ZESZYTY Nr 6

NAUKOWE P OLI TECHNI KI P OZNAŃSKIEJ Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją 2007

JACEK JACKOWSKI, ANDRZEJ MODRZYŃSKI, MICHAŁ SZWEYCER

WYBRANE PROBLEMY RECYKLINGU W ODLEWNIACH

Wykorzystanie odpadów jest najbardziej racjonalne wtedy, gdy ich recykling z jednej strony odbywa się najbliżej miejsca ich powstania, a z drugiej, gdy wprowadzenie materiałów podlegających recyklingowi do procesu produkcyjnego odbywa się jak najbliżej wyrobu finalnego. Przykładem jest wykorzystanie odpadów metalowych w odlewniach. Są też odpady specyficzne, których przetwarzanie wymaga zachowania specjalnych warunków. Przykładem takich odpadów są puszki po napojach lub złom kompozytowy. W przedstawionym tekście zaprezentowano różne możliwości wykorzystania odpadów metalowych w odlewniach: złomu stalowego w odlewniach żeliwa, wiórów pochodzących z obróbki odlewów w odlewniach stopów aluminium, puszek po napojach do produkcji gąsek stopów aluminium oraz wykorzystanie osnowy metalowej tworzącej odlewy kompozytowe. Słowa kluczowe: odlewy, złom, recykling

1. WPROWADZENIE

Wzrost znaczenia recyklingu we współczesnej gospodarce ma kilka przyczyn: − konieczność racjonalnego gospodarowania nieodnawialnymi zasobami naturalnymi ziemi, co między innymi znajduje swój wyraz w strategii zrównoważonego rozwoju, − nasycenie gospodarki wytworami przemysłu, co powoduje wzrost ilości odpadów, których recykling zmniejsza zagrożenie niszczenia środowiska, − wzrost cen surowców pierwotnych i kosztów likwidacji odpadów, − często bezpośrednie korzyści finansowe wynikające ze stosowania surowców wtórnych. Przemysł odlewniczy produkuje znaczne ilości odpadów o różnorodnych cechach, a zatem wymagających zróżnicowanych metod recyklingu. Można tu wymienić: − odpady metalowe: układy wlewowe i nadlewowe, wióry, których masa przewyższa niejednokrotnie masę odlewów, a które stanowią cenny materiał wsadowy (recykling materiałowy), − wadliwe odlewy, które można wykorzystać po naprawie (recykling produktowy),

60

J. Jackowski, A. Modrzyński, M. Szweycer

− zużyte masy formierskie, których masa może kilkakrotnie przewyższać masę produkowanych odlewów, podlegające regeneracji (recykling materiałowy), − gazy o pewnej wartości opałowej (recykling energetyczny). Ponadto możliwe jest wykorzystanie szeregu odpadów pochodzenia zewnętrznego, przede wszystkim złomu handlowego. Wykorzystanie odpadów jest tym bardziej racjonalne, im bliżej wyrobu finalnego zostaną wprowadzone do procesu produkcyjnego. Takim miejscem w przypadku złomu metalowego jest odlewnia, co zilustrowano na rys. 1 [17].

Rys. 1. Wykorzystanie złomu w procesach metalurgicznych [wg 17] Fig. 1. The use of scrap in metallurgical processes [acc. to 17]

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie wybranych zagadnień recyklingu metali i stopów w odlewniach na podstawie wyników prac prowadzonych w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Poznańskiej oraz literatury przedmiotu.

Wybrane problemy recyklingu w odlewach

61

2. WYTWARZANIE ŻELIWA SYNTETYCZNEGO POPRZEZ RECYKLING NIESTOPOWEGO ZŁOMU STALOWEGO

Wytwarzanie żeliwa syntetycznego poprzez recykling złomu stalowego w połączeniu z zabiegiem nawęglania jest możliwe w piecu indukcyjno-plazmowym zbudowanym w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Poznańskiej. Z przeglądu literatury [6, 7, 13, 14] wynika, że procesowi nawęglania stali i żelaza sprzyja: − dobra jakość i odpowiednia ziarnistość nawęglacza, − prawidłowy dobór temperatury realizacji tego procesu, − intensywne mieszanie ciekłego metalu podczas procesu nawęglania, − sposób dozowania nawęglacza do ciekłego metalu. W zakładach zajmujących się wytwarzaniem żeliwa syntetycznego ze złomu stalowego najczęściej stosowane są dwie metody wprowadzania środka nawęglającego: − narzucanie środka nawęglającego na powierzchnię ciekłego metalu lub ładowanie go wraz ze złomem stalowym do pieca, − wdmuchiwanie środka nawęglającego do objętości ciekłego metalu w strumieniu gazu obojętnego lub powietrza. Do realizacji eksperymentów wykorzystano zbudowane w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Poznańskiej stanowisko składające się z pieca indukcyjnego średniej częstotliwości (pojemność 50 kg – moc pieca 50 kW), który był dodatkowo wyposażony w drugie źródło ciepła w postaci plazmotronu łukowego prądu stałego (moc maksymalna 25 kW), zamontowane w pokrywie pieca [9, 10] (rys.2). Jako gaz plazmotwórczy stosowano argon. Złom stalowy o odpowiedniej kawałkowatości wraz z nawęglaczem ładowano do pieca. Po roztopieniu dokonywano korekty składu chemicznego oraz modyfikacji.

Rys. 2. Piec indukcyjno-plazmowy: 1 – palnik plazmowy, 2 – zasilacz, 3 – elektroda denna, 4 – pokrywa, 5 – rotametr, 6 – butla z argonem, 7 – induktor [8, 10] Fig. 2. The induction-plasma furnace: 1 – plasma burner; 2 – feeder; 3 – bottom electrode; 4 – cover; 5 – rotameter; 6 – argon bottle; 7 – inductor [8, 10]

62

J. Jackowski, A. Modrzyński, M. Szweycer

Opisane w pracy [8] eksperymenty potwierdziły możliwość wytworzenia w piecu indukcyjno-plazmowym żeliwa syntetycznego modyfikowanego o wartości Rm ok. 350 MPa. Prace nad wytwarzaniem surówek syntetycznych wykorzystywanych do produkcji żeliwa ze złomu stalowego prowadzone są w Japonii w piecu typu SC-type Coupola (scrap melting furnace) [5] (rys. 3).

Rys. 3. Żeliwiak typu SC-type Coupola (scrap melting furnace) [5] Fig. 3. The SC-Type Coupola (scrap melting furnace) [5]

Jest to specjalna konstrukcja żeliwiaka metalurgicznego, w której zastosowano dwa dodatkowe rzędy dysz (po dwie sztuki) do wdmuchiwania powietrza nad poziomem dysz podstawowych w celu dopalenia we wnętrzu żeliwiaka CO na CO2 i podgrzania materiałów załadowanych do żeliwiaka. Przez podstawowy rząd dysz wdmuchuje się do wnętrza żeliwiaka powietrze wzbogacone w tlen. W dyszach podstawowych zainstalowany jest także system dysz umożliwiających wdmuchiwanie do strefy spalania pyłu węglowego.

Wybrane problemy recyklingu w odlewach

63

W żeliwiaku tego typu jest możliwość stosowania tańszego koksu (hutniczego), a bieg pieca jest redukcyjny i sprzyja realizacji procesu nawęglania i odsiarczania. Kaloryczność gazów odlotowych wzrasta od 1700 kJ/(N⋅m3) (w klasycznym żeliwiaku), aż do 8000 kJ/(N⋅m3) (w żeliwiaku typu SC). Żeliwiak średnicy o 0,9 m był wyposażony w trzy podstawowe dysze do wdmuchiwania powietrza wzbogaconego w tlen w rozstawie co 120o z możliwością wdmuchiwania poprzez te dysze pyłu węglowego. Dwa dodatkowe rzędy dysz o średnicy 14 mm do wdmuchiwania powietrza umieszczone są na poziomie 0,5 m i 1,4 m powyżej dysz podstawowych. Jako materiał wsadowy stosuje się oczyszczony złom stalowy o zawartości węgla 0,2÷0,5% i kawałkowatości 20-60 mm (952 kg), rozdrobniony koks o kawałkowatości 20÷50 mm (55,2 kg). W celu wytworzenia lekko zasadowego żużla (CaO/SiO2 = 1,25) do żeliwiaka dozuje się kamień wapienny (8,6 kg) oraz serpentynit (17,1kg). Z podanego wsadu na rynnie spustowej otrzymujemy 1 t surówki przegrzanej do T = 1500oC o zawartości C= 4,5% , Si = 0,33%, Mn = 0,55% oraz P = 0,04% i S = 0,038%. 3. RECYKLING DROBNEGO ZŁOMU ALUMINIOWEGO

Przykładem takiego złomu są wióry powstałe na skutek obróbki skrawaniem odlewów lub puszki po napojach. Wióry, silnie rozdrobnione, często zanieczyszczone stanowią materiał wsadowy, z którego trudno jest otrzymać wysokiej jakości metal – surowiec na odlewy. Podobnie złom w postaci puszek po napojach stanowi wsad o bardzo rozwiniętej powierzchni, a ponad to zanieczyszczony obecnością farb i lakierów, które w warunkach przetapiania są źródłem uciążliwych i niebezpiecznych emisji, np. dioksyn [2]. Warto jednak podkreślić, że masę zużywanych w kraju puszek do napojów szacuje się na ok. 32 tys. ton, czyli dwie trzecie ilości aluminium produkowanego rocznie przez Hutę Aluminium w Koninie. Próby wykorzystania wiórów ze stopów aluminium w odlewni przeprowadzono wykorzystując fakt, że w jednej z nich część wytwarzanych odlewów obrabiano na miejscu, skutkiem czego powstawały znaczne ilości wiórów, sprzedawane za bezcen do huty. Próby wykonano, mając do dyspozycji [4]: − piec tyglowy opalany olejem o pojemności grafitowego tygla 150 kg ciekłego Al, − rafinacyjną komorę próżniową do odwodorowania metalu przeznaczonego na odlewy, − aparat do kontroli zawartości wodoru w ciekłym stopie Al, − spektrometr pozwalający na określenie 12 podstawowych składników stopów Al, − maszynę wytrzymałościową do zrywania próbek wytrzymałościowych metalu.

64

J. Jackowski, A. Modrzyński, M. Szweycer

Przedstawione wyposażenie pozwalało na pełną ocenę jakości uzyskiwanego metalu, a także na stosowanie niezbędnych zabiegów korygujących skład chemiczny przygotowywanego stopu. Każda z wykonanych prób obejmowała następujące czynności: − przygotowanie i roztopienie wsadu metalowego (wiórów), − rafinację uzyskanego ciekłego metalu, − kontrolę i korektę składu chemicznego metalu, − ocenę skuteczności przeprowadzonych zabiegów metalurgicznych, − ocenę uzysku metalu. Wykonano serię 10 prób, uzyskując metal, przy średnim uzysku ≈91% (88,5÷93,3%) o składzie chemicznym (po ew. korekcie) pozwalającym na wykonywanie z niego komercyjnych odlewów. Wykonane badania wytrzymałościowe próbek wykazały, że pod względem jakości odzyskany metal nie ustępuje uzyskanemu z gąsek, a koszt jego jest ok. 36% niższy (wg ówczesnych cen). W odzyskanym metalu stwierdzono jednak podwyższoną zawartość żelaza i cynku, co wskazuje na konieczność bardzo starannego segregowania i gromadzenia wiórów. W obszernej publikacji [2] przedstawiono doświadczenia z rocznej działalności specjalistycznej firmy przetwarzającej aluminiowe puszki po napojach – Aluminium Recykling Organizacja Odzysku SA z Konina. Schemat procesu przetwarzania złomu z puszek przedstawiono na rys. 4. Wyjściowym produktem są pakiety prasowanych puszek, dostarczane do odlewni przez punkty skupu i dystrybucji złomu. Charakterystyczne zanieczyszczenia tego złomu są wynikiem składowania (piasek, wilgoć), niekiedy są to świadome zanieczyszczenia (np. Pb), a czasem są one skutkiem niestarannej segregacji (Fe). Zanieczyszczeniem zawsze obecnym są farby i lakiery, stąd konieczność termicznego przygotowania wsadu polegającego na ich wypaleniu. Autorzy podkreślają, że najbardziej kłopotliwym i kosztownym fragmentem procesu technologicznego jest dopalanie spalin oraz odbiór pyłów (≈2,5 kg/t), jakie tworzą się podczas przygotowania wsadu do topienia. W przypadku cienkościennych kawałków wsadu i stnieje konieczność szybkiego topienia pod warstwą żużla. Autorzy preferują piece indukcyjne sieciowej lub średniej częstotliwości, polecają również piece komorowe z wymuszonym obiegiem (cyrkulacją) ciekłego metalu. Skuteczną rafinację metalu zapewniły urządzenia do barbotażu. Średni skład chemiczny metalu uzyskanego z przetopienia puszek (średnia z 290 wytopów) przedstawiono jest w tabeli 1. Wynika z niej, że metal ten w pełni nadaje się do sporządzania stopów odlewniczych.

Wybrane problemy recyklingu w odlewach

65

Rys. 4. Schemat cyklu przetwarzania aluminiowych puszek po napojach [wg 2] Fig. 4. Diagram of the processing cycle of aluminum beverage tins [acc. to 2] Tablica 1 Średni skład chemiczny metalu uzyskanego z przetopienia puszek (290 wytopów) [wg 2] Average chemical composition of the metal obtained by melting of the tins (290 melts) [acc. to 2]

Pierwiastek [%]

Al 96,67

Mg 1,25

Mn 0,85

Fe 0,49

Si 0,36

Cu 0,21

Pozostałe 0,17

4. RECYKLING ODLEWÓW Z KOMPOZYTÓW METALOWYCH

Recykling odlewów z metalowych kompozytów odlewanych w przeciwieństwie do odlewów ze stopów metali jest zagadnieniem trudnym, co może być barierą w ich stosowaniu [3]. Dotyczy to przede wszystkim kompozytów zbrojonych cząstkami i z nasycanym porowatym zbrojeniem. W literaturze światowej [1], oraz krajowej [3,16] doniesienia na ten temat są nad wyraz skąpe. Możliwość recyklingu odlewów z kompozytów metalowych zależy od ich rodzaju. Podczas recyklingu kompozytów zbrojonych cząstkami mogą być stosowane dwa sposoby: − przetapianie złomu, którego dodaje się w ilości 25÷30% do świeżo sporządzonej zawiesiny kompozytowej. Sposób ten może być jednak niewystarcza-

66

J. Jackowski, A. Modrzyński, M. Szweycer

jący dla zagospodarowania całej ilości złomu. Uzysk tworzywa podczas wytwarzania odlewów kompozytowych może być bowiem mniejszy od 70%, a trzeba jeszcze uwzględnić złom poamortyzacyjny. Ponadto możliwość rafinacji osnowy kompozytu jest ograniczona, a jakość kompozytu ulega pogorszeniu po kolejnych zabiegach recyklingu [11]. Nie można poddać recyklingowi kompozytu zanieczyszczonego np. produktami reakcji na granicy metal-zbrojenie. − drugi sposób polega na ekstrakcji cząstek zbrojenia sposobami stosowanymi w rafinacji klasycznych stopów odlewniczych, przede wszystkim za pomocą żużli powstałych ze stopienia mieszanek solnych. Badania autorów wykazały, że skuteczny recykling materiału kompozytowego, którego osnową był stop aluminium, a fazą zbrojącą cząstki Al2O3, jest możliwy przez rozdzielenie składników zawiesiny kompozytowej, ale pod warunkiem dobrania odpowiedniego ciekłego ośrodka, w którym zabieg recyklingu jest przeprowadzany [12, 15]. Ośrodek ten powinien być dobrany tak, aby zapewniał możliwie najkorzystniejszą zwilżalność materiału zbrojenia przez ten ośrodek (kąt zwilżania θ < 90°) w otoczeniu ciekłego metalu. Skutecznym ośrodkiem okazała się stopiona mieszanina soli. Drugim warunkiem rozdzielenia składników zawiesiny kompozytowej jest intensywne mieszanie recyklowanej zawiesiny poddawanej recyklingowi z ciekłym ośrodkiem. W układzie złożonym z kropli zawiesiny kompozytowej w ciekłym ośrodku cząstki fazy zbrojącej (Al2O3) przechodzą z ciekłego metalu (osnowy) do ośrodka, skutkiem czego uzyskuje się pozbawioną cząstek zbrojenia osnowę a zatem skuteczne rozdzielenie składników przetwarzanego materiału kompozytowego. Niezadowalające wyniki uzyskano podczas recyklingu odlewów kompozytowych zawierających cząstki SiC, co jest zgodne z danymi zawartymi w literaturze [15]. Wyjaśnienie tego niepowodzenia wymaga dalszych badań. Recykling odlewów z kompozytów z nasycanym zbrojeniem może być dokonany jedynie przez rozdzielenie składników. Autorom nie udało się znaleźć w literaturze technicznej żadnych doniesień na ten temat. Przeprowadzono próby rozdzielenia składników odlewów z kompozytów o osnowie ze stopu aluminium, ołowiu oraz stopu Wooda, zbrojonych włóknami glinokrzemianowymi oraz węglowymi a także spiekami grafitowymi. Rozważania teoretyczne i badania wykazały, że podobnie jak w przypadku recyklingu materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami, recykling odlewów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem jest możliwy tylko w odpowiednio dobranych ośrodkach, zapewniających kąt zwilżania materiału zbrojenia w nich przez osnowę metalową większy od θ = 120°, przy czym minimalna wartość tego kąta jest zależna od kształtu porów zbrojenia kompozytu. Skuteczność wypływania osnowy kompozytowej (w ośrodku) z kształtek zbrojenia uformowanych z materiałów włóknistych okazała się zadowalająca, natomiast niedostateczna w przypadku kształtek spiekanych z materiałów ziarnistych. Wnioskować

Wybrane problemy recyklingu w odlewach

67

można, że koniecznym etapem recyklingu takich materiałów kompozytowych będzie ich wstępne rozdrabnianie. Podobnie jak w przypadku materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami Al2O3, jakość metalu odzyskanej osnowy kompozytowej nie ustępowała jakości osnowy użytej do wykonania materiałów kompozytowych. Przedstawione wyżej wyniki dowodzą, że recykling odlewów kompozytowych jest, jak dotychczas niedostatecznie rozpoznany zarówno teoretycznie jak i praktycznie. Wskazuje to na konieczność kontynuowania badań tego procesu. 5. PODSUMOWANIE

Przedstawione przykłady recyklingu w odlewniach zarówno stopów metali jak i kompozytów wskazują na: − rosnącą rolę recyklingu w przemyśle odlewniczym tak stopów żelaza jak i stopów metali nieżelaznych, oraz − konieczność szerokich działań (badania, szkolenia itp.) prowadzących do jak najszerszego wykorzystania złomu metali w odlewniach jako postępowanie bardziej efektywnego od przekazywania go do przeróbki hutniczej. LITERATURA Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały inżynierskie, t II, Warszawa, WNT 1996. Bonderek Z., Smorawiński Z., Recykling lakierowanych aluminiowych odpadów opakowaniowych po napojach, cz. I, Przegląd Odlewnictwa, 2004 nr 3, s. 232-239; cz. II, Przegląd Odlewnictwa, 2004, nr 5, s. 410-418. [3] Górny Z, Sobczak J., Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych. Kraków 2005. [4] Jackowski J., Szweycer M., Witczak D., Topienie złomu w odlewniach aluminium. Przegląd Odlewnictwa, 1994, nr 5, s. 159-162. [5] Kamei Y., Miyazaki T., Yamaoka H., Strap melting Rusing shaft furnace with coke packed bed injected with highly oxygen enriched air and large quantity of pulverized caol, ISIJ International, 1993, vol.33, No 2, s. 267-274. [6] Kosowski A., Kinetyka nawęglania żeliwa w piecu indukcyjnym, Przegląd Odlewnictwa, 1982, t. 32, nr 1-3, s. 11-14. [7] Krzeszewski R., Nawęglanie ciekłego żelaza nawęglaczem stałym. Prace Instytutu Odlewnictwa w Krakowie, 1957, z. 3-4, s. 175-197. [8] Łybacki W., Wykorzystanie plazmy termicznej do wytwarzania żeliwa syntetycznego w piecu indukcyjnym, w Mat. Konferencji naukowo-technicznej „Nowe materiały – nowe technologie materiałowe w przemyśle okrętowym i maszynowym”, Szczecin–Świnoujście 10-13.09.1998, s.149-154. [9] Łybacki W., Modrzyński A., Sopa A., Pichet J., Rafinacja i intensyfikacja topienia stopów żelaza w piecu indukcyjnym za pomocą plazmy niskotemperaturowej. Przegląd Odlewnictwa, 1989, t. 39, nr 4, s. 138-141. [10] Łybacki W., Modrzyński A., Sopa A., Pichet J., Idziak S., Intensyfikacja topienia żeliwa stopowego w piecu indukcyjnym. Przegląd Odlewnictwa, 1989,t.39, nr 3, s.91-94. [1] [2]

68

J. Jackowski, A. Modrzyński, M. Szweycer

[11] Mitko M., Tomczyński S., Zmiany struktury w strefie międzyfazowej cząstka grafitu – stop AlSi6Cu4 w kompozycie metalowym po recyklingu, Kompozyty (Composites), 2004, nr 10, s. 159-164. [12] Patent nr 339023 „Sposób recyklingu odlewów z metalowego kompozytu nasycanego”. [13] Pietkiewicz Z., Jura S., Janerka K., Szlumczyk H., Intensyfikacja procesu wytapiania żeliwa poprzez wdmuchiwanie sproszkowanego nawęglacza, Krzepnięcie Metali i Stopów, 1992, nr 16, s. 107-113, [14] Podrzucki C., Kalata C., Metalurgia i odlewnictwo żeliwa, wyd. 2., Katowice, Śląsk, 1976. [15] Recykling odlewów z kompozytów metalowych zawiesinowych i z nasycanym zbrojeniem, Sprawozdanie z grantu nr 3 T08B 022 26, Poznań 2006. [16] Sobczak J., Kompozyty odlewane. Instytut Odlewnictwa, Instytut Transportu Samochodowego, Kraków–Warszawa 2001. [17] Szweycer M., Nagolska D., Metalurgia i odlewnictwo, Wyd. PP, Poznań 2002.

Recenzent: dr hab. inż. Edward Pająk, prof. nadzw.

SELECTED PROBLEMS OF RECYCLING IN FOUNDRIES Summary The most reasonable use of scrap materials occurs provided that they are recycled the nearest to the place they originate and introduced to the manufacturing process the nearest to the final product. As an example of it the use of metal scrap in foundries may be mentioned. Nevertheless, there are also specific scrap materials the treatment of which requires special conditions like, for example, beverage tins or composite scrap. The paper presented below indicates possibility of the use of metal scrap in foundries, i.e. steel scrap in iron foundries, the chips arising while machining of casts in the aluminum alloys foundries, beverage tins used for production of aluminum alloy pig sows, and the use of metal matrix of composite castings. Key words: castings, scrap, recycling

dr hab. inż. Jacek JACKOWSKI, prof. nadzw. PP Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań tel. (061) 665 24 15, dr hab. inż. Andrzej MODRZYŃSKI, prof. nadzw. PP Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań tel. (061) 665 24 23, e-mail: [email protected] prof. dr hab. inż. Michał SZWEYCER Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań tel. (061) 665 24 15,