Pobierz

Transkrypt

Pobierz

IX KONFERENCJA ODLEWNICZA TECHNICAL 2006
CHARAKTERYSTYKA FUNKCJONALNA URZ DZE
DO TYPOWYCH METOD REGENERACJI MAS ZU YTYCH
Józef DA KO1,
Rafał DA KO2,
Aleksander FEDORYSZYN3,
Wydział Odlewnictwa AGH,
Kraków
1. Wst p.
Analiza asortymentu urz dze do regeneracji suchej mechanicznej, wytwarzanych
przez 35 bardziej znanych wytwórców europejskich i ameryka skich wskazuje,
e zainteresowanie regeneracj mas zu ytych ze spoiwami ywicznymi (25 producentów),
jest takie samo jak zu ytymi masami z bentonitem (24 producentów), a mniejsze dotyczy
mas ze szkłem wodnym, utwardzanymi za pomoc CO2 lub utwardzaczami estrowymi
(17 producentów), przy czym jedynie 9 producentów posiada w ofercie urz dzenia
do ka dej z wymienionych trzech rodzajów masy zu ytej. Analiza funkcjonalna typowych
rozwi za regeneracji pozwala wyłoni rozwi zania najbardziej odpowiednie do realizacji
procesu regeneracji danej masy zu ytej.
2. Urz dzenia do regeneracji suchej mechanicznej.
Proces regeneracji suchej mechanicznej znalazł obecnie w odlewnictwie najszersze
zastosowanie, co wynika z:
• mo liwo ci odzysku osnowy piaskowej praktycznie z ka dej masy zu ytej, przy
zało eniu ograniczonego stopnia regeneracji,
• mo liwo ci zastosowania do regeneracji stosunkowo prostych urz dze , cz sto
o innym pierwotnym ich przeznaczeniu (na przykład mieszarek),
• mniejszych, w porównaniu z innymi metodami kosztów realizacji procesu.
Z punktu widzenia identyfikacji sił czynnych, dominuj cych w urz dzeniach
stosowanych zwykle do regeneracji wst pnej, a niekiedy równie wła ciwej, mo na
wyodr bni nast puj ce techniki stosowane do rozbrylania i kruszenia zlepków masy:
• gwałtowna zmiana p du strumienia b d cego mieszanin zlepków ziaren
i powietrza, realizowana najcz ciej w regeneratorach pneumatycznych,
• wykorzystanie sił bezwładno ci oraz tarcia zewn trznego i wewn trznego
do kruszenia i rozcierania zlepków w b bnach obrotowych z wypełnieniem
kulowym lub innym,
• wykorzystanie sił bezwładno ci oraz tarcia zewn trznego i wewn trznego
do kruszenia i rozcierania zlepków w urz dzeniach wibracyjnych.
Identyfikacja sił czynnych, dominuj cych w znanych urz dzeniach do regeneracji
wła ciwej pozwala wskaza nast puj ce metody i techniki uwalniania osnowy z otoczek
zu ytego materiału wi cego:
1
prof. dr hab. in .: e-mail: [email protected]
dr in ,, e-mail: [email protected]
3
dr hab. in . prof. nadzw,: e-mail: [email protected]
2
73
Odlewnictwo XXI wieku
technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze
•
intensywne mechaniczne oddziaływanie sił tarcia wewn trznego i zewn trznego
w warunkach prowadzenia procesu w temperaturze: otoczenia, podwy szonej lub
ekstremalnie niskiej (kriogenicznej),
• gwałtowna zmiana p du ziaren osnowy lub strumienia piaskowo- powietrznego,
realizowana najcz ciej w regeneratorach pneumatycznych, rzutowych
(od rodkowych),
• samodzielne oddziaływanie termiczne lub w kombinacji z intensywnym
oddziaływaniem mechanicznym, realizowane zwykle w urz dzeniach
fluidyzacyjnych lub wirnikowych regeneratorach cieplno-mechanicznych,
• intensywne mechaniczne oddziaływanie sił tarcia wewn trznego i zewn trznego
w warunkach prowadzenia procesu w rodowisku wodnym.
Egzemplifikacj dokonanej charakterystyki wnosi przytoczona dalej analiza
funkcjonalna regeneracji mas zu ytych realizowanej przy u yciu typowych rozwi za .
Mimo niezwykle szerokiej gamy i ró norodno ci konstrukcyjnej regeneratorów,
których systematyk przedstawiono na rysunku 1, w systemach suchej regeneracji
mechanicznej najcz ciej stosowane s rozwi zania, w których uwolnienie ziaren osnowy
z otoczki materiału wi cego odbywa si na zasadzie kombinacji nast puj cych operacji
elementarnych: ocierania, cierania i kruszenia otoczki materiału wi cego z powierzchni
osnowy.
!
Rys.1. Klasyfikacja regeneratorów do regeneracji mechanicznej (pneumatycznej) [2]
Według obecnych tendencji, dominuj rozwi zania regeneratorów wibracyjnych,
współpracuj cych z kruszarkami wibracyjnymi lub młotkowymi, w których produkty
cierania otoczki materiału wi cego, wolne pyły oraz podziarno s usuwane
z regenerowanej osnowy za pomoc powietrza przedmuchiwanego przez warstw
obrabianego materiału.
Przykładem tego typu rozwi za s regeneratory wibracyjne typu Gamma-mill
firmy Baker-Perkins, CE-CAST Engineering oraz Vibrader firmy Richards (rys. 2).
74
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
Rys. 2. Regenerator wibracyjny o działaniu krusz co- ciernym typu Gamma-mill
firmy Baker-Perkins [1, 6]
W regeneratorach o działaniu dynamicznym, charakteryzuj cym si gwałtown
zmian p du ziaren osnowy, realizowan najcz ciej w regeneratorach od rodkowych
udarowych lub w wyniku udaru strumienia piaskowo- powietrznego w regeneratorach
pneumatycznych, albo w wyniku działania kr ników dociskanych do obrotowej misy sił
od rodkow , jak to ma miejsce w modelach USR-II-III firmy Sintokogio (rys. 3), dominuj
elementarne procesy kruszenia i cierania powoduj ce usuwanie materiału wi cego
z powierzchni ziaren.
Spo ród krajowych urz dze do regeneracji mechanicznej suchej mo na wymieni
regeneratory od rodkowe, produkowane w oparciu o projekty Instytutu Odlewnictwa
i Prodlewu o/Kraków [3, 4]. Regeneratory od rodkowe zastosowano w kilku polskich
odlewniach (Metalodlew - Kraków, Pioma – Piotrków Trybunalski, Pomet - Pozna ) do
regeneracji sypkich mas samoutwardzalnych ze szkłem wodnym utwardzanych za pomoc
utwardzacza organicznego o nazwie własnej flodur [5].
Rys. 3. Fragment roboczy uniwersalnego regeneratora mechanicznego typu USR –III firmy Sintokogio o wymuszonym nacisku na mas zu yt elementów krusz cocieraj cych w postaci odchylnie zamocowanych kr ników [1]
75
W metodach, w których dominuje elementarna operacja kruszenia wykorzystuje si
głównie młyny kulowe, b bny walcowe, kruszarki rutowe, kruszarki młotkowe i inne
urz dzenia. Przykładem rozwi za b bnowych jest b ben do regeneracji firmy Allbertus
Klein oraz regenerator firmy Didion Manufacturing, przy czym ten drugi mo e
wyst powa w rozwi zaniu podstawowym, słu cym do regeneracji tylko mechanicznej
lub w rozwi zaniu kombinowanym, w którym poł czone zostały efekty regeneracji
mechanicznej i cieplnej (rys. 4).
a)
b)
Rys. 4. Regenerator b bnowy firmy Didion Manufacturing: a- b bnowy regenerator
mechaniczny, b - b bnowy regenerator mechaniczno-termiczny: 1 –zasyp masy
zu ytej do regeneracji, 2 - odpylanie i pobieranie pyłów, 3 – odprowadzenie
zanieczyszcze metalowych, 4 – wysyp regeneratu, 5 – palnik gazowy [1, 6]
Metoda regeneracji pneumatycznej znajduje zastosowanie przede wszystkim do mas
ze szkłem wodnym, do mas z lepiszczem, a rzadziej do mas z ywicami syntetycznymi.
Pneumatyczn obróbki regeneracyjn stosuje si jako człon wspomagaj cy such
regeneracj mechaniczn , lub ciepln , a niekiedy jako niezale ne urz dzenie regeneracyjne
(np. rozwi zanie Pneu-Reclaim firmy Webac lub firmy Simpson (rys. 5.).
Zalet suchej regeneracji pneumatycznej jest stosunkowo mała powierzchnia
zajmowana przez instalacj i mo liwo montowania bez budowy ci kich fundamentów.
Wad metody jest znaczne mechaniczne cieranie piasku (zwłaszcza przy du ych
pr dko ciach strumienia piaskowo-powietrznego) i zwi zany z tym mały uzysk
regeneracji, a tak e zu ywanie znacznych ilo ci spr onego powietrza i wysokie koszty
zwi zane z konieczno ci jego oczyszczania.
76
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
Rys. 5. Pneumatyczny regenerator udarowy typu Simpson firmy NEC (USA): 1 – dysza,
2 - przewód transportowy, 3 – kołpak udarowy, 4 –odci g pyłu, 5 – przegrod wysypu [1, 6]
W celu zwi kszenia wydajno ci i poprawy jako ci odzyskiwanej osnowy stosuje si
szeregowe poł czenie identycznych członów regeneracyjnych, przy czym ich liczb mo na
dobiera si w zale no ci od potrzebnej wydajno ci urz dzenia. Masa przed regeneracj jest
wst pnie rozdrabniana i przesiewana przez sito o prze wicie oczek 3 mm oraz suszona,
je eli wilgotno przekracza 1%.
W wyniku prac Boenischa firma Vogel-Schemmann wykonała regenerator
mechaniczny wirnikowy o zmiennej pr dko ci obrotowej wirnika, w którym ju na
pocz tku lat 1990 mo liwy był cz ciowy odzysk aktywnego bentonitu i pyłu w glowego
(rys. 6).
Odzysk obu dodatków do masy nast puje w pierwszej fazie regeneracji,
charakteryzuj cej si poł czeniem przedmuchiwania powietrzem masy zu ytej przy
stosunkowo małej intensywno ci obróbki regeneracyjnej (odcinki 1 (1’)). Czynnikiem
rozgraniczaj cym i steruj cym wł czenie lub wył czenie poszczególnych pr dko ci
obrotowych wirnika jest sygnał elektryczny z układu optyczno-elektronicznego
mierz cego stopie zapylenia powietrza odci ganego z regeneratora. Faza intensywnej
regeneracji ma dwa poziomy intensywno ci: odcinki: 2 (2’) i 3 (3’), uzyskiwane w oparciu
o odpowiednie nastawy warto ci sygnału steruj cego. Faza ko cowa regeneracji –
odcinek 4 (4’) obejmuje cieranie pozostało ci otoczek spoiwa oraz odpylenie regeneratu,
realizowane przy ponownie małej intensywno ci cierania.
Na rysunku 7 przedstawiono schemat instalacji do regeneracji mechanicznej zu ytej
masy z bentonitem z cz ciowym odzyskiem bentonitu i pyłu w glowego.
3. Regeneracja wła ciwa, termiczna.
Ta metoda regeneracji jest przeznaczona do odzyskiwania osnowy piaskowej przede
wszystkim z zu ytych mas ze spoiwami organicznymi, lecz słu y tak e do dezaktywacji
składników masy z lepiszczem, poddawanych regeneracji w systemach, w których nie jest
prowadzona selekcja mas zu ytych [8, 9].
77
a)
b)
Rys 6. Schemat i funkcjonowanie układu regeneracyjno-steruj cego według koncepcji
D. Boenischa: a) - regenerator mechaniczny wirnikowy: 1- selektywne oddzielanie frakcji
pyłowych, 2 - cieranie otoczek spoiwa, 3-wirnik cierny, 4 - odpylanie w zło u
fluidalnym,5 - optyczny system pomiaru stopnia zapylenia powietrza, 6 - spr one
powietrze, 7 - nap d wirnika ciernego, b) - przykładowy diagram stopnia zapylenia
powietrza w regeneratorze firmy Vogel&Schemmann AG: 1, 1’ -oddzielenie wi kszych
frakcji pyłowych, 2, 2’ -słabe cieranie, 3, 3’ - silne cieranie, 4, 4’ - cieranie pozostało ci
otoczek spoiwa, 5-okres odpylania masy [6, 7]
Rys. 7. Schemat instalacji firmy Vogel&Schemmann AG do regeneracji masy zu ytej:
1 - zbiornik zasypowy, 2 - kruszarka walcowa, 3 - oddzielacz magnetyczny, 4 - człon
susz cy mas , 5,11 - podajnik pneumatyczny, ci nieniowy, 6 – zasobnik masy zu ytej, 7 optyczny system pomiaru stopnia zapylenia powietrza, 8 - cyklony odpylania wst pnego, 9 mechaniczny regenerator wirnikowy, 10 – pojemnik na zanieczyszczenia metalowe, 12 –
wentylator, 13 - filtr, 14 - pojemnik na drobne frakcje piasku, 15 - pojemnik na pył z filtrów
[ 6, 7]
78
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
W masach z lepiszczem termiczna obróbka regeneracyjna masy powinna
spowodowa całkowit lub cz ciow degradacj nieorganicznych składników lepiszcza,
która ułatwia dalsze uwolnienie ziaren osnowy z otoczek przepalonego lepiszcza.
Stopie oczyszczenia osnowy poddanej regeneracji termicznej i typowym zabiegom
uzupełniaj cym jest wysoki – porównywalny ze stanem wie ej osnowy piaskowej.
Zaletami metody termicznej s : bardzo dokładne usuni cie spoiwa, mo liwo
pełnego wykorzystania regeneratu do wykonywania wie ych mas formierskich
i rdzeniowych, nieznaczna szkodliwo chemiczna pyłów z regeneracji dla rodowiska.
Natomiast wadami s : du e koszty budowy i eksploatacji jak równie , w pewnych
przypadkach, konieczno neutralizacji gazów odlotowych.
Eksponowan w literaturze zalet piasku regenerowanego cieplnie jest stabilizacja
jego rozszerzalno ci obj to ciowej pod wpływem temperatury, zwi zana z zaj ciem
przemiany alotropowej kwarcu w trakcie wcze niejszego nagrzania cz ci piasku
przylegaj cego do odlewu.
4. Regeneracja mokra.
Regeneracja mokra jest najbardziej skuteczn metod odzysku osnowy z mas
zu ytych z lepiszczem oraz z mas ze spoiwami rozpuszczalnymi w wodzie (masy
krzemianowe, masy ze szkłem wodnym utwardzane za pomoc CO2.
W rodowisku wodnym, przy stosunkowo du ym udziale wody w stosunku do masy
(min. 10:1), wszystkie pyły znajduj ce si w masie oraz ziarna piasku poni ej 0,06 mm
łatwo oddzielaj si na zasadzie tworzenia zawiesiny, któr odprowadza si w trakcie
płukania piasku.
Niekorzystn cech regeneracji mokrej jest wysoka energochłonno
procesu,
wynikaj ca z konieczno ci suszenia regeneratu, a tak e du e zu ycie wody wynosz ce
10-15 m3 na 1 ton regeneratu.
Powy sze wzgl dy powoduj , e regeneracja mokra praktycznie nie jest aktualnie
stosowana, cho nadal istniej zakłady, w których bardzo skutecznie pracuj instalacje
tego typu [10].
5. Regeneracja kombinowana.
Metody regeneracji kombinowanej znalazły zastosowanie stosunkowo niedawno,
zwłaszcza do regeneracji osnowy z mieszaniny mas zu ytych. Jest to mo liwe dzi ki
wykorzystaniu wła ciwo ci i zalet poszczególnych metod regeneracji. Kojarzenie
poszczególnych metod oraz ich odmian zale y od składu zu ytej masy oraz
od przeznaczenia regeneratu. Mo na je podzieli na trzy podstawowe typy [6]:
• kombinacja metody mokrej i cieplnej,
• kombinacja metody cieplnej i suchej mechanicznej albo pneumatycznej,
• kombinacja metody mokrej, cieplnej i suchej mechanicznej.
Klasycznym przykładem kombinacji metody cieplnej i pneumatycznej jest
przedstawiony na rysunku 8 system regeneracji trójstopniowej firmy FATALUMINIUM,
w którym zastosowano dwa identyczne regeneratory pneumatyczne (stopnie I i III) oraz
regenerator termiczny typu HotRec (stopie II). Wielostopniowe systemy regeneracji
oferuje tak e firma KGT, IMF, W hr oraz Erich.
Pod wzgl dem funkcjonalnym instalacja firmy FATALUMINIUM składa si
z 3 zespołów regeneracyjnych usytuowanych szeregowo. Pierwszy i ostatni zespół
stanowi regeneracj pneumatyczn , natomiast rodkowy – regeneracj termiczn .
Zadaniem zespołu wst pnej regeneracji pneumatycznej jest usuni cie z mieszaniny
masy zu ytej wolnych pyłów (głownie nieaktywnego bentonitu oraz pyłu w glowego),
ochłodzenie masy i doko czenie procesu jest dezintegracji na pojedyncze ziarna.
79
W członie wysokotemperaturowej regeneracji termicznej nast puje wypalenie
składników organicznych masy zu ytej, głownie pozostało ci spoiw ywicznych oraz
całkowita degradacja termiczna lepiszcza na bazie bentonitu.
Zadaniem członu trzeciego jest starcie z powierzchni regeneratu produktów spalania
(popioły) oraz uwolnienie osnowy z produktów cierania pozostało ci spoiwa
nieorganicznego (nieaktywnego bentonitu). Elementem korzystnym obróbki osnowy
kwarcowej w tym członie jest oszlifowanie i uaktywnienie jej powierzchni.
Rys. 8. Schemat instalacji firmy FATALUMINUM do trójstopniowej regeneracji masy
zu ytej: 1 – zbiornik masy zu ytej, 2 – podajniki limakowe, 3 – regeneracja
pneumatyczna (wst pna i ko cowa), 4 - podajniki transportu pneumatycznego, 5 – piec
fluidyzacyjny Hot-Rec, 6 – komora wst pnego chłodzenia osnowy, 7 – chłodziarka z
wodnym wymiennikiem ciepła, 8 – klasyfikator sitowy, 9 – przeno nik pneumatyczny
pionowy, 10 – wentylacja odpylaj ca [1, 6]
6. Regeneracja przy u yciu metod chemicznych.
Aktualnie regeneracja przy u yciu metod chemicznych nie odgrywa znacz cej roli
technicznej. Proponowane sposoby polegaj na oddziaływaniu silnie st onym kwasem
H2SO4 na zu yt mas z bentonitem. Uzyskany regenerat charakteryzuje si bardzo małym
stopniem oolityzacji, z powierzchni jego ziaren została usuni ta praktycznie cała otoczka
zu ytego materiału wi cego. Wdro enie do przemysłu napotyka na trudno ci zwi zane
z niebezpiecze stwem stosowania H2SO4, jako reagenta oddziałuj cego na mas zu yt
oraz spodziewanych bardzo wysokich kosztów takiej regeneracji.
7. Podsumowanie.
Regeneracja osnowy piaskowej masy zu ytej jest uzasadniona ekonomicznie,
technologicznie oraz z punktu widzenia ochrony rodowiska naturalnego.
Powszechne stosowanie regeneracji zu ytych mas odlewniczych obejmuje
praktycznie wszystkie masy ze znanych technologii wytwarzania form i odlewów.
Post p w zakresie regeneracji jest zwi zany z wprowadzaniem nowoczesnych
rozwi za technicznych. Podane opisy urz dze oraz idea sterowania procesem daj obraz
aktualnego stanu realizacji regeneracji.
Podstaw dalszego doskonalenie procesów obróbczych regeneracji s rezultaty
prowadzonych prac badawczych wi cych efekty uwalniania ziaren osnowy z otoczek
zu ytego materiału wi cego w warunkach ró nych systemów realizacji.
80
Nowa Sól 08-09.06.2006 r.
8. Literatura.
1. Wydawnictwa prospektowe firm: Webac, Simpson, Didion, Universal, KGT,
Küttner, IMF, W hr, Eirich. Sintokogio.
2. Da ko R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów
regeneracji suchej zu ytych mas odlewniczych. Praca doktorska. Kraków, 2006
3. Gadocha A., Lewandowski L., Maniowski Z.: Regeneracja mas formierskich
w odlewniach krajowych, Przegl d Odlewnictwa nr 5, 1993, s. 163 - 165.
4. Pezarski F. i in.: Procesy regeneracji piasków opracowane w Instytucie
Odlewnictwa i zastosowane w przemy le. Konferencja naukowo-techniczna.
Kraków 1996.
5. Bogacz T.: Wska nikowa ocean regeneracji na przykładzie form dwuwarstwowych
z mas samoutwardzalnych. Praca doktorska. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków
2002.
6. Da ko J., i in.: Prognozy odlewnictwa w Polsce na tle tendencji wiatowych. Cz
I. „Procesy i urz dzenia regeneracji osnowy kwarcowej ze zu ytych mas
formierskich i rdzeniowych”. Projekt zamawiany KBN, WO AGH, Kraków 1995,
s. 50.
7. Boenisch D.: Verfahren und Vorrichtung zum Regenerieren von Giessereisand.
Patent niemiecki nr 4212097, 1992.
8. Da ko J., Da ko R., Holtzer M.: Reclamation of used sands in foundry production.
Metallurgy, vol. 42, br. 3, Zagreb, (July/ September) 2003, s. 173 – 178.
9. Da ko R.: Badanie regenerowalno ci zu ytej masy samoutwardzalnej metodami
termicznymi. IV Mi dzynarodowa Sesja Naukowa „Nowe technologie i osi gni cia
w metalurgii i in ynierii materiałowej. Cz stochowa 2003, s. 560 –564.
10. Dalle Rieve L.: Wet reclamation central plant. Experience in Italy. International
Conference “Foundry Waste possibilities in the future” Conference organized by
EU Thematic Network Foundry Waste, 2002.
81

Pobierz

Transkrypt

Podobne dokumenty

REGENERACJA MAS FORMIERSKICH W REGENERATORZE