzenia wskaźników ekonomicznych. Korzystnym rozwiązaniem
Wytrzymałość brykietów - na ściskanie R c ; MPa Wytrzymałość brykietów - na rozszczepianie R p ; MPa 127 Oznaczenie mieszanki M5 (PD+PG+SzW+WH) M6 (PD+PG+WH) 6,5 6 5,5 R c - po 24h 2 1,95 1,9 5 4,5 R p 1,85 1,8 4 3,5 3 2,5 2 R c - bezpośrednio po zagęszczeniu 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55 1,5 30 80 130 180 Jednostkowy nacisk prasujący P j ; MPa Rys. 4. Wpływ jednostkowego nacisku prasującego P j na wytrzymałość na rozciąganie R c i rozszczepianie R p brykietów, sporządzonych z różnych mieszanek (tab.2); symbole składników mieszanki: PD- pył drobny, PG- pył gruby, SzW- szkło wodne, WH- wapno hydratyzowane. Fig. 4. Influence of unit squeezing pressure- P j on briquettes compressive strength- R c and split strength- R p, briquettes have been prepared from different mixture (table 2); symbols of mixtures components: PD- fine dust, PG- coarse dust, SzW- water- glass, WH- calcium hydrate. jest z pewnością dodatek do pyłu żeliwiakowego innych odpadów produkcyjnych z odlewni. Dodatki te mogą spełniać rolę materiału wiążącego lub wzbogacającego mieszankę w związki żelaza. Aktualna oferta urządzeń przeznaczonych do brykieto - wania jest na tyle szeroka, że nie powinny wystąpić problemy z wyborem odpowiedniego rozwiązania. Istnieje również możliwość wykorzystania przez kilka odlewni urządzenia przewoźnego, co poprawiłoby wskaźniki ekonomiczne inwestycji. Oczywiście, dalszym etapem kompleksowych badań musi być analiza roli dodatku brykietów do wsadu w aspekcie metalurgicznym. Pozytywne doświadczenia w zakresie wprowadzania pyłów do żeliwiaka w innej formie [7,9,10] pozwalają spodziewać się również w przypadku wprowadzania brykietów korzystnych wyników, pozwalających między innymi na ograniczenie opłat za składowanie pyłów, odzysk żelaza a także stwarzających możliwość zagospodarowania innych odpadów odlewni. 1,5
128 LITERATURA [1] Z. Drzymała: Podstawy inżynierii procesu zagęszczania i prasowania materiałów. PWN, Warszawa 1988. [2] Z. Drzymała: Odpady przemysłowe hamulcem rozwoju gospodarczego. Mat. X Konf.: Problemy w konstrukcji i eksploatacji maszyn hutniczych i ceramicznych; t.1, KUTiOŚ AGH, Kraków 2000, s.31 47. [3] M. Hryniewicz: Metoda doboru pras walcowych oraz opracowanie założeń do ich modernizacji lub konstrukcji. Rozprawy-Monografie, Wyd. AGH, Kraków 1997. [4] M. Holtzer: Możliwości wykorzystania w procesie żeliwiakowym odpadów odlewniczych zawierających żelazo. Przegląd Odlewnictwa 2000, nr 6, s. 236-238. [5] M. Holtzer: Gospodarka odpadami i produktami ubocznymi w odlewniach. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2001 [6] C. Malek i in.: Recycling of zinc bearing cupola dusts. CIATF International Conference on Environmental Protection, 24-25 May 2000, Leipzig/Germany [7] T.B. Niechoff i in.: Cupola Operating System for Dust Injection and Improved Process Flexibility. AFS Transactions v. 106, 1998, 433 437 [8] F. Neumann: Gusseisen-Schmelztechnik, Metallurgie, Schmelzbehandlung. Expert-Verlag, Dusseldorf 1994. [9] C. Podrzucki: Skuteczność suchego i mokrego odpylania gazów żeliwiakowych. Mat. II Seminarium Ochrona środowiska w odlewnictwie, Wydz. Odlewnictwa AGH, Kraków 1996, s.37 48. [10] C. Podrzucki: Współczesne problemy procesu żeliwiakowego. Przegląd Odlewnictwa 2000, nr 5, s. 183-188. [11] Praca zbiorowa pod red. Z. Anioły, Z. Drzymały: Wybrane zagadnienia z projektowania urządzeń ochrony atmosfery. Cz.I,II. Skrypty AGH, nr25,26. Kraków1973. [12] E. Stricker i in.: Brikettierung von Kupolofenstäuben mit Putzereistaub als Bindemittel. Giesserei 87, 2000, nr 7, 27-33. SUMMARY POSSIBILITIES OF BRIQUETTING PROCESS USING FOR CUPOLA DUST UTILIS ATION Increasing of the level of waste utilisation in foundries is necessary due to more stringent environmental protection regulations. Considerable source of dust emission in foundries are cupolas. Dust extractors to be used in cupolas installations create a necessity of dust storage. Some way of reduction of storage fees can be the briquetting of the dust from emitted from cupola. In the paper the outline of briquetting process has been described. The results of initial tests of cupola dust briquetting have been presented. Recenzent: prof. dr hab. inż. Czesław Podrzucki.