Recykling odpadowych popiołów lotnych powstających ze spalania węgla kamiennego, w aspekcie wytwarzania mas formierskich

• Autorzy: Baliński A.

Warianty tytułu

EN

Recycling of waste fly ash formed during combustion of hard coal for use in moulding mixtures manufacture

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł stanowi zestawienie ważniejszych wyników badań przeprowadzonych w związku z realizacją projektu badawczego własnego, dotyczącego możliwości zastosowania krajowych popiołów lotnych powstających ze spalania węgla kamiennego, jako osnowy ziarnowej mas formierskich oraz fazy zbrojącej odlewanych kompozytów stopu aluminium (kompozyty ALFA). Przedstawiono skład chemiczny krajowego popiołu lotnego, charakteryzującego się największą stabilnością składu chemicznego (zawartość głównych związków chemicznych - % wag.: SiO2 = 81,66%, Al2O3 = 6,69%, Fe2O3 = 4,37%, CaO = 4,29%, MgO = 1,58%), jego skład fazowy (kwarc, mullit, larnit) oraz charakterystyczne wartości temperatury związane z przemianami fazowymi (temperatura topnienia = 1435°C, temperatura płynięcia = 1494°C, stabilność wymiarowa do temperatury 1230°C). Omówiono badania wpływu zastosowania procesów odmywania i separacji magnetycznej popiołu lotnego na zmiany wartości jego gęstości helowej, powierzchni właściwej, składu chemicznego oraz fazowego. Proces odmywania powoduje istotne zmniejszenie zawartości sodu (o około 20% wag.), a także wapnia (o około 14% wag.) i magnezu (o około 11% wag.), usuniętych głównie z fazy szklistej. Zastosowanie tego procesu powoduje również spadek wartości gęstości rzeczywistej oraz powierzchni właściwej popiołu lotnego. Separacja magnetyczna popiołu lotnego powoduje usunięcie części magnetycznych w ilości około 26% w przeliczeniu na Fe2O3. Towarzyszy temu spadek zawartości glinu, sodu, potasu i wapnia. Procesowi usuwania fazy magnetycznej towarzyszy spadek gęstości rzeczywistej i powierzchni właściwej. Przedstawiono wyniki badań dotyczących aglomeracji popiołu lotnego z zastosowaniem granulatora talerzowego oraz ciśnieniowego. Stwierdzono, że obydwie metody aglomeracji nie umożliwiają uzyskania litego materiału. Uzyskane aglomeraty posiadają strukturę porowatą, jednakże wyraźnie większymi porami charakteryzują się aglomeraty uzyskane w procesie granulacji talerzowej. Badany popiół lotny zastosowano jako osnowę ziarnową do wytwarzania mas formierskich zgodnie z procesem Shawa, procesem termoutwardzalnym (ze szkłem wodnym jako spoiwem) oraz procesem CO2. Określono podstawowe właściwości technologiczne uzyskanych mas formierskich, ich odporność termiczną oraz wytrzymałość resztkową. Stwierdzono przydatność tego rodzaju mas formierskich do wytwarzania form i rdzeni dla odlewów wykonywanych ze stopów metali o temperaturze zalewania nie przekraczającej około 1000°C. Przeprowadzono analizę wpływu zastosowania masy formierskiej z udziałem popiołu lotnego jako osnowy ziarnowej, na skład chemiczny i morfologię granicznej warstwy odlewu ze stopu aluminium. Nie stwierdzono wpływu popiołu lotnego jako osnowy ziarnowej masy formierskiej, na zmianę mikrostruktury oraz morfologii odlewu. Badania możliwości zastosowania popiołu lotnego jako fazy zbrojącej kompozytów ALFA, poprzedzono badaniami właściwości fizykochemicznych osnowy ziarnowej w postaci popiołów lotnych, zużytej w procesie odlewania. Stwierdzono, że pomimo wysokiej reaktywności ciekłego Al i jego stopów w kontakcie z badanym materiałem nie zaobserwowano ich wzajemnego oddziaływania. Po zastosowaniu obróbki cieplnej wytworzonego kompozytu z zastosowaniem popiołu lotnego jako fazy zbrojącej wprowadzonej w ilości 5% wag. oraz materiału wyjściowego w postaci próbek ze stopu aluminium, wytrzymałość R[sub]P02 oraz R[sub]m kompozytu wzrasta o około 10%, w porównaniu do analogicznych wartości materiału wyjściowego. Wartość A5 kompozytu maleje o około 60%, natomiast wartość HBW 5/250 wzrasta o około 55%, w porównaniu do analogicznych wartości materiału wyjściowego.

EN

The article is a compilation of the most important results obtained during execution of own research project regarding the possibility of using fly ash formed during combustion of hard coal as a base granular material in moulding mixtures and as a reinforcing phase in cast aluminium alloy-based composite materials (ALFA composites). The chemical composition of the domestic fly ash, characterised by the greatest stability of composition (the content of the main chemical compounds is the following - wt. %: SiO2 = 81,66%, Al2O3 = 6,69%, Fe2O3 = 4,37%, CaO = 4,29%, MgO = 1,57%), was determined together with the composition of respective phases (quartz, mullite, larnite) and some typical phase transformation-related values of temperature (melting point = 1435°C, flow temperature = 1494°C, dimensional stability up to 1230°C). The effect of washing process and magnetic separation of fly ash on changes in the value of its helium density, specific surface, and chemical and phase composition was discussed. The process of washing decreases significantly the content of sodium (by about 20 wt. %), calcium (by about 14 wt. %) and magnesium (by about 11 wt. %), removed mainly from the glassy phase. Applied effectively, this process also causes a decrease in the value of the fly ash true density and specific surface. Magnetic separation of fly ash removes the magnetic particles in an amount of about 26% in convertion to Fe2O3. A decrease in the content of aluminium, sodium, potassium and calcium usually accompanies this effect. The removal of magnetic phase is accompanied by a drop in the value of true density and specific surface. The article presents the results of investigations regarding the fly ash agglomeration behaviour when conducting the process in a disc granulator and in a pressure granulator. It has been stated that neither of these two methods of agglomeration enables obtaining a truly compact and solid material. The obtained agglomerates are characterised by a porous structure, the agglomerates produced in disc granulators having definitely larger pores. The examined fly ash was used as a base granular material for the manufacture of moulding mixtures used in the Shaw Process, in the process of thermo-setting mixtures (with sodium silicate as a binder), and in mixtures for the CO2 process. The basic technological properties of the manufactured moulding mixtures were determined along with their thermal resistance and residual strength. The applicability of these mixtures in production of foundry moulds and cores for elements cast from metal alloys at temperatures of up to about 1000°C was stated. The effect of the fly ash-based moulding mixture on the chemical composition and morphology of a phase boundary in aluminium alloy casting was analysed. The fly ash used as a base material in foundry mixture was observed to have no effect on changes in casting microstructure and morphology. Investigations of the possibility to use fly ash as a reinforcing phase in ALFA composites were preceded by investigations of the physico-chemical properties of fly ash used as a base material in foundry mixtures after pouring of these mixtures with molten metal. In spite of high reactivity of molten aluminium and its alloys in contact with the examined material, no interaction has been observed to take place. After a heat treatment of the ready, fly ash-containing, composite, where the said fly ash was acting as a reinforcing phase and was introduced in an amount of 5 wt. %, as well as a heat treatment of the base material, i.e. aluminium alloy samples, it was observed that the yield strength R[sub]P02 and tensile strength R[sub]m of the composite increased by about 10%, compared to analogical values obtained for the base, fly ash-free, aluminium alloy. The value of the composite elongation A5 decreased by about 60%, while the value of HBW 5/250 raised by about 55%, compared to analogical values obtained for the base material.

Słowa kluczowe

PL

popiół lotny; aglomeracja; masa formierska; kompozyt

EN

fly ash; agglomeration; moulding mixture; composite

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2008
• Tom: T. 48, z. 3
• Strony: 5--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Baliński A.

• Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

Bibliografia

• 1. Purgert R., Baliński A., Sobczak J., Darłak P.: Using fly ash-based foundry composition for molds and cores (FASAND) to pour iron castings, Odlewnictwo - Nauka i Praktyka, 2006, nr 2, s. 3-17
• 2. Purgert R., Baliński A., Sobczak J., Darłak P., Szolc M., Sobczak N.: Fly ash for synthesis of new foundry sands (FASAND), Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Poznańskiej, 2006, vol. 26, nr 1, s.123-131
• 3. Baliński A., Izdebska-Szanda I.: The Economical and Ecological Aspects of Using the Mo-dified Water-glass and Fly Ash as an Additive to Green Sands, Conferenc Proceedings, 46 Foundry Conference, Portoroż, 2006, s. 39 (CD)
• 4. Baliński A., Darłak P., Purgert R., Sobczak J.: Application of fly ash to moulds and cores making, Międzynarodowa Konferencja Defektoskopii, Sozopol, 2006, nr 3, s. 277-287
• 5. Baliński A.: The Effect of wash cleaning and demagnetization process on the fly ash physic-ochemical properties, Archives of Foundry Engineering, 2007, vol. 7, no 2, pp. 125-128
• 6. Baliński A., Wisła-Walsh E.: An effect of the fly ash agglomeration technique on the texture of the fabricated agglomerates, Journal of Materials Processing Technology (lista filadelfijska 0924-0136), (przyjęty do druku w 2007)
• 7. Baliński A.: Charakterystyki teksturalne popiołu lotnego oraz mas formierskich na osnowie popiołu lotnego, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Poznańskiej, 2007, vol. 27, nr 1, s. 17-25
• 8. Pampuch R., Haberko K., Kordek M.: Nauka o procesach ceramicznych, PWN, Warszawa, 1992
• 9. Babiński A.: Popioł lotny jako osnowa mas formierskich wytwarzanych z zastosowaniem wybranych technologii, Technological Engineering, 2007, nr 1, t. IV, s. 98-100, ISSN 1336-5967
• 10. Baliński A.: Physico-chemical characteristic of aluminium alloy castings manufactured with cores containing fly ash as a base material, Archives of Foundry Engineering, 2008, vol. 8, Issue 2, pp. 5-8, ISSN 1897-3310
• 11. Baliński A., Sobczak N., Radziwiłł W., Nowak R.: Badania oddziaływania ciekłego stopu aluminium z popiołem lotnym jako osnową mas formierskich, Archiwum Odlewnictwa, 2006, t. 6, nr 18, s. 379-384