Формовка с помощью песка с добавкой связывающей глины (сырая формовочная смесь)

8.3.2 Формовка с помощью песка с добавкой связывающей глины (сырая формовочная смесь)

8.3.2.1 Подготовка песка с добавкой связывающей глины путем вакуумного перемешивания и охлаждения

Процесс смешивания и охлаждения скомбинированы в один процесс. Это достигается при работе смесителя формовочной смеси при пониженном давлении, что приводит к испарению воды. Специальная мешалка должна быть герметично закрыта. Она имеет герметичную крышку и связана с вакуумной системой. Схема размещения системы представлена на Рисунке 8.4.

Использование пара при отсутствии воздуха приводит к быстрой активизации бентонита, что приводит к очень быстрому достижению оптимальной прочности на сжатие для связанного песка.

Вода добавляется в два отдельных этапа:

- вода для увлажнения возвратного песка в подготовленной формовочной смеси;

- вода для охлаждения песка до заданной температуры 38 – 40 ºC, путем испарения.

Недостатком системы является работа и контроль вакуумной системы. Процесс также оказывает влияние на технические свойства песка (например, предел прочности на сжатие и газопроницаемость), которые уменьшаются после 72-часов (“эффект 72-часов”). Этого можно избежать путем повторного перемешивания в течение, приблизительно, 90 секунд.

Снижение полного воздушного потока приводит к уменьшенному объему потребляемого газа и количеству пыли, а так же сниженному потреблению связывающего состава по сравнению с условными установками для охлаждения и смешения (хотя это также зависит от эффективности цеха регенерации). Кроме того, система использует меньше энергии.

Воздействие на различные среды не наблюдается.

Технология применима в новых цехах, использующих сырую формовочную смесь.

Коммерческими пределами применения оказываются процессы, требующие охлаждение песка и производительностью > 60 тонн песка в час.

Уменьшение пыли и минимизация потребления присадок. Уменьшение занимаемого пространства.

В Японии цех вакуумного смешивания и охлаждения работает с 1993 г.; при выпуске готовой песчаной смеси 100 м³/час.

Различные установки также в настоящее время работают в Италии, Франции, Германии и Англии.

Справочная литература [2], [79], [80]

8.3.3 Формовка и изготовление стержней с помощью химически связанного песка

8.3.3.1 Минимизация потребления смолы и вяжущих составов

Минимизация потребления химических продуктов может достигаться путем оптимизации контроля технологического процесса и обработки материалов. Последняя категория обсуждается в разделе 8.1. В этом разделе обсуждаются характеристики процесса.

Дополнительное использование составов для компенсации слабого контроля над технологическим процессом является самым общим случаем пустых трат вяжущих химических составов. Например, основные параметры, относящиеся к хорошему контролю над использованием вяжущих составов, включают:

- Консистенция песка. Использование качественного песка, который совместим со связывающим составом. Хороший контроль на складе песка и его испытаний (чистота, степень грануляции, форма, влажность) имеет большое значение. Низкое содержание примесей и максимальное количество повторно использованного песка снизят расход необходимой смолы;

- Контроль температуры. Температура песка должна поддерживаться в узком диапазоне, с регулярной проверкой и подстройкой количества вводимого отвердителя. Размещение подогревателя песка непосредственно перед смесителем способствует хорошему контролю температуры;

- Обслуживание и очистка мешалки;

- Качество литейной формы. Проверка, устранение и предотвращение дефектов формовки;

- Количество добавок. Соответствующие добавки связывающего состава зависят от типа состава, площади поверхности песка и размера отливки;

- Работа мешалки. Оптимизация рабочих характеристик мешалки включает контроль и управление его работой.

В таблице 8.17 представлены технологические параметры процесса смешения, которые можно легко измерить, используя доступные инструменты. Интерактивный контроль с помощью системы управления позволяет оператору оперативно реагировать на любой 'непредвиденный' случай. В таких ситуациях необходимо провести профилактические работы по исправлению, очистке, обслуживанию и перекалибровке, прежде чем проблема разрастется.

Для литейных заводов, которые требуют серьезной модернизации, доступен целый ряд полностью автоматизированных систем управления мешалкой. Эти системы используют микропроцессорное управление для обеспечения автоматического корректирующего контроля процесса перемешивания песка и нуждаются только в ограниченном участии оператора. Дополнительные преимущества, получаемые при использовании автоматизированных систем управления, в основном обусловлены полной независимостью от оператора и более быстрой реакцией для корректировки изменений в условиях процесса. Последнее также осуществляется без необходимости остановки производства.

При оптимизации связывающего состава и смолы используются результаты минимизации потребления химических присадок.

Летучие органические соединения составляют до 50 - 60 % (весовых) компонентов связывающего состава. Их количество зависит от типа связывающего состава. Большинство из них улетучиваются во время перемешивания формовочной смеси и заливки металла. Снижение количества используемого состава приводит к соответствующему уменьшению выбросов ЛОС.

Воздействие на различные среды

Воздействие на различные среды не наблюдается.

В большинстве случаев, cнижение на 5 % количества вяжущих составов и на 1 % литейного лома легко достижимо с помощью современных систем управления смесительными процессами. Многие литейные заводы подняли свою эффективность, которая были значительно более низкой. Снижение добавок вяжущих составов на 5 - 25 % осуществляется на различных литейных заводах, кроме того, сильно сокращено производство литейного лома.

Установка автоматизированной системы управления мешалками в чугунолитейном цехе, использующем смолы, отвердевающие при обычной температуре, позволила литейному заводу снизить уровень добавления смолы от 10 кг/минуту (1,22 % смолы к весу песка) до 8,89 кг/минуту (1,09 %), что соответственно привело к 10 % экономии используемого катализатора. Число дефектных литейных форм упало на более чем 60 %, а экономический эффект составил 37000 фунтов /год (в британских ценах 1995 г.).

Применимость

Эта технология применяется на всех новых и существующих литейных заводах, использующих химически связываемые формовочные пески. Контрольно-измерительное оборудование для управления процессом смешивания может быть модернизировано и на существующих заводах.

На тонну смешанного песка добавление связывающего состава обычно составляет только 1 – 3 % по весу, но в терминах затрат, вяжущие составы составляют 30 – 60 % от полной стоимости сырья. Считается, что экономия затрат в 5 – 10 % может быть достигнута путем улучшения контроля за расходом связующих составов.

Использование всего оборудования, представленного в таблице 8.17, в системе смешения, стоит около 10000 фунтов (в британских ценах 1997 г.). Однако, благодаря существенному усовершенствованию управления технологическим процессом, эти капиталовложения будут иметь относительно короткий срок окупаемости. Хотя стоимость установки автоматизированной системы управления приблизительно в два раза больше системы обычного контроля, можно получить существенный экономически эффект от его внедрения.

Пример экономических данных представлен в таблице 8.18. Они относятся к чугунолитейному цеху, описанному в разделе "Эксплуатационные данные" данной главы.

Оптимизация рабочих затрат и минимизация выбросов ЛОС.

Хорошие методы контроля за расходом вяжущих составов используются на большинстве литейных заводов, использующих связываемый песок.

8.3.3.2 Минимизация потерь формовочного песка при изготовлении литейных форм и стержней

Описание

Современные установки для изготовления литейных форм и стержней дают возможность сохранить технологические параметры по различным типам изделий в электронной базе данных. Это позволяет осуществить простую замену новых изделий без потери времени и материалов на поиски соответствующих параметров, просто используя опыт и ошибки. Для новых изделий данные о подобных продуктах могут использоваться для сокращения времени оптимизации.

Экологические эффекты от внедрения метода

Снижение количества потерянного песка и энергии путем минимизации времени исследований.

Воздействие на различные среды

Воздействие на различные среды отсутствует.

Применимость

Производство небольших серий с большой производительностью. Безошибочная замена требует хорошего контроля и непрерывной проверки качества песка.

Экономические показатели

Инвестиционные затраты на установки изготовления стержней, зависят от объема стержня, и находятся в пределах 150000 ЕВРО (5 l) - 400000 ЕВРО (100 l). Рабочие затраты составляют 5 – 10 % от ежегодных инвестиционных затрат.

Движущие силы внедрения

Оптимизация процессов, требующих частой замены типа литейной формы или стержня.

Примеры заводов

Эта технология используется на нескольких литейных заводах в Европе.

Справочная литература [13]

8.3.3.3 Наилучшие технологии для процессов с холодным отверждением

- Фенол: Температура песка сохраняется по возможности постоянной, то есть в пределах 15ºC - 25ºC, что способствует предотвращению выбросов, вызванных парообразованием. Непосредственный контакт между смолой и катализатором нежелателен, так как реакция является экзотермической и может оказать сильное воздействие;

- Фурфуран: Температура песка очень важна для этого процесса и должна сохраняться по возможности постоянной, приблизительно 15 – 25 ºC; что позволяет контролировать время отверждения смолы и минимизировать добавку катализатора. Непосредственный контакт между смолой и катализатором нежелателен, так как реакция является экзотермической и может оказать сильное воздействие;

- Полиуретан: Температура песка сохраняется в диапазоне 15 - 25 ºC, что позволяет сохранить контроль над технологическим процессом и минимизировать выбросы. Наилучшим методом является работа с тремя насосами и смешивание катализатора и фенольной смолы с изоцианатом и песком непосредственно в мешалке [7];

- Сложный эфир резола (твердеющий сложный щелочной эфир фенола): Температура песка контролируется и поддерживается на оптимальном уровне 15 – 35 ºC. Процесс менее чувствителен к колебаниям температуры, чем другие самотвердеющие составы. Скорость затвердевания контролируется выбором типа отвердителя [3];

- Силикат сложного эфира: Температура песка поддерживается в пределах 15 – 25 ºC. Что касается влажности литейных форм и стержней, то они должны использоваться как можно быстрее после полного отвердевания. Длительное хранение возможно только в сухих условиях.

8.3.3.4 Наилучшие технологии для процессов отвердевания под действием газа

- Холодный стержневой ящик: Пары амина должны отфильтровываться в установке по изготовлению стержней. Кроме того, также может понадобиться вентиляция зоны хранения стержней. При возможности, в зоне работы установок по изготовлению литейных форм и стержней должны располагаться вытяжки, а также вентиляция в зоне временного хранения стержней.

Температура песка должна поддерживаться по возможности постоянной, в диапазоне 20 - 25 ºC, в противном случае, слишком низкая температура вызовет более длительный промежуток подачи газа, что приведет к увеличенному расходу амина. Слишком высокая температура значительно сокращает срок службы готового песка.

Вода вредна для этого процесса. Влажность песка должна сохраняться ниже 0.1 %, а поток газа и очищающий воздух должны быть сухими.

Примечание: Амины являются огнеопасными и взрывчатыми веществами в некоторых пропорциях с воздухом. При их хранении и работе с ними следует соблюдать особую осторожность и всегда следовать инструкции поставщика.

- Резол (метилформиат): Желательно проветривать рабочую зону, по крайней мере, чтобы предотвратить опасность воспламенения. Расход метилформиата необходимо минимизировать до значения, необходимого для производства стержней. Температура песка должна поддерживаться выше 20 ºC, чтобы предотвратить конденсацию метилформиата. Пары метилформиата тяжелее воздуха; это необходимо учесть при проектировании системы вытяжной вентиляции.

Примечание: Метилформиат огнеопасен, когда его концентрация в воздухе достигает 6 - 20 % и взрывоопасен при некоторых соотношениях с воздухом. При его хранении и работе с ним следует соблюдать особую осторожность и всегда следовать инструкции поставщика.

- Резол-CO₂: Смола имеет низкое содержание не прореагировавших фенола и формальдегида; и уровень их выбросов очень низок даже во время подачи газов и продувки. Желательно проветривать рабочую зону. [3]

- SO₂ - фурфуран: Рабочая зона должна проветриваться, а выбросы отфильтровываться в точке эмиссии, полностью закрытой кожухом формовочной машины или установки для изготовления стержней, с использованием вентиляции.

Перед выбросом в атмосферный воздух эти собранные газы должны быть обработаны. Это легко реализуется с помощью скруббера, содержащего раствор гидроокиси натрия. PH и концентрация раствора должны непрерывно контролироваться. Раствор скруббера следует периодически менять, чтобы удалить образовавшиеся соли, они в дальнейшем утилизируются.

Потребление диоксида серы должно быть минимизировано до необходимых для производства песчаных стержней значений.

- эпоксидно-акриловая смола, затвердевающая под действием SO₂. Что касается подачи газа и очистки, то их сбор и обработка описаны в разделе, описывающем фурфурановые смолы, затвердевающие под действием SO₂. Для получения наилучших условий затвердевания стержней требуется чтобы:

- песок перед использованием был сухим;

- газ, используемый для продувки и изготовления стержней, также был сухим;

- концентрация диоксида серы в CO₂ или азоте составляла от 5 % до 100 % в зависимости от используемого типа смолы (минимальная для акриловой смолы, максимальная для эпоксидно-акриловой смолы);

- цикл очистки в 10 раз превышал по продолжительности цикл подачи газа.

8.3.3.5 Замена спиртовых покрытий на водные

Описание

Покрытия наносятся на поверхность литейных форм и стержней для создания огнеупорного слоя на поверхности раздела металл - литейная форма и гарантии получения хорошей поверхности отливки. Покрытия служат для уменьшения усадки, эрозии и пригара металла, а также для упрощения отделочных операций. Покрытия, основанные на спиртах, в основном имеют в своем составе изопропиловый спирт. Покрытие высушивается путем испарения или выжигания растворителя. При этом происходят выбросы ЛОС. Покрытия, основанные на водных растворах, разработаны как альтернатива.

Преимущества покрытий, основанных на водных растворах:

- безопасность (отсутствует риск воспламенения);

- безопасность для персонала (меньшее содержание органических паров);

- сниженные затраты на реактивы (вода по сравнению со спиртом);

- намного более высокая чистота поверхности отливки.

Проблемы, возникающие при нанесении:

- необходимость увеличенного интервала времени (процесс) и пространства. Кроме того, стержни нуждаются в более длительном периоде сушки, что приводит к необходимости создания сушильной линии, проходящей через сушильную печь;

- в случае изменения параметров процесса требуется отдельная оптимизация;

- рост бактерий, сокращающих срок службы покрытий (1 - 2 недели) и вызывающих выбросы с характерным запахом.

Покрытия, основанные на водных растворах, могут просушиваться на открытом воздухе или при помощи сушильной печи или микроволновой или инфракрасной печи. Обычно для них необходим более длительный период сушки, по сравнению с покрытиями, основанными на спиртах. При сушке не образуются вредные выбросы, но может появиться характерный запах. Сушка выполняется с помощью сушильной линии, по которой стержни транспортируются с места изготовления к литейной форме, таким образом выдерживая необходимое время сушки. Линия может также проходить через сушильную печь. Микроволновая и инфракрасная сушка применяется для небольших, средних и больших серий.

Различные реологические свойства покрытий, основанных на водных растворах, по сравнению с покрытиями, основанными на растворителях, требуют разработки новых прикладных методик. Качество покрытия остается постоянным.

Экологические эффекты от внедрения метода

Оценка срока службы покрытий, основанных на водных растворах и спиртах, осуществляется при испытаниях на ударную нагрузку. Использование покрытий, основанных на водных растворах, при их сушке на открытом воздухе имеет экологические преимущества, главным образом благодаря сниженным выбросам ЛОС и низким энергопотреблением. Полная экологическая оценка при использовании сушильной печи показывает небольшие преимущества покрытий, основанных на изопропиловом спирте (IPA) с последующим обжигом.

Воздействие на различные среды

Покрытия, основанные на водных растворах, содержат целый ряд (органических) химических соединений, изменяющих их свойства. Они могут воздействовать на пригарность покрытия и выбивку отливок из форм.

Сушка покрытий, основанных на водных растворах, приводит к увеличенному испарению растворителей. Это может вызвать увеличение выбросов с характерным запахом, из-за парообразования BTX-содержащих основных растворителей.

Покрытия, основанные на водных растворах, требуют повышенного расхода энергии из-за необходимости транспортировки (во время сушки на открытом воздухе) и сушки в печи.

Сушка на открытом воздухе приводит к снижению температуры воздуха в литейном цехе. На голландском литейном заводе наблюдалось понижение температуры окружающей среды на 2 ºC. Это привело к более высокому потреблению топлива для отопления в зимнее время.

Эксплуатационные данные

Переход от IPA-покрытий (спирт) на покрытия, основанные на водных растворах, в настоящее время получает все более широкое распространение на различных литейных заводах. Автомобильные литейные заводы в большинстве осуществили перевод своих производств на покрытия, основанные на водных растворах, используя покрытия, основанные на растворителях, только для специальных приложений (смотрите раздел Применимость).

Эксплуатационные данные были получены на голландском литейном заводе. При сушке на открытом воздухе основным фактором является скорость воздушного потока (а не температура или влажность). Чтобы обеспечить достаточную скорость воздушного потока, на литейном заводе были установлены дополнительные вентиляторы. Чтобы получить хорошее и постоянное качество, потребовалось снижение содержания примесей во вторичном (восстановленном) формовочном песке, используемом для изготовления стержней. Покрытия, основанные на водных растворах, могут вызывать вспучивание мелких частиц примесей (бентонит и каменноугольная пыль), что затем вызывает дефекты стержня.

Эксплуатационные данные были получены на литейном заводе во Франции при работе печи с допустимой нагрузкой 540 стрежней, изготавливаемых с помощью холодного стержневого ящика, который подогревается обычной газовой горелкой. Для откачки дыма и добавления свежего воздуха используются два вентилятора. Расчетная температура горячего воздуха составляет 165 ºC. Тепловой баланс был рассчитан на основе измерений, используя стержни весом 0.4 кг при влажности 5.5 %. Баланс, представленный на рисунке 8.5, допускает пропускную способность 390 стержней, что эквивалентно 72 % от полной нагрузки.

Рисунок 8.5 - Тепловой баланс печи для сушки стержней, работающей при 72%-ой допустимой нагрузке [2]
Схема баланса показывает, что теряется 50 % энергии при эффективности менее 10 % для сушки стержней. Баланс определяет потребление 8,5 кВтчас на кг испаренной воды, что соответствует 465 кВтчас на тонну стержней при пропускной способности 156 кг/час. При работе печи с более низкой загрузкой потери увеличиваются. Подобные измерения, проведенные на другом литейном заводе, подтвердили высокие (>50%) потери и низкую (<10%) эффективность использования энергии. Энергетический КПД может быть увеличен, используя микроволновую сушку. Это будет обсуждаться в разделе 8.3.3.6.

Применимость

В большинстве случаев можно использовать растворители, основанные на воде. Однако, покрытия, основанные на спиртах, не могут быть заменены в некоторых отдельных случаях и все еще продолжают использоваться:

- для больших или сложных литейных форм/стержней, где могут возникать проблемы, связанные с сушкой, из-за наличия полостей, труднодоступных для проникновения воздуха;

- для формовочных песков, связываемых с помощью жидкого стекла;

- при производстве марганецсодержащей стали с покрытием MgO.

Покрытия, основанные на водных растворах, используются на новых и существующих крупных литейных заводах. Для новых и существующих мелкосерийных литейных заводов реализация может быть затруднена техническими или экономическими проблемами.

Экономические показатели

Инвестиционные затраты зависят от нескольких факторов, например, от наличия доступного пространства для сушильной линии на литейном заводе, выборе технологии сушки и необходимости подготовки формовочной смеси.

Полная замена спиртовых покрытий на покрытия, основанные на водных растворах, на голландском чугунолитейном заводе, использующим сушку на открытом воздухе, потребовала инвестиций 71000 ЕВРО. Сюда включается установка вентиляторов и оптимизация качества песка. Снижение выбросов IPA до 161 тонны/год соответствует уменьшению расходов до 62.5 ЕВРО за тонну выбросов.

Рабочие затраты включают усиление контроля стержней и покрытий (вязкость, толщина слоя, содержание влаги, качество продукта) и составляют 9000 ЕВРО в год. Сушка 1 тонны покрытия требует расхода 2100 кВтчас электроэнергии.

Получению экономического эффекта также способствует снижение расходов на приобретение растворителя. Существуют примеры больших литейных заводов, где инвестиции в системы, основанные на водных растворах, окупались через 2 года, только благодаря снижению затрат на приобретение спирта.

Рабочие затраты на сушку составляют 0,01 ЕВРО/кг (литейный завод цветных металлов во Франции).

Движущие силы внедрения

Давление со стороны властей, усиливающих внимание к выбросам органических веществ.

Примеры заводов

- PSA Sept-Fons (F)

- Fonderie Bréa, Montluçon (F)

- De Globe b.v., Weert (NL).

Справочная литература [81], [2], [82]

8.3.3.6 Микроволновая сушка покрытий, основанных на водных растворах

Описание

Покрытия, основанные на водных растворах, требуют просушки. Использование для этих целей микроволновых печей имеет преимущества по сравнению с использованием сушки горячим воздухом или сушке на открытом воздухе. Используется микроволновое излучение частотой 2450 МГц, имеющее следующие свойства:

- хорошая избирательность при передаче энергии: Микроволновая энергия передается преимущественно молекулам воды, а не материалу песка. При этом происходит равномерная сушка поверхности, даже для сложных стержней;

- саморегуляция: Механизм сушки способствует равномерному распределению влажности материала;

- скорость сушки: Скорость сушки зависит от приложенной мощности. Высокая скорость сушки приводит к ограничению времени экспозиции стержня. Это приводит к хорошей механической прочности стержней.

Использование микроволновой сушки вызывает проблемы в следующих случаях:

- разнородная загрузка печи (стержнями с различной массой и объемом);

- использование стержней или вкладышей, содержащих железо;

- неоднородная сушка более толстых участком покрытия;

- риск деформации сложных стержней.

Экологические эффекты от внедрения метода

Увеличенный энергетический КПД процесса сушки.

Воздействие на различные среды

Микроволновая сушка также способствует действию реакции полимеризации на дальнейший состав. Это снижает газообразные выбросы на последующих стадиях процесса литья (то есть, во время розлива, охлаждения, выбивки отливок из форм).

Эксплуатационные данные

Использование микроволновой сушки не реализуется в промышленном масштабе, хотя и проводились крупномасштабные промышленные испытания. Результаты этих испытаний представлены ниже. Одно из испытаний проводилось с использованием микроволновой печи, мощностью 50 кВтчас. Печь загружалась на 50 % ее допустимой нагрузки стержнями, общим весом 800 кг. Стержни размещались на пластмассовых поддонах, которые не нагреваются под действием микроволнового излучения. Тепловой баланс процесса представлен на рисунке 8.6. Можно заключить, что более 30 % подводимой энергии используются непосредственно для сушки. Кроме того, стержни лишь слабо нагреваются (температура на выходе = 40 ºC), что позволяет сразу же проводить их обработку. Данные по двум измерениям представлены в таблице 8.19, и сравниваются с аналогичными данными, полученными на сушилках, использующих горячий воздух (как обсуждается в разделе 8.3.3.5).

Рисунок 8.6 - Тепловой баланс микроволновой сушки стержней в печи, мощностью 50 кВтчас, работающей при 50%-ой допустимой нагрузке [2]
Таблица 8.19 - Результаты испытательной кампании по сушке стержней, используя горячий воздух и микроволновые печи [2]

Тип печи	Литейный завод A	Литейный завод B	Литейный завод B	Литейный завод C
	Горячий воздух	Горячий воздух	Микроволны	Микроволны
Загрузка стержней	156 кг/час	270 кг/час	800 кг/час	500 - 900 кг/час
Влажность	5,5 %	2,7 %	2,7 %	2 - 3,2 %
Потребление тепла	73 кВт	70 кВт	50 кВт	40 кВт
Продолжительность	48 мин	113 мин	8 мин	8 мин
Удельный расход на кг испаренной воды	8,5 кВтчас	9,3 кВтчас	2,3 кВтчас	2 кВтчас
Удельный расход на тонну влажных стержней	465 кВтчас	280 кВтчас	63 кВтчас	-

Данные показывают, что время сушки значительно уменьшилось, от 1 – 2 часов до менее 10 минут. Кроме того, расход энергии уменьшился в 4 – 5 раз, а пропускная способность увеличилась.

Применимость

Эта технология используется для сушки всех покрытий, основанных на водных растворах. Кроме того, она способствует широкому применению покрытий, основанных на водных растворах, для более сложных форм стержней и небольших серий.

Экономические показатели

Микроволновая сушка требует высоких капитальных затрат. Фактические затраты пропорциональны энергопотреблению, которое определяется количеству испаряемой воды. Высокие инвестиционные затраты частично компенсируются:

- более высоким энергетическим КПД, хотя в этой технологии используется электроэнергия, а не газ в сушилке с горячим воздухом;

- меньшей стоимостью растворителя, необходимого для покрытий, основанных на водных растворах, по сравнению с покрытиями, основанными на растворителе;

- меньшей величиной эксплуатационных расходов, благодаря более компактной установке по сравнению с использованием сушки воздухом (горячим) или линии охлаждения.

Движущие силы внедрения

Давление со стороны властей, усиливающих внимание к выбросам органических веществ, и требующих более высокого энергетического КПД.

Примеры заводов

По имеющейся информации, эта технология применяется на литейных заводах во Франции и Испании.

Справочная литература [2], [3]

8.3.3.7 Использование неароматических растворителей для производства стержней в холодном стержневом ящике

Описание

Классические системы холодного стержневого ящика используют органические растворители. Во время производства и хранения стержней они являются причиной выброса вредных ЛОС, имеющих сильный запах. Кроме того, выбросы ЛОС (бензол, толуол, ксилол) происходят во время заливки, охлаждения и выбивки отливок из форм. Другие растворители для производства стержней по методу холодного стержневого ящика основаны на протеине или животном жире (например, сложные эфиры метила в растительном масле), или на сложных эфирах силиката. Эти растворители не являются вредными для здоровья и не горючи, поэтому их транспортировка и хранение упрощаются.

Низкая изменчивость сложных эфиров метила в растительном масле увеличивает возможность их хранения во влажных условиях, а также их стойкость при использовании покрытий, основанных на водных растворах.

Изготовленные стержни имеют более высокую прочность, низку степень налипания песка и хорошие свойств выбивки отливок из форм.

Экологические эффекты от внедрения метода

Отсутствует испарение, благодаря высокой точке кипения (приблизительно 300 ºC) и, следовательно, во время хранения отсутствуют выбросы ароматических веществ.

Во время производства и хранения стержней и (что еще более важно) во время заливки, охлаждения и выбивки отливок из форм уменьшаются выбросы органических соединений.

Воздействие на различные среды

Растительные растворители способствуют увеличению образования дыма во время заливки и (в случае литья под давлением) после открытия кокиля. Это обусловлено низким парообразованием и, следовательно, высоким остаточным содержанием растворителей во время заливки. Этот эффект отсутствует при использовании растворителей, имеющих в своем составе сложные кремнийорганические.

Растворители, основанные на протеине и животном жире, отличаются характерным запахом и, по информации, вызывают на литейном заводе проблемы, связанные с запахом.

Эксплуатационные данные

В таблице 8.20 представлены данные по выбросам бензола, толуола, ксилола и фенола, полученные при измерении на одном литейном заводе по производству алюминия, с использованием сырой формовочной смеси. Измерения проводились как в зоне выбивки отливок из форм, так и в зоне выхода выхлопных газов. Данные представлены для традиционной системы холодного стержневого ящика и при использовании растительных растворителей. Наблюдается явное снижение выбросов BTX и C (25 – 50 % выбросов).

Таблица 8.20 - Данные по выбросам для систем изготовления стержней с использованием холодного стержневого ящика на литейном заводе по производству алюминия, полученные в зоне выбивки отливок из форм и в зоне выхода газа [83]

	При выбивке отливок из форм			На выходе газа
Состав	Ароматический (мг/м³)	Растительный (мг/м³)	Разница, (%)	Ароматический (мг/м³)	Растительный (мг/м³)	Разница, (%)
Бензол	0,08	0,05	- 44	0,1	0,07	- 30
Толуол	0,12	0,05	- 58	0,08	0,06	- 25
Ксилол	0,09	0,04	- 56	0,09	0,05	- 41
Фенол	14,8	14,6	- 2	7,2	6,57	- 9
Сумма по С	61,0	29,5	- 52	37,0	18,5	- 50

Результаты измерений по выбросам, полученные на немецком чугунолитейном заводе представлены в таблице 8.21. В этой таблице данные по выбросам для каждого компонента отражены по отношению к выбросам такого же элемента для ароматических систем. Например: выброс толуола при повторном охлаждении составляет только 58 % от выброса толуола в ароматической системе. В таблице показано явное уменьшение выбросов ЛОС на стадии повторного охлаждения и выбивки отливок из форм.

Таблица 8.21 - Выбросы (%) выбранных элементов из установок по изготовлению стержней с холодным стержневым ящиком, использующим растительные растворители [84]

	Бензол	Толуол	Ксилол	Фенол
Заливка и охлаждение 1	83	100	100	100
Охлаждение 2	78.5	58	46	74
Выбивка отливок из форм	78	78	78	12
Данные по выбросам, выражены в процентах, относительно выбросов ароматической системы (рассматриваемой как 100 % для каждого измерения)

Полное снижение расхода указанных составов составило:

- бензол: - 21 %

- толуол: - 26 %

- ксилол: - 30 %

- фенол: - 62 %

Данные, полученные при измерении суммарного содержания углерода в выбросах по всему процессу литья, представлены на рисунке 8.7. Анализ данных позволяет сделать вывод, что растительные растворители частично приводят к смещению выбросов из зоны изготовления стержней на конечную стадию процесса. Тем не менее, получено полное снижение эмиссии углерода на 17%.


Рисунок 8.7 - Полные выбросы углерода на различных стадиях процесса, при использовании ароматических и растительных растворителей (значения выражены в % от выбросов системы с использованием ароматических растворителей) [84]

Применимость

Неароматические растворители могут использоваться во всех процессах, где применяется формовочный песок и холодный стержневой ящик. Эта технология относительно новая и результаты ее применения, как показано выше, должны быть подтверждены при повторном испытании. Технология внедрена на литейных заводах для изготовления всей номенклатуры автомобильных отливок, а так же отливок для машиностроения, электронной и строительной отрасли промышленности. Имеется информация и о применении ее при литье черных и цветных металлов.

Экономические показатели

Данные, полученные от итальянской ассоциации литейных заводов, указывают, что неароматические растворители имеют стоимость, вдвое превышающую стоимость ароматического эквивалента, например: 0,82 ЕВРО/кг, против 0,36 – 0.48 ЕВРО/кг.

Эксплуатационные данные, полученные на сталелитейном заводе для изготовления больших серий, показывают, что затраты на вяжущие составы для систем с холодным стержневым ящиком, использующим ароматические растворители, составляют, приблизительно 2 ЕВРО/кг (2001 г.) и повысились, приблизительно, на 30 %, после перехода на неароматическую систему. Однако, по истечении одного года (2003 г.), затраты вновь снизились до уровня 10 %-го превышения затрат для традиционных систем.

Движущие силы внедрения

Снижение выбросов ЛОС и ароматических веществ.

Примеры заводов

По имеющейся информации эта технология используется на крупносерийных литейных заводах в Германии.

Справочная литература [2], [83], [7], [84], [3]

8.3.4 Альтернативные методы изготовления форм/стержней

8.3.4.1 Литье по выплавляемым моделям

Описание

Общие принципы литья по выплавляемым моделям описаны в разделе 6.7.7.1. Благодаря отсутствию вяжущих составов, эта технология позволяет сократить количество твердых отходов и выбросов по сравнению с технологией литья в песчаные формы.

Эта технология позволяет производить детали с более точными допусками, меньшим количеством литников и каналов вертикальной подачи металла и лучше по части отливки. Все это приводит к уменьшению временных затрат на механическую обработку и очистку.

Литейные заводы, использующие литье по выплавляемым моделям, имеют в своем составе цех подготовки пенного состава, цех формовки и литейный цех. В их составе отсутствует цех по изготовлению стержней и отделочный цех. Цех подготовки пенного состава включает установки для получения пористого материала, парогенераторы и охладители, и сушилки поступающего воздуха.

Выплавляемые модели изготавливаются из полистирола (EPS) или PMMA (полиметилметакрилат), с малым содержанием пентана, клейких веществ и минеральной оболочки. Так как и EPS и пентан представляют собой чистые углеводороды, чтобы минимизировать выбросы органических продуктов разложения EPS, производится дожигание отходящих газов.

Эта технология использует несвязанный формовочный песок, который не приводит к появлению каких бы то ни было выбросов после заливки и выбивки отливок из форм и который может быть повторно использован без серьезной подготовки. Пиролиз EPS приводит к медленному проникновению органического материала в песок. Это может быть исключено путем обеспыливания и частичного восстановления вторичного песка. Достаточно 5%-го восстановления, чтобы сохранить качество песка. Отбракованный песок может повторно использоваться после термической обработки.

Экологические эффекты от внедрения метода

Так как используется несвязанный песок, при данной технологии отсутствуют выбросы в процессе заливки, обусловленные наличием вяжущих составов. Однако пиролиз EPS или PMMA приводит к появлению органических продуктов разложения, которые требуют дожигания.

Использование энергии в процессе литья по выплавляемым моделям значительно ниже, чем при использовании общепринятых способов литья. Это главным образом обусловлено уменьшением расхода энергии, требуемой для последующих операций, плавки и подготовки формовочного песка. При производстве стержней для общепринятых методов формовки требуется относительно больше энергии, чем для производства выплавляемых моделей.

Анализ LCA подтвердил, что экологические преимущества, указанные выше, могут быть лучше для всех экологических показателей литья по выплавляемым моделям, по сравнению с аналогичными показателями процесса литья в песчаные формы. Для простой отливки (например, крышки) подход с учетом времени службы форм показывает, что лучшей технологии нет.

Воздействие на различные среды

Эта технология способствует уменьшению расхода электроэнергии и сокращает операции по изготовлению литейных форм и отделочные операции. В отходящих газах наблюдается увеличение количества BTEX и формальдегида, но выбросы происходят только во время заливки; и они могут быть более легко уловлены и нейтрализованы. Эта технология позволяет снизить количество остаточного песка и пыли, а песок может быть восстановлен с меньшими затратами (сокращение термообработки).

Оценка для литья по выплавляемым моделям (также с учетом процессов, выходящих за пределы литейного завода) показывает более низкое воздействие на окружающую среду по сравнению с производством, использующим стержни.

Эксплуатационные данные

Данные по выбросам и данные, касающиеся отходов производства, представлены в разделе 7.6.6.1. Технология способствует уменьшению отходов производства по сравнению с литейным заводом, использующим формовочный песок и имеющий такую же мощность. Отходящие газы нуждаются в более интенсивной очистке (дожигание), и (после очистки) содержат в выбросах из шахты более высокое количество органических веществ (BTEX, формальдегид).

Сравнительные уровни расхода материалов, требуемых для производства одного и того же кожуха компрессора, используя литье в песчаные формы и литье по выплавляемым моделям, представлены в таблице 8.22. Можно заметить увеличение количества возвратного материала при плавке и более низкий вес отливок. Для литья по выплавляемым моделям общее количество формовочной смеси сильно увеличилось, в то время как стержни не используются.
Таблица 8.22 - Эксплуатационные данные по производству одного и того же чугунного кожуха компрессора с использованием различных методов [85]

Входной материал	Сырая формовочная смесь	Химически связанный песок	Выплавляемый пористый материал
Литейный чугун	98,0	98,0	96,1
Возвратные отходы	30,0	30,0	38,1
Вес отливок	68,0	68,0	58,0
Формовочная смесь	256,8	233,0	1101,4
Стержневая смесь	122,0	150,7	n.a.
Вес пористой модели + питатель	n.a.	n.a.	0,212
Все данные в кг n.a: не применяется

Применимость

Эта технология используется в серийном производстве отливок малых и средних размеров из черного и цветного металлов. Максимальные размеры отливки - 1000 x 1000 x 550 мм. Метод используется на алюминиевых литейных заводах и имеет 2%-ую долю алюминиевой отливки.

Так как эта технология предполагает базовые изменения процесса создания литейной формы и инфраструктуры, она используется, прежде всего, на новых установках. Ее применение на существующих литейных заводах требует преобразования литейного процесса завода в части формовки, заливки и отделочных операций и просмотра этих стадий для каждой произведенной отливки. Введение технологии литья по выплавляемым моделям для конкретной отливки требует фондов, трудовых ресурсов, времени и гибкости, а так же взаимодействия с клиентом.

Экономические показатели

Данные по экономике для литья алюминия по выплавляемым моделям представлены в таблице 8.23. Капитальные затраты включают затраты на оборудование, монтаж, запуск и обучение.

Таблица 8.23 - Данные по экономике литейного завода по производству алюминиевых отливок по выплавляемым моделям [60]

Капитальные затраты	Описание	ЕВРО
Оборудование для изготовления модели	Станок для изготовления модели Парогенератор Нанесение покрытия	1300000
Оборудование для отливки	Автоматическая разливочная машина	2540000
Очистка отходящих газов	Сухое обеспыливание Тепловая обработка	608000
Подготовка формовочного песка	Просеивание, охлаждение, транспортировка	160000
Сумма	Инвестиция, установка, запуск, обучение	4608000
Рабочие расходы		ЕВРО/тонну годных отливок
Потребление	EPS-гранулы, клей, покрытие, пар, топливо	202
Характеристики литейного завода: алюминиевое литье, производство на 5500 тонн/год годных отливок, производство 6864 тонн/год расплавленного металла

Движущие силы внедрения

Снижение отходы от литья в песчаные формы и снижение энергопотребления.

Примеры заводов

Имеется информация о нескольких заводах в Германии и Франции.

Справочная литература литейный чугун: [85], алюминий: [60], [2]

8.3.4.2 Литейные формы с керамической оболочкой

Описание

Литье в формы с керамической оболочкой представляет собой запатентованный процесс (Replicast®), в котором полистирольная модель покрывается керамической оболочкой (толщиной 2 – 3 мм), основанной на кремний -органике и огнеупорном песке. Оболочка отвердевает под воздействием аммиака и спекается при температуре 1000 ºC. При спекании происходит затвердевание оболочки и выжигание полистирольной модели. Затем металл заливается в оболочку.

Печь для спекания оборудована системой дожигания, чтобы снизить количество выбросов.

Эта технология позволяет проводить проектирование отливки без линий разъема, стержней и углов сходимости и при небольшом количестве литников. При этом снижается потребность в окончательной механической обработке.

Экологические эффекты от внедрения метода

Эта технология способствует минимизации выбросов пыли при формовке и окончательной отделке по сравнению с формовкой с использованием песка. Выбросы ЛОС отсутствуют, так как для инертной керамической литейной формы не требуется никакого газа. Кроме того, количество отходов (пыль, металл) снижено. Уменьшение количества литников приводит к более высокому выходу отливок на плавку.

Воздействие на различные среды

Воздействие на различные среды не наблюдается.

Эксплуатационные данные

Эксплуатационные данные, полученные от владельца технологии, представлены в таблице 8.24, для отливки клапанов, в сравнении с отливкой в формовочный песок.

Таблица 8.24 - Относительное снижение веса для литья клапанов в формы с керамической оболочкой, по сравнению с литьем в песчаные формы [36]

Свойство	Относительное уменьшение веса (%)
Конечный вес отливки	20 - 26
Расплав	24 - 60
Отлитый металл	24 - 50

Применимость

Эта технология используется для изготовления отливок, которое требует высокой чистоты поверхности для низкоуглеродистых сплавов, например, нержавеющая сталь с очень низким содержанием углерода, и сплавов, основанных на никеле, с конечным весом отливок до 550 кг. Литье в формы с керамической оболочкой представляет собой запатентованный процесс и может использоваться только в соответствии с условиями лицензии, предоставленной лицу, ее получившему.

Движущие силы внедрения

Уменьшение выбросов ЛОС и высокая стоимость утилизации отходов.

Примеры заводов

- CMS srl, Urbisaglia (I): 2 автоматизированных линии, производящих стальные клапаны до 150 кг чистого веса;

- Saint-Gobain SEVA, Chalons-sur-Saone (F): элементы из стальных и жаропрочных сплавов для стекольной промышленности.

Справочная литература [13], [36]

8.3.5 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм и кокилей для литья под давлением

8.3.5.1 Минимизация потребления воды и разделительных составов

Описание

Водный раствор разделительного состава распыляется на открытый кокиль HPDC перед его закрытием. Это позволяет охлаждать и плакировать кокиль. Некоторые простые меры, предпринимаемые для процесса, позволяют минимизировать расход разделительного состава и воды. Они также предотвращают формирование тумана. Это следующие меры:

- Автоматизация процесса распыления: Автоматизация процесса распыления способствует проведению контроля количества используемого разделительного состава и его регулировке;

- Оптимизация степени растворения: Степень растворения разделительного состава должна выбираться таким образом, чтобы при распылении соблюдался заданный баланс между покрытием и охлаждением кокиля;

- Использование внутреннего охлаждения кокиля: Охлаждение может быть частично изменено путем использования внутреннего охлаждения с помощью встроенной водяной рубашки.

Экологические эффекты от внедрения метода

Минимизация потребления воды и химических реагентов. Предотвращение и/или снижение выбросов (диффузии).

Воздействие на различные среды

Воздействие на различные среды не наблюдается.

Применимость

Эта технология используется на литейных заводах HPDC. Степень, до которой может быть применена минимизация, зависит от типа отливки и используемых машин.

Движущие силы внедрения

Минимизация потребления и выбросов.

Примеры заводов

Эта технология используется на больших заводах HPDC, например, при изготовлении автомобильных деталей (Германия, Франция).

Справочная литература [7]

8.3.5.2 Применение разделительных составов для закрывающихся литейных форм

Описание

Разделительный состав используется для закрывающегося кокиля для литья под давлением в парообразном виде. Высокая температура приводит к конденсации и осаждению пленки разделительного состава. Эта технология представляет собой альтернативу распылению водного раствора разделительного состава на поверхность открытого кокиля. Она способствует уменьшению расхода воды, а также уменьшает потребление разделительного состава. Активные реагенты для стадий процесса, например, выбивание отливки из кокиля, весьма подобны методике, используемой для открытых литейных форм: твердый парафин, алифатический углеводород, полисилоксан.

Однако, распыление воды также вызывает охлаждение поверхности кокиля. Альтернативная технология, поэтому, требует расширенного контроля температуры (главным образом при охлаждении) с помощью внутренней системы охлаждения кокиля. Это может быть достигнуто путем уменьшения температуры масла. Распыление воды и нанесение разделительных составов на поверхности кокиля возможны в местах, где литейные формы не могут достичь заданного теплового режима с помощью только одних систем внутреннего охлаждения.

Экологические эффекты от внедрения метода

Эта технология позволяет уменьшить расход воды и разделительного состава. Это приводит к уменьшению количества сточных вод и к снижению выбросов пара, содержащего частицы масла. Активные компоненты разделительного состава подобны традиционным. Выбросы, обусловленные разложением разделительного состава (и после открытия кокиля для извлечения отливки), следовательно, сопоставимы по своей природе с выбросами, возникающими при использовании технологии открытых литейных форм.

Воздействие на различные среды

Эта технология требует увеличения затрат на охлаждение кокиля. В простых случаях это может включать снижение температуры масла, но для более сложных кокилей может потребоваться использование дополнительного контура охлаждения.

Эксплуатационные данные

Имеется информация о некоторых примерах работы литейных заводов по производству алюминиевых отливок. Сообщается о 50 – 80%-ом снижении времени распыления и о 80%-ом снижении потребления разделительных реагентов.

Применимость

Данная технология используется на существующих заводах, но может потребовать производства специальных кокилей со встроенной или адаптированной системой охлаждения. Применимость ограничена отдельными типами отливок, кокилей и разливочных машин и основана на технических требованиях. Этот метод не является общей альтернативой использованию разделительных составов.

Движущие силы внедрения

Стратегия литейного завода по снижению количества сточных вод и уменьшению потребления воды и химических продуктов.

Примеры заводов

Есть сведения о некоторых примерах работы на литейных заводах по производству алюминия.

Справочная литература [83], [7]

жүктеу/скачать 9.9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: