docutylizacja złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym
download 
Reklamacja Transkrypt
utylizacja złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym
96/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308 UTYLIZACJA ZŁOMU NARZĘDZI ŚCIERNYCH O SPOIWIE ŻYWICZNYM C. NIŻANKOWSKI1 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechniki Krakowskiej, 31-864 Kraków, al. Jana Pawła II 37 STRESZCZENIE W referacie przedstawiono podstawowe uwarunkowania procesów utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym. Opisano wszystkie znane metody utylizacji takiego złomu. Zaprezentowano wyniki analizy porównawczej wskazanych metod przeprowadzonej przy zastosowaniu kryterium jakości wtórnych ściernych z elektrokorundu szlachetnego i czarnego węglika krzemu odzyskanych ze złomu ściernego o spoiwie fenolowym. Key words: utylization, scrap, grinding tools, resinous binder 1. WPROWADZENIE Pojęcie utylizacji (utylitas = korzyść, pożytek) swój źródłosłów posiada w języku łacińskim. Pod pojęciem utylizacji złomu narzędzi ściernych rozumiemy zespół czynności i operacji podejmowanych w celu wykorzystania pozostałości spojonych lub nasypowych narzędzi ściernych (ściernic, segmentów ściernych, osełek, kształtek ściernych, taśm i płócien ściernych itd.) nie posiadających już wartości użytkowych. Utylizacja złomu narzędzi ściernych polega na zmianie jago postaci fizycznej lub składu chemicznego połączonej z odzyskiem pierwotnych składników lub uzyskiem nowych, pożądanych surowców, półproduktów bądź energii. Z reguły operacje utylizacyjne nie doprowadzają do całkowitej redukcji pozostałości i odpadów wtórnych, które w danej chwili stają się bezwartościowe i przeważnie poddawane są neutralizacji 1 dr hab. inż., prof. PK , [email protected] Utylizacja złomu narzędzi ściernych, w szczególności o spoiwie żywicznym, wydaje się obecnie uzasadniona ze względów prawnych, ekologicznych i ekonomicznych [1]. 2. UWARUNKOWANIA PROCESÓW UTYLIZACJI ZŁOMU NARZĘDZI ŚCIERNYCH O SPOIWIE ŻYWICZNYM Podstawowymi aktami prawnymi regulującymi w Polsce gospodarkę odpadami, w tym także gospodarkę złomem narzędzi ściernych są ujednolicone teksty Ustaw: • o odpadach z dnia 27.04 2001 r. (z późniejszymi zmianami), • o obowiązkach przedsiębiorców w zakresie gospodarowania niektórymi odpadami z dnia 11.05.2001 r. (z późniejszymi zmianami), • o opłacie produktowej i opłacie depozytowej z dnia 11.05.2001 r. (z późniejszymi zmianami), • Prawo Ochrony Środowiska z dnia 27.04.2001 r. (z późniejszymi zmianami). Przepisy zawarte w tych ustawach powinny zabezpieczyć wykonanie dyrektywy utylizacyjnej nr 2004/12/EC przyjętej dla większości państw członkowskich UE, według której w roku 2008 poziom odzysku materiałów i energii z odpadów musi wynosić co najmniej 60%, a poziom recyklingu zawierać się w zakresie od 55% do 80%. Ustawa o odpadach definiuje odzysk jako wszelkie działania nie stwarzające zagrożenia dla życia, zdrowia ludzi lub dla środowiska naturalnego, polegające na wykorzystaniu odpadów w całości lub w części, lub prowadzące do uzyskiwania z odpadów substancji, materiałów albo energii i ich wykorzystania. Z definicji tej wynika, że każdy recykling jest odzyskiem, ale nie każdy uzysk jest odzyskiem. Tak więc przekształcenie złomu narzędzi ściernych sprowadzające się do wytworzenia z niego tworzywa wtórnego i ulokowania go w kontenerach nie stanowi z prawnego punktu widzenia odzysku. Dopiero wytworzenie ze ścierniwa wtórnego nowych narzędzi ściernych jest i odzyskiem i recyklingiem. Między innymi te subtelności prawne i możliwości techniczne utylizacji w kraju spowodowały że Rząd RP wystąpił o prolongatę terminów wdrożenia wspomnianej dyrektywy UE do 2014 r. Z obowiązujących w Polsce ustaw wynika, że wszystkie firmy w których powstaje złom narzędzi ściernych zobowiązane są do jego właściwej segregacji, a następnie przekazania go do wyspecjalizowanych i licencjonowanych zakładów, w celu odzyskiwania wartościowych składników oraz unieszkodliwiania substancji nie nadających się do przetworzenia lub niebezpiecznych [1]. W pierwszym etapie jednak złom ścierny powinien być poddany maksymalnej utylizacji w miejscu jego powstawania. Zabrania się pod rygorem licznych sankcji prawnych pozbywania się złomu narzędzi ściernych w sposób niezgodny z przepisami ustaw. W zależności od stopnia szkodliwości złomu ściernego dla środowiska, podmiot prowadzący ich utylizację działać musi w odpowiedniej formie prawnej i posiadać odpowiedni kapitał zakładowy. Aktualnie opłaty produktowe i depozytowe nie dotyczą złomu narzędzi ściernych, o ile w spoiwach żywicznych nie występuje wolny formaldehyd, a w spoiwach galwanicznych związki cyjankowe. Szczegółowe uwarunkowania dotyczące procesów utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym (przeważnie 312 fenolowo – formaldehydowym lub krezolowo – formaldehydowym) wynikają głównie z postanowień licznych załączników i tabel do tych ustaw oraz związanych z nimi rozporządzeń Ministra Ochrony Środowiska RP. Kto w jednym roku wytwarza do jednej tony złomu narzędzi ściernych zawierających związki fenolowo – formaldehydowe winien posiadać decyzję o programie gospodarowania nimi, a kto wytwarza ponad tonę tego rodzaju złomu powinien mieć już właściwe zezwolenie. Złom taki po posegregowaniu musi być przekazywany do utylizacji jako rodzajowo jednorodny, a na odpowiednich składowiskach nie powinien być magazynowany dłużej niż przez trzy lata. Podmiot prowadzący utylizację złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym prowadzić musi obszerną ewidencję dostaw i przerobów takiego złomu, a także sprzedaży ścierniw wtórnych. Dopuszcza się utylizację tego rodzaju złomu ściernego poprzez jego spalanie w specjalnych spalatorach, ale tylko po uprzednim obniżeniu wolnego formaldehydu do 0,005% masy utylizowanego złomu ściernego. Ostre postanowienia powinno się odnieść również do złomu ściernego impregnowanego związkami Extrem Pressure (chloru, fosforu i siarki). Znacznie łagodniej ustawodawca traktuje złom narzędzi ściernych o spoiwie ceramicznym. Kto wytwarza bowiem rocznie ponad pięć ton takiego złomu ściernego musi przekładać jedynie stosowne informacje o sposobie i trybie jego utylizacji [1]. Istotne, ekologiczne uwarunkowania procesów utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym wynikają z ustawy pt. Prawo Ochrony Środowiska oraz określonych w normach serii ISO – PN – 14000001 wymagań zarządzania środowiskowego. Ten akt prawny i normy wprowadzają wymóg monitoringu złomu narzędzi ściernych, konieczność utrzymywania standardów jakości środowiska w miejscach jego utylizacji, ustalają zakresy odpowiedzialności za jego przetwarzanie i wyznaczają obowiązki przetwórcy złomu ściernego, obligując go jednocześnie do udostępnienia społeczeństwu informacji o związanym z utylizacją stanie środowiska naturalnego, przy czym warunkiem uzyskania takich informacji jest pisemne wystąpienie zainteresowanych [2]. Za utylizacją złomu narzędzi ściernych przemawiają też względy ekonomiczne. Wysokie koszty pozyskiwania surowców i ich przetwarzania na ścierniwa pierwotne powodują, że odzyskiwane z posegregowanego złomu ściernego ścierniwa wtórne stają się finansowo atrakcyjne. Z przeprowadzonych w Polsce badań rynkowych wynika, że w ostatniej dekadzie wytwarzano w naszym kraju od 8 do 12 tyś ton złomu ściernego rocznie, z tego ca 60% stanowił złom narzędzi ściernych o spoiwach żywicznych. Ścierniwami dominującymi w polskim złomie ściernym są elektrokorundy i węgliki krzemu różnych gatunków. Ocenia się, że koszty pozyskania wymienionych ścierniw wtórnych kształtują się na poziomie 60% - 70% kosztów wytworzenia w UE ścierniw pierwotnych tego samego rodzaju i gatunku, w zależności od stosowanej metody odzysku [1]. Natomiast pierwotne ścierniwa chińskie wymienionych rodzajów cenowo odpowiadają ścierniwom wtórnym, co z ekonomicznego punktu widzenia skutecznie blokuje dotychczas rozwój procesów utylizacji złomu narzędzi ściernych oraz budowę odpowiednich instalacji przerobowych. Szczególne znaczenie w rachunku kosztów wytwarzania ścierniw pierwotnych i wtórnych odgrywają koszty energii elektrycznej. 313 Przykładowo bowiem wytworzenie 1 tony zielonego węglika krzemu wymaga ca 10000 kWh , a odzyskanie 1 tony takiego ścierniwa tylko 400 kWh. Według szacunków autora artykułu wartość złomu ściernego znajdującego się na terytorium Polski wynosi min. 6.000.000 $. Wiedzą o tym zapewne niektórzy z producentów zagranicznych, którzy część złomu ściernego wywożą z Polski do utylizacji w innych krajach. 3. METODY UTYLIZACJI ZŁOMU NARZĘDZI ŚCIERNYCH O SPOIWIE ŻYWICZNYM Dotychczas znane są cztery, technologiczne metody utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym, a to: • mechaniczna, • termiczna, • chemiczna, • biologiczna, Metoda mechaniczna wykorzystywana była w latach 70 – tych ubiegłego wieku przez okres blisko ośmiu lat w FABRYCE MATERIAŁÓW i WYROBÓW SCIERNYCH „KORUND” w Kole. Na rys.1 przedstawiono uogólniony schemat technologicznego procesu utylizacji złomu ściernego o spoiwie żywicznym przy wykorzystaniu tej metody. Otrzymane w ten sposób ścierniwa wtórne mieszano z pierwotnymi w tym samym rodzaju i gatunku w proporcji 1:2 i stosowano przy produkcji nowych spojonych narzędzi ściernych. Prekursorem w Polsce utylizacji narzędzi ściernych metodą chemiczną była w latach 80 – tych ubiegłego stulecia Fabryka Tarcz Ściernych w Grodzisku Mazowieckim. Odzyskiwano tam w skali laboratoryjnej wtórne ścierniwa z elektrokorundu i węglika krzemu, ale ze złomu ściernego o spoiwie ceramicznym. Z badań przeprowadzonych przez autora i Marka Ratuszniaka wynika, że określone zmiany rodzaju medium i parametrów autoklawizacji (np. zmiana stężenia wodnego roztworu NaOH lub zastosowanie kwasu metanowego) pozwalają tę metodę stosować również do utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym [2]. Uogólniony schemat procesu utylizacji przedmiotowego złomu ściernego metodą chemiczną przedstawiono na rys.2. [1] Metodę termiczną w procesie utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym w latach 80 – tych ubiegłego wieku przez krótki okres stosowano w FMiWŚ w Kole. Fenolowo – formaldehydowe spoiwa żywiczne złomu spojonych narzędzi ściernych rozkładano termicznie w temp. od 674 K do 874 K, a następnie wytlewano w temperaturach 873 – 924 K [1]. Metoda termiczna zyskała uznanie technologów, ale brak odpowiedniej techniki spalania odgazów i filtracji bardzo drobnych, tłustych popiołów lotnych uniemożliwił jej dłuższe stosowanie. Na rys. 3 przedstawiono uogólniony schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym [1], a na rys 4 krzywą rozkładu termicznego żywicy fenolowo – formaldehydowej [4]. Na rys. 6 pokazano powierzchnię ziarna ściernego elektrokorundu szlachetnego odzyskanego metodą termiczną ze złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym. 314 Dostawa posegregowa nego złomu Rozbijanie Kruszenie Mielenie na mokro Wypłukanie szlamu Suszenie i chłodzenie ścierniwa Separacja opiłek żelaza w polu magnetycznym Segregacja sitowa Ważenie i magazynowanie ścierniwa Zwilżanie ścierniwa żywicą ciekłą Mieszanie z granulatem żywicy Prasowanie i utwardzanie termiczne Rys. 1. Schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym metodą mechaniczną [1]. Fig .1. Chart of utilization process for scrap of abrasive tools with resinous binder with use of mechanical method. Metodę biodegradacji polimerów fenolowo – formaldehydowych zastosowano po raz pierwszy w USA, a aktualnie rozwija się ją także w Meksyku. Polegała ona na biologicznym oddziaływaniu na spoiwo żywiczne złomu ściernego różnego rodzaju mikroorganizmów wyodrębnionych z różnych środowisk i działających w różnych ośrodkach. Stosowano grzyby, algi, bakterie i ich mieszaniny. Zmieniano ośrodki mykologiczne i bakteriologiczne poczynając od wodnego roztworu ekstraktu słodowego, a na kilkunastoskładnikowych, chemicznie złożonych roztworach kończąc [5]. Stwierdzono, że do biodegradacji 0.17% obj. utwardzonej żywicy fenolowej potrzeba czasu ponad 11 tygodni. Przyczyn tej sytuacji upatrywać należy w hydrofobowości tworzyw fenolowych oraz braku grup wrażliwych na enzymatyczny atak mikroorganizmów w łańcuchu głównym wiązań żywicy fenolowej [2, 5]. Uogólniony schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym przy zastosowaniu metody biologicznej przedstawiono na rys. 5 natomiast na rys. 7 jedną z odmian bakterii możliwych do zastosowania w tym procesie po określonej modyfikacji genetycznej. 315 Rozbijanie Kruszenie Autoklawizacja egzotermiczna Oddzielanie ługów od ścierniw Flotacja Płukanie Suszenie Segregacja sitowa Ważenie i magazynowanie ścierniwa Zwilżanie ścierniwa żywicą ciekłą Mieszanie z granulatem żywicy Prasowanie i utwardzanie termiczne Rys. 2. Schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym metodą chemiczną [1]. Fig .2. Chart of utilization process for scrap of abrasive tools with resinous binder with use of chemical method. 316 Ciepłe powietrze Dostawa posegregowanego złomu ściernego Dostawa posegregowanego złomu Rozbijanie Kruszenie Mielenie Rozkład termiczny spoiwa i wytlewanie Flotacja Suszenie Segregacja sitowa Ważenie i magazynowanie ścierniwa Zwilżanie ścierniwa żywicą ciekłą Mieszanie z granulatem żywicy Prasowanie i utwardzanie termiczne Rys. 3. Schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym metodą termiczną [1]. Fig .3. Chart of utilization process for scrap of abrasive tools with resinous binder with use of thermal method. Rys. 4. Krzywa rozkładu żywicy fenolowo – formaldehydowej [4]. Fig. 4. Decomposition curve of phenol-formaldehyde resin. 317 Dostawa posegregowanego złomu ściernego Rozbijanie Kruszenie Biodegradacja endotermiczna w autoklawie Flotacja Oddzielenie szlamów flotacyjnych Płukanie Suszenie Segregacja sitowa Ważenie ścierniwa i magazynowanie Zwilżanie ścierniwa żywicą ciekłą Mieszanie z granulatem żywicy Prasowanie i utwardzanie termiczne Ekspedycja narzędzi ściernych Rys. 5. Schemat procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym metodą biologiczną Fig .5. Chart of utilization process for scrap of abrasive tools with resinous binder with use of biological method. 4. ANALIZA PORÓWNAWCZA METOD UTYLIZACJI ZŁOMU NARZĘDZI ŚCIERNYCH O SPOIWIE ZYWICZNYM Szczegółową analizę porównawczą znanych metod utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym (z wyjątkiem metody biologicznej) z uwagi na kryterium jakości ścierniw wtórnych przeprowadził w swej pracy doktorskiej Marek Ratuszniak [2]. Przed przystąpieniem do tej analizy zaprojektował korzystne parametry procesu odzysku ścierniw wtórnych przy zastosowaniu metody QFD. Żmudne badania doświadczalne wpływu parametrów poszczególnych procesów odzysku na jakość technologiczną wtórnych ścierniw twardych z elektrokorundu szlachetnego i czarnego węglika krzemu pozwoliły na uściślenie wartości tych parametrów. Przy zastosowaniu metod mechanicznej, chemicznej i termicznej otrzymał wtórne ścierniwa elektrokorundu szlachetnego i czarnego węglika krzemu ze złomu narzędzi ściernych o spoiwie fenylowym, które ponownie przebadał ze względu na ich jakość technologiczną. Jakość technologiczną ścierniw określał wg 13 różnych cech szczegółowo opisanych we wskazanej przeze mnie pracy. Następnie posłużył się metodą taksonomii numerycznej zwanej również metodą porządkowania dendrytowego. Na podstawie dendrogramów przedstawiających relację między analizowanymi metodami utylizacji dokonał porównawczej oceny przydatności poszczególnych metod (rys. 8,9). 318 Legenda: T1-ścierniwo pierwotne, T2-ścierniwo uzyskane metodą mechaniczną, T3-ścierniwo uzyskane metodą chemiczną, T4-ścierniwo uzyskane metodą termiczną. Rys. 8 Najkrótszy dendryt zbioru analizowanych metod utylizacji złomu narzędzi ściernych z elektrokorundu szlachetnego o spoiwie żywicznym [2]. Fig. 8. The shortest dendrite of analyzed methods of utilization of scrap of abrasive tools made of noble electroalumina with resinous binder. Rys. 9. Najkrótszy dendryt zbioru analizowanych metod utylizacji złomu narzędzi ściernych z czarnego węglika krzemu o spoiwie żywicznym [2]. Fig. 9. The shortest dendrite of analyzed methods of utilization of scrap of abrasive tools made of silicon carbide with resinous binder. Następnie przy zastosowaniu metody punktacji sformalizowanej dokonał porównawczej analizy jakości technologicznej badanych pierwotnych i wtórnych ścierniw twardych. Rezultaty przeprowadzonej przez Niego analizy porównawczej rozpatrywanych metod utylizacji złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym w postaci wynikowych wskaźników jakości ścierniw przedstawiono w tabelach 1 i 2 oddzielnie dla elektrokorundu szlachetnego i czarnego węglika krzemu [2]. Przyjęto , że jakość ścierniw pierwotnych jest znakomita, co oznacza ,że określa się ją wskaźnikiem 0,95. Tabela. 1. Wskaźniki jakości dla ścierniw wtórnych elektrokorundu szlachetnego oraz stopień, w jakim ścierniwa te odpowiadają ścierniwom pierwotnym tego samego rodzaju [2] Table. 1. Quality indices for secondary abrasives of noble electroalumina with level, on which these abrasives correspond to primary abrasives of the same type Elektrokorund szlachetny (99A) Odzyskany ze złomu ściernego o spoiwie żywicznym metodą mech. metodą chem. metodą term. 0,568 0,654 0,690 59,79% 68,84% 72,63% 319 Tabela.2. Wskaźniki jakości dla ścierniw wtórnych czarnego węglika krzemu oraz stopień, w jakim ścierniwa te odpowiadają ścierniwom pierwotnym tego samego rodzaju [2] Table. 2. Quality indices for secondary abrasives of silicon carbide with level, on which these abrasives correspond to primary abrasives of the same type Czarny węglik krzemu (98C) Odzyskany ze złomu ściernego o spoiwie żywicznym metodą mech. metodą chem. metodą term. 0,638 0,743 0,829 67,16% 78,21% 87,26% Na rys. 10 i rys. 11 wyniki przeprowadzonej analizy porównawczej zilustrowano w postaci histogramów. 1 1 0,8 0.8 0.6 0,6 0.4 0,4 0.2 0,2 0 0 ścier. pierw. met. mech. met. chem. ścier. pierw . met. term. Rys. 10. Porównanie wskaźników jakości dla elektrokorundu szlachetnego, odzyskiwanego ze złomu ściernego o spoiwie żywicznym [3]. Fig. 10. Comparison of quality indices for noble electroalumina, retrieved from scrap of abrasives with resinous binder. 5. met. mech. met. chem. met. term. Rys. 11. Porównanie wskaźników jakości dla czarnego węglika krzemu, odzyskiwanego ze złomu ściernego o spoiwie żywicznym [3]. Fig. 11. Comparison of quality indices for silicon carbide, retrieved from scrap of abrasives with resinous binder. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych rozważań i analiz można stwierdzić, ze podjęcie w Polsce procesu utylizacji złomu narzędzi ściernych, w szczególności o spoiwie żywicznym jest nieodzowne zarówno z przyczyn prawnych i ekonomicznych jak i ekologicznych. Żadna ze znanych dotychczas metod utylizacji takiego złomu ściernego nie pozwala na uzyskanie ścierniwa wtórnego z elektrokorundu szlachetnego bądź tez 320 czarnego węglika krzemu o jakości dorównującej jakości ścierniw pierwotnych tego samego rodzaju i gatunku. Jako najbardziej korzystną do odzyskiwania przedmiotowych ścierniw wtórnych ze złomu narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym uznano metodę termiczną. Metoda biologiczna nie mogła być uwzględniona w analizie porównawczej z uwagi na to że znajduje się jeszcze w fazie badań laboratoryjnych. LITERATURA [1] Cz. Niżankowski, M. Ratuszniak: Segregacja i utylizacja złomu narzędzi ściernych, Zeszyty Naukowe XIV Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, PK, IOS, KBM PAN, Łopuszna (2001). [2] M. Ratuszniak: Kształtowanie jakości technologicznej wybranych wtórnych ścierniw twardych. Rozprawa doktorska, PK, Kraków (2005),(promotor: Cz. Niżankowski). [3] Cz. Niżankowski, M. Ratuszniak: Analiza porównawcza metod odzysku wybranych ścierniw twardych ze złomu spojonych narzędzi ściernych, Zeszyty Naukowe XXIX Naukowej Szkoły Obróbki Ściernej, PG, KBM PAN, Jurata (2006). [4] H. Warachim: Odzyskiwanie ścierniwa diamentowego ze zużytych narzędzi ściernych o spoiwie żywicznym. Materiały KNT „Narzędzia skrawające i ścierne”, Politechnika Poznańska, Lubniewice 1985. [5] D. Kaplan, R. Hartenstein, J. Sutter: Biodegradation of Polistyrene, Poly and Phenol Formaldehyde. Applied And Environmental Microbiology , Vol. 38, No.3, New York (1979). UTYLIZATION OF SCRAP OF GRINDING TOOLS WITH RESINOUS BINDER SUMMARY In this paper there are shown basic circumstances of utylization processes of scrap of grinding tools with resinous binder. There are described all know methods of utylization of such scrap. there heve been presented results of comparision analiysis of selected methods with use of quality criterion for secondary abrasives made of noble elektroalumine and black silicon carbide retrived from scrap of abrasives with resinous phenol binder. Recenzował: prof. Leszek Dobrzański. 321
