- Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2006, Volume 6, № 20
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
15/20
ZAGOSPODAROWYWANIE OCYNKOWANYCH BLACH
W PROCESACH TOPIENIA ŻELIWA
M. GRZYBOWSKA 1 , A.W. BYDAŁEK 2 , R. DYLEWSKI 3
DOZAMET-Odlewnia, ul. Przemysłowa 1, 65-002 Nowa Sól
2,3
Uniwersytet Zielonogórski, ul. Szafrana 2, 65-016 Zielona Góra
1
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 911o, który przy
temperaturze 1300-1500o paruje i utlenia się w kontakcie z powietrzem, zanieczysz1
mgr inż. [email protected]
dr hab. inż. [email protected]
3
[email protected]
2
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 400-800oC 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 m3/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)
Rys. 1.
Fig 1.
b)
a) Okno robocze opracowanego programu optymalizacyjnego na
bazie MATLAB firmy MathWorks, b) okno wynikowe.
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
Nr próby
1
2
3
średnia
C
0,139
0,146
0,136
0,004
Si
0,212
0,219
0,189
0,035
Skład chemiczny %
Mn
P
0,679
0,012
0,508
0,016
0,660
0,014
0,2
0,01
S
0,012
0,016
0,014
0,01
Zn
0,005
0,004
0,009
0,04
127
Tabela 2. Skład chemiczny zastosowanej surówki
Table 2. The chemical composition of applied blast-furnace pig iron
Nr próby
C
4,43
4,49
4,44
4,16
1
2
3
średnia
Skład chemiczny %
Mn
P
0,043
0,052
0,051
0,055
0,179
0,063
0,04
0,05
Si
0,226
0,52
0,7
0,5
S
0,027
0,015
0,037
0,04
Zn
0,00028
0,0008
0,0005
0,04
S
0,012
0,013
0,014
0,01
Zn
0,0013
0,0016
0,0019
0,03
Tabela 3. Skład chemiczny zastosowanego złomu obiegowego
Table 3. The chemical composition of current scrap-iron
Nr próby
C
3,52
3.78
3.65
3,5
1
2
3
średnia
Skład chemiczny %
Mn
P
0,3
0,011
0,25
0,016
0,08
0,013
0,3
0,03
Si
2,75
2,64
2,53
2,75
Tabela 4. Skład chemiczny zastosowanego złomu stalowego czarnego
Table 4. he chemical composition of steel black scrap-iron
Nr próby
1
2
3
średnia
C
1,139
0,146
0,186
0,16
Si
0,212
0,189
0,161
0,17
Skład chemiczny %
Mn
P
0,679
0,0101
0,508
0,0088
0,543
0,0084
0,59
0,009
S
0,0144
0,0118
0,0121
0,01
Zn
0,00166
0,00164
0,00159
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.
STOCKING OF ZINC-PLATED SHEET METALS
INTO CAST IRON MELTING PROCESSES
SUMMARY
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.