В литейной промышленности вопрос ресурсосбережения уже давно стоял на повестке дня, и, наконец, превратился в нашу повседневную реальность. Литейные заводы всегда старались использовать повторно металл и песок, большинство заводов являются настоящими экспертами в вопросе переработки лома в новые отливки. Тоже самое относится и к формовочному песку, который регенерируется и используется повторно. В конце концов, кварцевый песок также является довольно дефицитным и ограниченным ресурсом, который активно используется в больших объемах в различных отраслях промышленности. Как третий основной сырьевой материал после воды и воздуха песок применяется в более чем 200 различных сферах производства – от бетона и стекла до фарфора и компьютеров. И, разумеется, он используется как формовочный материал в литейном производстве. В результате чего, среднестатистический человек потребляет около 2 тонн песка в год.
Регенерация песка
Регенерация используемых формовочных материалов, и, в частности, песка для изготовления стержней является важным и решающим фактором, если литейные заводы собираются успешно работать в будущем. Прогнозируется, что в ближайшее время кварцевый песок не будет доступен в том же объеме и качестве, к которому мы привыкли сегодня.
Поэтому, нашей приоритетной задачей является сохранение как можно большего количества перерабатываемых материалов (Рисунок 1). На сегодняшний день существуют эффективные, проверенные системы регенерации большинства формовочных материалов. В зависимости от конкретных требований каждого клиента возможны процессы механической, термической, термомеханической регенерации.
Рисунок 1: Ресурсосбережение в литейном производстве
Механический процесс представляет собой дробление и помол использованного литейного песка для удаления связующих веществ. При термической обработке применяются температуры от 700˚С до 950˚С для выжигания связующих веществ, которые, в свою очередь, в зависимости от состава системы связующих, могут придать новые качества песку.
Ключевыми параметрами для пригодного к регенерации песка являются:
- рН значение, максимально приближенное к нейтральному
- Низкая и равномерная электропроводность
- Низкие потери при прокаливании
- Низкое содержание пылевидной фракции
- Низкое и равномерное содержание глины
- Равномерное распределение гранул
Исследование: Хюттенес-Альбертус регенерирует бокситовый песок для повторного использования в литейном производстве.
Процесс регенерации может изменить свойства некоторых песков. В таких случаях могут потребоваться специальные связующие системы, в зависимости от применения и типа регенерируемого песка. Следующее исследование наглядно демонстрирует, как Хюттенес Альбертус, разработав модифицированную систему связующего, смогли помочь литейным заводам восстанавливать и снова использовать бокситовый песок для производства стержней.
Бокситовый песок – синтетический песок, изготовленный из богато-насыщенного муллитом сырья. Данное сырье сначала растапливается, а затем распыляется. В результате данного процесса получаются однородные сферические гранулы, обладающие высокой связывающей эффективностью, которая понижает количество требуемого связующего агента. К тому же, бокситовый песок обладает значительно более низкими характеристиками теплового расширения по сравнению с кварцевым песком. Для него также характерны отличные огнеупорные качества и текучесть.
Данные свойства означают, что бокситовый песок особенно подходит для специального применения. Так же бокситовый песок довольно дорогой, с экономической точки зрения, желательно его восстанавливать и использовать повторно.
Неприятный сюрприз ожидал литейные заводы: термически регенерированный бокситовый песок «вел себя» не так, как ожидалось. Единожды смешанный со стандартными связующими Cold-Box, песок мог быть использован только в крайне ограниченное время (Рисунок 2).
Рисунок 2: Влияние температуры регенерации на значение рН бокситового песка
Литейные заводы обратились в Хюттенес-Альбертус с просьбой проверить регенерированный песок в лаборатории. Исследования Хюттенес-Альбертус подтвердили ситуацию: Всего через два часа песок становится непригодным для использования после того, как он был смешан со связующим. В чем же причина этого? Анализируя поведение бокситового песка во время процесса термической регенерации обнаружено, что значение рН выросло до уровня выше 10 в пределах обычного температурного диапазона процесса регенерации. Причиной данной реакции, по-видимому, является то, что щелочные составляющие бокситового песка активируются под воздействием высокой температуры, что заставляет их мигрировать на поверхность зерна.
На химическом уровне сокращение функционального срока жизни и снижение прочности песка, вызванное воздействием ионов металлов на поверхность зерна, можно объяснить следующим образом: Третичный амин инициирует реакцию изоцианатных NCO-групп с фенольными ОН-группами.
Там, где присутствуют ионы металлов (и обеспечена высокая проводимость), анионы металлов активируют NCO-группы, выступая в качестве катализаторов фенольно-уретановой реакции.
Специальные добавки могут быть использованы для нейтрализации нежелательных анионов. Следующая схема является примером условного добавления:
Na(+)(OH)(-)+H(+)Cl(-)=NaCl+H2O(pH=14)+(pH=1)(pH=7)
Количество добавок регулируется в зависимости от количества нежелательных анионов.
- Увеличенное количество Добавок влияет на реакционную способность системы.
- Увеличенное количество Добавок влияет на возможности хранения.
- Количество Добавок определяется экспериментально.
Решение: Многоступенчатая добавка в Сold-Вox систему
Обычно система Cold-Box, для которой требуется значение pH, максимально близкое к нейтральному, не работает стандартно в щелочной среде. Чтобы решить эту проблему, Хюттенес-Альбертус успешно разработала систему Cold-Box для сильнощелочных песков. Специальная добавка теперь обеспечивает повторное использование регенерированного бокситового песка при производстве стержней.
Решение, разработанное Хюттенес Альбертус, позволяет вновь вернуть ценное сырье для литейных заводов, которое до сегодняшнего дня считалось потерянным в цикле производства. Этот пример является выдающейся демонстрацией того, как научные исследования и разработки помогают достичь главной цели – сохранение ресурсов на практике – с положительными экологическими и экономическими результатами.
Параметры утилизации отходов литейного производства
Любой учет ресурсов, используемых в литейной промышленности обязательно должно учитывать изменения в нормативных актах. По прошествии нескольких «спокойных» лет правительства вновь начали значительно ужесточать правила утилизации отходов литейного производства. С одной стороны, места для захоронения отходов становится все меньше, а с другой стороны, ужесточение законодательства увеличило затраты литейных заводов на утилизацию. Другим фактором, который так же нельзя недооценивать, являются новые аналитические средства, используемые компаниями, утилизирующими отходы. Значимые параметры включают, например, фенольный индекс, TOC, DOC и БТЭК. Эти параметры также требовали разработки соответствующих процедур.
Выбросы БТЭК (Бензол / Толуол / Этилбензол / Ксилол) подвергались тщательному изучению. Выбросы БТЭК являются результатом пиролиза органических веществ в процессе литья. Соответствующие методы измерения для этих газовых выбросов уже доступны.
В последние несколько лет проблема выбросов БТЭК все чаще выходит на первый план. Этот параметр так же требовал разработки соответствующих процедур. БТЭК выбросы относятся к проникающей части выбросов, остающихся в песке, идущем на утилизацию.
Благодаря дальнейшему снижению содержания органических веществ в новых силикатных (кремнийсодержащих) системах Cold-Box компания Hüttenes-Albertus уже смогла значительно снизить уровни БТЭК в отработанном песке. (Рисунок 3).
Рисунок 3: Выбросы БТЭК при сравнении Cold-Box систем
Изменение классификации формальдегида
Другой важной проблемой для литейной промышленности является изменение классификации формальдегида. Стандарты, введенные 1 января 2016 года, требуют, чтобы все стороны гарантировали безопасное и законное применение формальдегида. Первоначально это означало оптимизацию аналитики. Аналитическое определение формальдегида регулируется DIN EN ISO 11402. Ранее использованные процедуры измерения были с точностью до ≥ 0,1%. В результате доступной аналитики на тот момент и недостаточно точной измерительной технологии было невозможно подтвердить содержание формальдегида <0,1%.
В тесном сотрудничестве с Немецкой Торговой Ассоциацией для литейного производства (IVG) и Немецким институтом технологии литья (IfG) была разработана совместная стратегия для разработки соответствующей процедуры измерения. Стратегия была направлена на изменение стандарта DIN EN ISO 11402 для определения содержания формальдегида. Кроме того, была активизирована работа по разработке смолы с содержанием свободного формальдегида <0,1%. С этих пор стало возможным разработать и применить достаточно точную методику измерения для определения формальдегида.
В результате теперь стало возможным продемонстрировать соответствие требованиям законодательства. Также была активизирована работа по сокращению объема формальдегида, используемого во время различных процессов изготовления стержней. Например, Hüttenes-Albertus успешно разработали решение для снижения содержания формальдегида в целом ряде процессов и продуктов, гарантируя тем самым полное соблюдение параметров, установленных законом.
Резюме: Новые решения, необходимые для изменения среды литейного производства
Повышенные требования и растущая сложность отливок в сочетании с более строгими экологическими нормами также требуют использования специализированных связующих веществ. Широкий спектр применения означает, что важно иметь под рукой соответственно широкий ассортимент продукции (Рисунок 4).
Рисунок 4: Экологичные линейки продуктов Cold-Box от Хюттенес-Альбертус
Разработка более экологически чистых для окружающей среды материалов напрямую соответствует потребностям и запросам клиентов. Хюттенес-Альбертус давно стремится интегрировать неорганические компоненты в органическую систему Cold-Box. Силикатная (кремниевая) система Cold-Box последнего поколения – система Sipurid – имеет содержание неорганических веществ около 23%. Это привело к значительному снижению газифицируемой фракции в системе Cold-Box.
К сожалению, простое снижение содержания фенола не уменьшает все важные параметры выбросов в литейном производстве. Выбросы БТЭК в газовой фазе, TOC, DOC, количество газа и конденсата, а также запах – не могут быть устранены путем снижения содержания только фенола. По этой причине компания Хюттенес-Альбертус разработала систему органических смол с низким уровнем эмиссии, с содержанием фенола (мономера) <1,0%. Эта новая смола Cold-Box основана на специальной рецептуре и изготовлена с использованием запатентованной технологии производства.
Смола помогает снизить наиболее важные параметры выбросов, включая фенольный индекс. Это также снижает нагрузку на загрязнение использованного песка. Снижение доли свободного фенола и формальдегида оказывает положительное влияние на песок для последующей утилизации.
Чтобы операторы, работающие в литейной промышленности, оставались успешными в еще более сложных условиях, должны быть доступны специализированные и специфичные для применения связующие системы. Хюттенес-Альбертус предлагает своим клиентам решения, которые сочетают в себе положительные свойства различных систем и предлагают значительные достижения с точки зрения экологичности.
Петер Грёнинг, Hüttenes-Albertus Chemische Werke GmbH, Дюссельдорф