Műgyantakötésű magokból eredő emisszió mennyiségének és minőségének vizsgálata

Átírás

1 MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, April 2017 ISBN Műgyantakötésű magokból eredő emisszió mennyiségének és minőségének vizsgálata Examination of the quality and quantity of emission from resin bonded foundry cores MÁDI Laura 1, VARGA László 2 1 PhD hallgató, 2 főiskolai docens 1,2 Miskolci Egyetem, Öntészeti Intézet 1 ontlaura@uni-miskolc.hu, 2 ontvlaci@uni-miskolc.hu 1. TARTALMI ÖSSZEFOGLALÓ Az öntödei műgyantakötésű formázóanyagok lebomlása során képződött gázok mennyisége, illetve nyomásviszonyai a fém megszilárdulásának kezdeti szakaszában jelentősen befolyásolhatják az öntvények felületi minőségét. A magokból fejlődő gáz akkor okoznak öntvényhibákat, ha a gázbetörésig nem jön létre szilárd öntvénykéreg. Cikkünkben három különböző gyártóktól származó fenolgyantás magokból keletkező gázmennyiség mérését mutatjuk be. 2. BEVEZETÉS A magokból fejlődő gáz mennyiségének és nyomásának vizsgálata több szempontból is kiemelten fontos. A felszabaduló gázok összetétele környezetvédelmi okokból kulcsfontosságú, hiszen egyre szigorúbb hatósági előírásoknak kell megfelelni. A magokból intenzíven felszabaduló gáz gázhólyagos selejtekhez vezethet, míg a homokszemcsék közé behatoló fém penetrációs hibákat okozhat. Az emissziót kétféle módon lehet csökkenteni. Az első lehetőség, utólagosan szellőzés biztosítása, technológiai intézkedésekkel vagy technológiai változtatásokkal. A károsanyag kibocsátás az elmúlt 40 évben jelentősen csökkent a környezetvédelmi beruházásoknak köszönhetően. A modern elszívó-, szűrő- és ártalmatlanításra szolgáló berendezések nagymértékben csökkenthetik az emissziót. Az ilyen technológiát End-of-pipe technológinak nevezik [1]. Csővégi technológiáról van szó, ha a meglévő technológiához egy tisztító üzemet kapcsolunk. A hulladék egy veszélyes formáját egy másik, kevésbé ártalmasnak tekintett formává alakítják át. Azonban csővégi technológia általában növeli a folyamat komplexitását (ezáltal a kockázatát), növeli az anyag- és energiafelhasználást [2]. A folyamatintegrált környezetvédelem alapelve, hogy nagyteljesítményű szűrő- és elszívó-berendezések nélkül elérjék a jövőbeli, kötelező határértékeket. Az 1. ábrán a különböző végtermékek kibocsátási aránya látható az idő függvényében. DOI: /musci

2 1. ábra Károsanyag kibocsátás határértékeinek változása Németországban [1] A kötőanyag-rendszerek fejlődésének köszönhetően csökkentett kötőanyagtartalom mellett is megfelelő szilárdságú műgyantás magok készíthetők. csökkenthető a gázkibocsátás és a környezetterhelés. Az 1. táblázatban a felhasznált kötőanyagmennyiségének változását láthatjuk egy cold-box mag esetén. 1. táblázat: Kötőanyagtartalom régen és ma [1] Szabad fenol Szabad formaldehid Kötőanyag x/kg cold-box mag Korábban: 6% 2,40% 0,8/ 0,8 % Ma: <3% <0,2% 0,5/0,5% Látható, hogy a felszabaduló károsanyag a felére, a kötőanyagmennyiség közel felére csökkent az elmúlt 40 évben. A különböző kötőanyagrendszereknek eltérő a kémiai összetétele, ezért a szagterhelésük is különbözik. A 2. ábrán látható a különböző kötőanyagrendszerek összehasonlítása. 2. ábra Különböző kötőanyagrendszerek szagkoncentrációjának a változása [1] A különböző kötőanyag-rendszereknek szagterhelése jelentősen eltér egymástól. A legtöbb kötőanyag-rendszernek a szagkoncentrációja közel 20 szagegység/m 3, míg a rezol-co2 eljárás során felszabaduló szagkoncentráció 110 szagegység/m 3.

3 3. MAGGÁZ FEJLŐDÉS MÉRÉSI MÓDSZEREI ÉS SZIMULÁCIÓJA A magokból felszabaduló gázmennyiség és a fejlődő gázintenzitása fontos technológiai paraméter, ezért mérésükre számos módszert dolgoztak ki. A 3. ábrán különböző gázmennyiség mérő berendezések láthatók. 3. ábra Maggáz mennyiség mérő berendezések a) COGAS b) C.E. Bates-féle készülék [3] Mindkét berendezés az olvadékba merülő mag öntési körülményeit szimulálja. A próbamag pontosan szabályozott hőmérsékletű alumínium, vagy vasolvadékba merül. A magból felszabaduló gáz a próbatest felületéről vékony csövön vezetik el. A két berendezés közötti különbség, hogy a COGAS mérésnél hűtött csövön, míg a C.E. Bates-féle mérésnél fűtött csövön vezetik el a gázt. A COGAS maggáz mennyiség mérő berendezés segítségével a felszabaduló gáz mennyisége mellett a gázból leváló kondenzátum mennyisége is meghatározható, a próbarögzítő állványon elhelyezkedő kondenzátum csapda segítségével. A hűtött csapdában a maggázból lecsapódik a szurokszerű kondenzátum, melynek mennyisége a vizsgálat végén tömegméréssel meghatározható. A maggáz végül eljut a mérőegységbe, ahol a vákuumpumpa segítségével tartott vízoszlopból a saját térfogatának megfelelő térfogatú vizet szorít ki. A kiszorított folyadék tömegét a precíziós mérleg regisztrálja. A mérés végeztével a víz sűrűségének felhasználásával kiszámítható a próbamagból felszabaduló gáz mennyisége. A COGAS vizsgálathoz használatos próbamag mérete 23x23x30 mm. Az alumínium olvadékkal dolgozó készülék maximum 120 cm 3, az öntöttvas olvasztására alkalmas változat pedig maximum 750 cm 3 gázmennyiséget képes mérni [3]. C.E. Bates általa tervezett gázmennyiség meghatározó műszer lényegében hasonló módon működik, mint a COGAS berendezés. A kísérletekhez henger alakú próbatesteket használt. A képződő maggáz egy ellenállásfűtésű vezetéken keresztül jut el a mérőegységbe, így a mérés során nem képződik kondenzátum. Ez fontos különbség a COGAS-hoz képest, ahol a gázközvetítő vezeték fűtetlen. Lényeges különbség továbbá, hogy a COGAS készülék vákuum pumpáját, ebben az esetben egy légmentesen zárt, olajjal teli fűtött tartály helyettesíti. A maggáz a mérőegységben 100 C feletti olajba vezetik el, szemben a COGAS vizes közegével. A tervezőnek tehát egyik fő célja volt a kondenzátum képződés megakadályozása a mérés kezdetétől egészen a végéig. A maggáz által kiszorított olaj egy túlfolyón át a rendszeren kívülre távozik, tömegét precíziós mérleg regisztrálja. Ez a mérőrendszer kereskedelmi forgalomba sohasem került [4].

4 3.1. Maggáz fejlődés szimulációja formatöltés során P. Scarber és C.E. Bates [5] szimulációt készítettek az öntödei magokban fejlődő gázmennyiségről, Flow-3D által gyártott FlowScience program segítségével. A hengeres mag méretei: 28,57 mm (1,125 hüvelyk) x 203,2mm (8 hüvelyk). A kísérleteikhez 1,5% fenolgyantás, kvarchomok magokat használtak. A próbatesteket alumínium (4. ábra) és öntöttvas olvadékba (5. ábra) merítették. A maggáz mennyiségének a mérését C.E. Bates-féle készülékkel végezték el. 4. ábra Alumínium olvadékba (627 C) merített magból (1,5% fenolgyanta, kvarchomok) felszabaduló gázmennyiség és a gázfejlődés sebessége [5] 5. ábra Öntöttvas olvadékba (1343 C) merített magból (1,5% fenolgyanta, kvarchomok) felszabaduló gázmennyiség és a gázfejlődés sebessége [5]

5 Alumínium olvadék esetében a szimuláció 15%-os pontossággal megközelítette a kísérleti eredményeket. Öntöttvas esetében a szimuláció nagyobb mennyiségű gázfejlődést mutatott. A szimuláció valószínűleg a pontatlan hőátadási tényezők miatt különbözik számottevően a valóságtól. 4. KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK Vizsgálatokat a Nemak Győr Kft. laboratóriumában végeztük el. A homokkeverékeket fenol műgyantából (0,6%), izocianátból (0,6%) és termikusan regenerált kvarchomokból készltek, cold-box eljárással. A 6. ábrán a magkészítés folyamatát mutatom be. A maggáz mennyiség méréseket COGAS berendezés segítségével végeztük el. A mintákat a 720 C-os alumínium olvadékba merítettük, 300 másodpercig. 6. ábra Magkészítés folyamata 5. EREDMÉNYEK ÉS KÖVETKEZTETÉSEK Munkánk során három különböző gyártótól származó fenolgyantát vizsgáltunk. A mérési eredmények átlagát a 7. ábrán szemléltetjük. 7. ábra Mért gázmennyiségek

6 A diagramon jól látható, hogy számottevő különbség nincs a különböző kötőanyagrendszerekből fejlődő gázmennyiségek között. Legkiseb gázkibocsátása az A betűvel jelölt kötőanyagrendszernek volt. Továbbá az is megállapítható, hogy a gáz az első 100 másodpercben fejlődik a legintenzívebben. Törekedni kell a kis gázkibocsátásra és a maggázok megfelelő elvezetésére, mert ezek hiánya növelheti a selejtes öntvények számát. A magokból kicsapódó kondenzátum mennyisége a 8. ábrán látható kondenzátum csapdák tömegmérésével határozható meg. 8. ábra Kondenzátum csapdák A képződött fajlagos kondenzátum mennyisége kiszámítható a kísérlet előtti és utáni kondenzációs csapdák tömegmérésével. Adatokat a 2. táblázat tartalmazza. 2. táblázat Kondenzátum csapdák tömegmérése A táblázatban megfigyelhető, hogy a G betűvel jelölt kötőanyag-rendszer bocsátotta ki a legtöbb kondenzátumot. Ehhez képest az A közel 8%-kal kevesebbet, míg a H majdnem 20%-kal kevesebbet bocsátott ki.

7 6. ÖSSZEFOGLALÁS Az öntvények minőségét nagymértékben befolyásolja a magokból fejlődő gáz intenzitása és időbeli lefutása. Kerülni kell a magas kondenzátum kibocsátó képességű kötőanyagok használatát, ugyanis az öntés során a kokillára kicsapódó kondenzátum problémákat okozhat a mag pontos elhelyezésében és a hatékony gázelvezetés tekintetében. A különböző kötőanyag-rendszerekkel készült magokból fejlődő gázmennyiségek között nem volt számottevő különbség, az első 100 másodpercben volt legintenzívebb a gázfejlődés. A fajlagos kondenzátum mennyiség tekintetében akár 20%-os eltérés is lehet a különböző gyártótól származó magok között. 7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A bemutatott cikk az Emberi Erőforrások Minisztériuma, Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával készült. Köszönettel tartozunk a Nemak Győr Kft-nek, a kísérletek elvégzéséhez nyújtott segítségükért. 8. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ [1] Dr.-Ing Gotthard Worf: Prozessintegrierter Umweltschutz in Gießereien, Giesserei-Roundschau 51(2004) Heft 11/12, Seite [2] Nagy Géza, Kovács Helga, Szemmelweisz Tamásné, Patotás Árpád Bence: Technológiában integrált megelőző környezetvédelem a fenntartható gazdaság szolgálatában, Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1 szám (2012), pp [3] Svidró József Tamás: Transzport folyamatok a fém/formázóanyag határfelületen, old. [4] L. Winardi, H.E. Littleton, C.E. Bates: Pressures in Sand Cores, AFS Transactions, vol.115. [5] P. Scarber, C.E. Bates, Simulation of core gas production durig mold fill, Copyright 2006, American Foundry Society