MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, 20-21 April 2017 ISBN 978-963-358-132-2 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: 10.26649/musci.2017.040
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. 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].
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]
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
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.
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 219-221 [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. 297-307 [3] Svidró József Tamás: Transzport folyamatok a fém/formázóanyag határfelületen, 2011. 9-13.old. [4] L. Winardi, H.E. Littleton, C.E. Bates: Pressures in Sand Cores, AFS Transactions, 2007. vol.115. [5] P. Scarber, C.E. Bates, Simulation of core gas production durig mold fill, Copyright 2006, American Foundry Society