Dopřejme si vyšší zisky z přesného lití na vytavitelný model na vodní bázi

Úvod

Nedílnou součástí přesného lití na vytavitelný model jsou již řadu let systémy skořepin na bázi ethylsilikátu, často s obsahem amoniaku na podporu rychlé gelace. S tím, jak roste potřeba snižovat množství emisí a podporovat bezpečnost a ochranu zdraví zaměstnanců, nabízejí lepší výhody systémy skořepin na bázi koloidního oxidu křemičitého. Společnost REMET® je již řadu let světovou jedničkou v oblasti přechodu ze systémů skořepin na bázi alkoholu na systémy na vodní bázi a v tomto článku projednává jak stávající právní rámec týkající se snižování množství emisí, tak i případovou studii, jak středně velká slévárna přesného lití metodou vytavitelného modelu docílila přechodem k systému skořepiny na vodní bázi REMASOL® vyšší ziskové marže.

Evropské země dohodly cíle v rámci omezení znečištění ovzduší do roku 2020

Členské státy EU a další evropské země se v rámci revizí Göteborgského protokolu OSN z roku 1999 dohodly na přísnějších emisních stropech pro čtyři znečišťující látky v ovzduší a také doplnění páté znečišťující látky od roku 2020.

Tato dohoda stanoví přísnější národní limity pro oxid siřičitý (SO₂), oxidy dusíku (NO_x), těkavé organické látky (VOC) a amoniak (NH₃) a doplní nové národní cíle pro emise jemných částic (PM_2.5).

Göteborgský protokol, který postihuje většinu evropských národů a USA, stanovuje od roku 2010 celkové národní stropy pro emise a v rámci EU byl promítnut do právních předpisů o omezování znečištění, např. směrnice o národních emisních stropech.

Podle nového záměru bude Velká Británie nucena snížit do roku 2020 množství emisí SO₂ o 59 %, NO_x o 55 %, VOC o 32 % a PM_2.5 o 30 % v porovnání s úrovněmi v roce 2005. Množství emisí amoniaku bude nutné snížit poměrně střídmě o 8 %, ale tyto emise vznikají převážně v zemědělství a lze je těžko omezit. Velká Británie jen tak tak splnila emisní stropy těchto znečišťujících látek pro rok 2010, a to především díky dopadu recese na průmyslovou činnost.

Nové cíle stanovené ve Velké Británii jsou trochu přísnější než v celé EU, která musí do roku 2020 snížit množství emisí SO₂ o 59 %, NO_x o 42 %, VOC o 28 %, PM_2.5 o 22 % a amoniaku o 6 % v porovnání s rokem 2005.

V návaznosti na 13. zasedání výkonného orgánu Úmluvy o dálkovém znečišťování ovzduší přesahujícím hranice států (LRTAP), která přijala výše uvedené změny Göteborgského protokolu, naznačily jiné strany LRTAP záměr připojit se k revidovanému protokolu – a to zejména Kanada, USA, Ruská federace a země jižní a východní Evropy, Kavkazu a střední Asie.

Naváže se tak na práci v rámci projektu východní Evropy, Kavkazu a střední Asie s cílem usnadnit provádění a ratifikaci protokolů úmluvy. Tento projekt v současné době probíhá mezi Běloruskem, Kazachstánem a Ruskou federací, která se od ledna 2013 zabývá svým emisním stropem a návrhem rozšířit oblast řízení emisí znečišťujících látek.

Obavy z přesného lití na vytavitelný model

Odvětví přesného lití na vytavitelný model stálo v minulosti v popředí námitek vůči omezování emisí VOC. Mnohé slévárny v tomto sektoru však úspěšně přešly na lití do keramických skořepinových forem na vodní bázi a to jim umožnilo vyhnout se nákladům na instalaci drahých zařízení ke snižování množství emisí.

Proces lití na vytavitelný model využívá formu z keramické skořepiny vytvořenou na voskovém nebo polystyrenovém modelu. Model se vytaví nebo vypálí a forma se poté naplní roztaveným kovem. Tímto postupem lze vyrobit širokou škálu výrobků.

Ke splnění nových limitů jsou k dispozici dvě možnosti – instalace zařízení ke snižování emisí nebo přechod k čistší technologii využívající keramiku a pojiva na vodní bázi. Na první pohled se jeví jako nejatraktivnější druhá možnost. Přibližně 80 % všech západoevropských a amerických sléváren již využívá technologii na vodní bázi.

Tradiční technologií ve východní Evropě a v Ruské federaci jsou samozřejmě stále skořepiny s obalovými materiály na alkoholové bázi a mnozí lidé se tím vzdávají relativní výhody systémů skořepin s obalovými materiály na vodní bázi – a to buď z důvodu nákladů, nebo uvědomení si potíží při používání této technologie. Již dlouhou dobu skutečně existuje předpoklad, že přechod ze systému na vodní bázi na systém na bázi koloidního oxidu křemičitého způsobí masivní převrat vycházející z odlišných výkonnostních parametrů, pevnosti, tloušťky skořepiny, stability a doby sušení systémů na vodní bázi a potřeby většího prostoru na nedokončenou práci, která pramení z delší doby sušení. Celkově se předpokládá, že přechod může být nákladný.

Tyto obavy jsou však přehnané a společnost REMET® UK Ltd za posledních 15 let usnadnila přechod k používání systému na bázi koloidního oxidu křemičitého již mnohým slévárnám. Všechny slévárny poměrně plynule přešly od ethylsilikátových systémů. Obecně se předpokládá, že mnohé slévárny napříč celou východní Evropou, Ruskou federací a Ukrajinou se ještě nerozhodly, zda v budoucnu plánují zavést technologii na vodní bázi, přestože asi 50 % z nich vývoj takových systémů zvažuje. Cílem tohoto článku je rozptýlit mnohé jejich obavy.

Úspěšný přechod z procesů na bázi rozpouštědel na procesy na vodní bázi byl zveřejněn v Programu pro osvědčené postupy v technologiích pro životní prostředí (ETBPP), sponzorovaném britskou vládou. Dotyčná společnost, založená se skromným kapitálovým vkladem asi 40 000 liber, eliminovala své emise rozpouštědel a tím dosáhla čisté roční úspory více než 145 000 liber.

Úspory této slévárny pramenily převážně ze zvýšení kvality výrobků a omezení plýtvání, kterých bylo dosaženo zavedením nového procesu. Mezi další pravděpodobně dosažitelné úspory firem, které se vzdají používání rozpouštědel, patří nižší pojistné díky snížení rizika požáru a nižší náklady na ochranu zdraví zaměstnanců. Nic z toho nebylo v počáteční studii zváženo.

V roce 1991 vydalo odvětví přesného lití na vytavitelný model hrozivé varování, že omezování emisí podle zákona o ochraně životního prostředí z roku 1990 (Environmental Protection Act) bude mít vážný dopad na konkurenceschopnost tohoto odvětví. Nicméně, případová studie vypracovaná ETBPP vlády ukázala, že slévárny přechodem z odlitků na bázi alkoholu na odlitky na vodní bázi s jistotou vytvoří velké úspory nákladů a zvýší kvalitu výrobků.

V odvětví přesného lití na vytavitelný model se využívá keramických skořepin k výrobě přesných kovových výrobků, např. lopatek plynových turbín, skříní čerpadel, ventilů a strojních součástí. Skořepiny jsou tvořeny řadou obalových vrstev, které jsou drženy pohromadě pojivy. Tyto vrstvy jsou obvykle na bázi alkoholu.

K dispozici jsou také pojiva na vodní bázi, která neprodukují emise těkavých organických látek (VOC), ale v roce 1991 je ve Velké Británii používala ne více než čtvrtina podniků pro přesné lití na vytavitelný model a právě v tom roce byla v daném odvětví vznesena námitka k omezením zavedeným na základě zákona z roku 1990 a bylo upozorněno, že některé firmy budou z podnikání vytlačeny, protože nebudou schopny přejít na systémy na vodní bázi nebo investovat do zařízení ke snižování emisí VOC.

Normy, které stanoví směrnice v tomto odvětví, jsou v současné době revidovány Ministerstvem životního prostředí. Obchodní sdružení tohoto odvětví sice úspěšně lobovalo za zrušení emisních limitů pro amoniak a souvisejících požadavků na monitorování, ale jeho naděje na zmírnění omezení pro VOC přišly nazmar. V návrhu směrnice je stále požadováno, aby slévárny splnily limit VOC na úrovni 50mg/m³ dosažený v dubnu 1997 a dále o 32 % do roku 2020.

V žádné slévárně přesného lití na vytavitelný model ještě nebylo předvedeno zařízení na snižování emisí VOC. Hlavními kandidáty jsou spalování a absorpce na aktivním uhlí s obvyklými investičními náklady 250 000–400 000 liber a vysokými provozními náklady. Vzhledem k investičním nákladům asi 100 000 liber a nižším provozním nákladům jsou cenově výhodnější biofiltry, jejich nadměrná velikost však může představovat obtíže.

Na atraktivitě však získává možnost eliminace problému VOC přímo u zdroje nahrazením skořepin na alkoholové bázi systémy na vodní bázi. V níže uvedené případové studii je naznačeno, že přechod mezi těmito systémy nabízí významné úspory nákladů a dokonce další zdokonalení daného procesu.

Tolerance skořepin na vodní bázi ke změnám teploty a vlhkosti během fáze sušení vedla ke 37% snížení objemu vyřazených forem a odlitků – a to navzdory stále přísnějším normám kvality vyžadovaným zákazníky slévárny.

Další úspory vyplývající z vyšší pevnosti skořepin na vodní bázi a potažmo i snížení spotřeby materiálu, míry přepracování a zkrácení dob vyhození vedly k čisté roční úspoře 9 800 000 RUB, což představuje návratnost investice za něco přes dva měsíce. Přechod na skořepiny na vodní bázi také vedl ke vzniku lepšího pracovního prostředí.

Technické problémy, např. zvýšený sklon k tvorbě bublin a větší potíže při dokončování drážek a otvorů v odlitku, byly překonány. Ve zprávě je zdůrazněna potřeba provedení počátečních zkoušek v celém sortimentu výrobků, ale také poznamenáno, že tato technologie „je použitelná v každé slévárně přesného lití na vytavitelný model.“

I přes zjevné výhody systému na vodní bázi někteří specializovaní provozovatelé setrvávají u používání skořepin na alkoholové bázi a v daném odvětví se již nepředpokládá, že by omezení emisí vedla k uzavírání závodů.

PŘÍPADOVÁ STUDIE: Osvědčená technologie REMET a metody k rentabilnímu zlepšování ochrany životního prostředí

Cílem této případové studie je prokázat ekologické a ekonomické výhody přechodu od výrobního systému s keramickými skořepinami na alkoholové bázi na moderní systém REMASOL na vodní bázi.

Tradiční břečky na alkoholové bázi se sice rychle suší nebo alespoň rychle vytvrzují, ale představují určité nevýhody pro životní prostředí a při manipulaci. Alternativou je použití moderních latexem modifikovaných břeček REMASOL.

Moderní výroba skořepin na vodní bázi byla zavedena ve významné komerční slévárně za velmi nízké investiční výdaje. Systém na alkoholové bázi byl nahrazen a tím byla eliminována potřeba investice do zařízení na snižování emisí těkavých organických látek (VOC).

Nový systém také vedl k významným úsporám přímých nákladů, a to především snížením objemu odpadu, ztrát odpařováním břečky, zkrácením dob vyhození, snížením míry přepracování a prakticky odstraněním reliéfu voskového modelu. Mezi další výhody patří možnost zvýšení hmotnosti odlitku, přesnější řízení rozměrů a lepší flexibilita výroby skořepin.

V případové studii je ukázáno, že přechodem na moderní výrobní systém skořepin REMASOL dochází ke značným výhodám, např.:

• Čisté úspory nákladů ve výši téměř 4 900 000 RUB/rok
• Návratnost přibližně za dva měsíce
• Eliminace požadavku na nákladné zařízení ke snižování emisí VOC
• Technologie použitelná v každé slévárně přesného lití na vytavitelný model

Běžná výroba keramických skořepin

Při tradičním způsobu výroby keramických skořepin pro přesné lití na vytavitelný model je nutné určitým způsobem zachytit a snížit množství emisí odpařeného alkoholu z nádrží s břečkou a při sušení skořepin. S břečkami na bázi alkoholu je nutné manipulovat a skladovat je bezpečně, vyžadují kritické řízení teploty a vlhkosti v sušárnách a jsou náchylné ke gelovatění. Pokud se břečka promění v gel, je nepoužitelná a stává se odpadním produktem určeným k likvidaci.

Tradiční metody obalování skořepin na vodní bázi nejsou s takovými problémy pro životní prostředí a při manipulaci spojeny, ale jejich sušení trvá dlouhou dobu. S vývojem a zavedením latexem modifikované břečky na vodní bázi se však doby sušení snížily, takže se nyní blíží dobám u systémů na bázi alkoholu. Navzdory výhodám nového přístupu je přechod k metodám na vodní bázi stále vnímán jako významné obchodní riziko a uskutečnila jej asi pouze třetina sléváren ve východní Evropě, v Ruské federaci a na Ukrajině.

Přechod k metodě na vodní bázi

Moderní techniky obalování skořepiny na vodní bázi se úspěšně používají již od 50. let minulého století. Nicméně, v naší předmětné slévárně bylo v systému primárních obalových vrstev používáno pojivo na bázi koloidního oxidu křemičitého, žáruvzdorný materiál ze zirkonové moučky a zirkonový posyp. Záložní systém se skládal z ethylsilikátového pojiva, žáruvzdorné hmoty z molochitové moučky a z posypového materiálu z molochitu různé jakosti a kalcinovaného koksu. K řízení teploty v obalovně (20 °C ± 2 °C) a relativní vlhkosti (60–70 %) byl použit klimatizační systém a systém vytváření a vstřikování vlhkosti.

Náhradní systém na vodní bázi využívá latexem modifikovaný koloidní oxid křemičitý ve formě Adbond® Advantage značky REMET se zirkonovou moučkou k vytvoření břečky a zirkonového písku na primární obalovou vrstvu.

Vývoj záložní skořepiny nyní končí břečkou na vodní bázi, která je tvořena latexem modifikovaným pojivem REMET REMASOL na bázi koloidního oxidu křemičitého a žáruvzdornou moučkou na bázi křemenného skla REMET. Záložní posypové materiály jsou podobné těm, které se používají v procesu na alkoholové bázi. V celém výrobním procesu skořepiny se používá manipulace robotem a na dopravníku a konzistence břečky je často monitorována.

Změna materiálů si vyžádala změnu podmínek v obalovně.

Optimální sušení nyní probíhá při teplotě 22 °C ± 2 °C a relativní vlhkosti do 50 %.

Původní systém vytváření/vstřikování vlhkosti již není požadován a pohyb sušicího vzduchu byl stimulován zapouzdřením dopravníků a poskytnutím přídavných ventilátorů. Systém REMASOL je celkově tolerantnější ke změnám teploty a vlhkosti.

Někteří zákazníci mohou vyžadovat slévárny, které přešly k systému na vodní bázi, k revalidaci návrhů odlitků. Slévárny, které vyrábějí odlitky o vysoké celistvosti, si musejí být vědomy zvýšených nákladů, které v tomto ohledu pravděpodobně vynaloží.

Vzhledem k tomu, že naše případová studie operuje na komerčním strojírenském trhu, náklady předmětné společnosti na revalidaci návrhů byly minimalizovány testováním generických skupin odlitků.

Počáteční provozní problémy

Úplná výroba skořepin na vodní bázi byla zahájena po sérii úspěšných předvýrobních zkoušek s odlitky, jejichž výroba pomocí obalových systémů na alkoholové bázi se ukázala být obtížnou. Vyskytly se však určité problémy s odlitky, které byly dříve bezproblémové. Při technikách na vodní bázi se například ukázalo, že je obtížnější dokončit drážky a otvory, a vyskytla se vyšší tendence k tvorbě bublin a souvisejících problémů s přebytečným kovem. Tyto obtíže byly zpočátku řešeny prováděním „prvního ponoru“ ručně, nikoli roboticky, a začleněním technik předběžného namáčení.

Aby společnost REMET® překonala potřebu těchto technik, chopila se posléze příležitosti k vyvinutí zdokonaleného pojiva. Touha po neustálém zdokonalování a zvyšování spokojenosti zákazníků a prvotřídní etika zákaznického servisu činí ze společnosti REMET výběrového dodavatele pro takové projekty.

Nový systém také vedl k větším problémům se smršťováním/trháním v důsledku vyšší pevnosti, které byly vyřešeny vylepšeným provedením vtokových kanálů a novými metodami řízení břečky. Tato vyšší pevnost se rovněž paradoxně ukázala být zdrojem největší výhody systému REMASOL – snížení množství obalových vrstev skořepiny a tedy spotřeby materiálu.

Všechny vzniklé potíže byly překonány úpravou obalovacích technik. Vzhledem k těmto poznatkům se ve slévárnách, které přecházejí na systém na vodní bázi, zdůrazňuje potřeba provedení počátečních zkoušek napříč celým sortimentem výrobků.

Výhody pro životní prostředí

• Došlo k výraznému zlepšení v pracovním prostředí v obalovně, což zaměstnanci velmi ocenili.
• Nejsou zapotřebí zařízení ke snižování emisí těkavých organických látek (VOC), a tudíž nevznikají žádné odpadní produkty, které by bylo nutné v těchto zařízeních likvidovat.
• Byly eliminovány problémy gelace související se systémem na bázi alkoholu a tím se dále snížily požadavky na likvidaci odpadu.
• Materiály, které se nyní používají k obalování, nevyžadují zvláštní skladovací prostory ani používání motorů a osvětlení odolných proti plameni.
• Vynikající pevnost skořepin na vodní bázi:
  • umožnila zvýšit maximální hmotnost odlitku asi o 50 % (ze 40 kg na 60 kg);
  • dovolila celkově snížit počet potřebných záložních vrstev asi o 18 %;
  • minimalizovala potřebu zajištění reliéfu vosku u kotle-autoklávu.
  • U dřívějšího primárního systému bylo nutné nanést první záložní vrstvu asi šest hodin po osušení primární vrstvy. U tohoto nového systému je možné pružnější plánování, protože první záložní vrstvu lze nanést kdykoli po osušení primární vrstvy.
  • Byly sníženy problémy s vytékáním a vyboulením.
  • Rozměry odlitků byly sníženy o méně než 0,1 % a úpravu vyžadoval jen velmi malý počet matric voskových modelů. Matrice, které vyžadovaly úpravu, se nacházely v tolerančním limitu a tím byly spojeny s dalšími rozměrovými problémy. Nový proces tedy zajistil nápravu dříve se vyskytujících problémů, které se skrývaly za nízkou rozměrovou schopností systému na alkoholové bázi, a navíc dosažená rozměrová odchylka odlitku byla o 40–60 % nižší než u ekvivalentních odlitků v systémech na alkoholové bázi.
  • Byly eliminovány ztráty odpařováním alkoholu, i když je k nahrazení ztrát odpařováním z břeček na vodní bázi zapotřebí určité množství deionizované vody.
  • Částečná přeměna žáruvzdorného materiálu z křemenného skla na kristobalit po lití vede ke vzniku křehčí skořepiny. Tím se snížily doby vyhození asi o 63 % u otevřených forem a 38 % u těsně uzavřených forem.
  • Došlo ke snížení množství odpadu a objemu přepracování, a to především díky tomu, že proces na vodní bázi lépe snáší výkyvy teplot a vlhkosti v obalovně. U systému na alkoholové bázi měla jakákoli porucha klimatizačního zařízení nebo extrémní povětrnostní podmínky za následek vážné problémy s praskáním skořepin a tedy další náklady na přepracování. Objem vyřazených forem a odlitků celkem klesl o 37 %. A to i navzdory stále náročnějším normám kvality vyžadovaným zákazníky slévárny.
  • Vzhledem k tomu, že doby cyklu dopravníku zcela překračovaly doby sušení vyžadované pro skořepiny REMASOL, při mírně delších dobách sušení v procesu na vodní bázi nevznikly žádné dopady na produktivitu.
  • V jiných slévárnách by nárůst dob sušení mezi vrstvami mohl mít významné důsledky pro výrobu, které však budou do určité míry kompenzovány nižším počtem vyžadovaných vrstev a 30–40% snížením konečné doby sušení u skořepin na vodní bázi.
  • Investiční náklady 125 000 RUB byly vynaloženy na nákup systému deionizované vody, zapouzdření dopravníků a dodání ventilátorů ke zlepšení proudění vzduchu pro sušení.
  • Díky čisté úspoře nákladů převyšující 7 300 000 RUB/rok byla zřejmá doba návratnosti pro tento projekt pouze něco málo přes dva měsíce.
  • Pokud by byl zachován systém obalování skořepin na alkoholové bázi, vznikly by investiční výdaje na zařízení ke snižování emisí v rozmezí 1 250 000 RUB a 3 750 000 RUB společně s ročními provozními náklady v rozmezí 500 000 RUB a 1 250 000 RUB.

Provozní výhody

Ekonomická analýza

Generální ředitel poznamenal: „… naše rozhodnutí přejít ke stávajícímu systému na vodní bázi bylo správné a je důkazem životaschopnosti tohoto systému.“

Závěr

Společnost REMET má dlouholeté zkušenosti v oblasti přechodů ze systémů na alkoholové bázi na systémy na vodní bázi a je v tomto oboru považována za světovou jedničku.

Společnost REMET je přesvědčena o účinnosti, efektivitě a hospodárnosti svých systémů pojiv na vodní bázi. Další informace týkající se řad REMASOL A ADBOND naleznete v naší databázi technických článků na našich přepracovaných webových stránkách, které jsou nyní dostupné v ruštině. Konkrétní požadavky lze projednat se Sergejem Bukrejevem na telefonu +44 1634 226 256 nebo e-mailu sbukreev@remetuk.com.