Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
In
Ŝ
ynieria Maszyn, R. 16, z. 4, 2011
opony, utylizacja, recykling,
water-jet machining, frezowanie
Henryk HOLKA
1
Janusz WEŁNOWSKI
2
NIEKONWENCJONALNA METODA UTYLIZACJI OPON
Zagadnienie utylizacji opon jest jednym z waŜniejszych problemów światowej gospodarki w sferze
ekologicznej. W niniejszej pracy opisano nową, oryginalną technologię utylizacji. W metodzie, nazwanej ze
względu na jej cechy
Rotarex Fast & Easy,
wykorzystano frezowanie. Zaprezentowano narzędzie do obróbki
oraz opisano skonstruowaną i wyprodukowaną maszynę, realizującą tę technologię.
1.WSTĘP
ZuŜyte opony stanowią odpad będący duŜym problemem ekologicznym. Regulacje
prawne wprowadzone w tej dziedzinie oparte są na Dyrektywie 96/61/EC Unii Europejskiej
w sprawie zintegrowanego zapobiegania i kontroli zanieczyszczeń środowiska. Obecnie
w krajach Unii Europejskiej złomuje się 2.600 tys. ton opon samochodowych rocznie.
Liczba ta świadczy o znaczeniu problemu ich utylizacji [1].
Zdecydowana większość zuŜytych opon, około 70%, przeznacza się na spalanie. Jest
to tzw. odzysk energetyczny. Spalanie umoŜliwia uzyskanie stosunkowo duŜych ilości
ciepła, gdyŜ wartość opałowa gumy wynosi 32GJ/Mg i jest zbliŜona do wartości opałowej
węgla. Spalanie przeprowadza się w piecach obrotowych stosowanych w cementowniach
i celulozowniach oraz w kotłach zainstalowanych w elektrociepłowniach. Jest to spalanie
wysokotemperaturowe, gwarantujące małą ilość zanieczyszczeń. W chwili obecnej jest to
w zasadzie najbardziej ekonomiczny sposób zagospodarowywani zuŜytych opon i jak
niektóre analizy wskazują, najbardziej ekologiczny. Cementownie, które spalają zuŜyte
opony w całości lub pocięte mogą zwiększać przyjmowany tonaŜ. Niestety ze względów
logistycznych zbyt daleki i tym samym zbyt kosztowny transport i nie wszystkie opony
udaje się spalić. Pozostałą część naleŜy więc przerobić w inny sposób. W jednym z częściej
realizowanych sposobów opony przerabia się na granulat i jest to tzw. recykling
materiałowy. Wykorzystanie granulatu jest bardzo róŜnorodne, gdyŜ moŜna stosować go
m.in. jako materiał do [2, 3]:
·
nawierzchni obiektów sportowych,
________________
1
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Kaliskiego 7, 85-789 Bydgoszcz
2
Hydrapress Sp. z o.o. ul. Azalowa 23, 86-005 Białe Błota
140
Henryk HOLKA, Janusz WEŁNOWSKI
·
asfaltu wzbogacanego granulatem,
·
elementów wibroizolacji i izolacji akustycznej,
innych wyrobów gumowych.
W skali przemysłowej przeróbkę zuŜytych opon na granulat dokonuje się głównie
realizując metody:
·
·
mechaniczną,
kriogeniczną.
Metoda mechanicznego recyklingu materiałowego polega na dzieleniu opony na
części w kolejnych operacjach:
·
·
rozdrabniania opony na kawałki o wymiarach od 50 do 80mm,
·
strzępienia czyli dalszego rozdrobnienia opony,
·
granulacji,
proszkowania granulatu do wymiarów od 0,15 do 0,8mm.
Oddzielenie stalowego drutu od czystej gumy oraz frakcji tekstylnych w tej
technologii następuje podczas drugiej i trzeciej operacji. NaleŜy jednak zwrócić uwagę na
to, Ŝe koszt budowy tego typu zakładu o duŜej wydajności wynosi około 5 milionów euro.
Ponadto, duŜa wydajność takiego zakładu powoduje „wyczyszczenie opon” z najbliŜszych
okolic, a na efektywność ekonomiczna wpływają dodatkowe koszty dowozu opon
z obszarów odległych.
Druga z wymienionych metod – kriogeniczna polega na zamroŜeniu całych opon do
temperatury ok. -85
o
C a następnie ich rozbiciu na drobne cząsteczki. Powstają pierwsze
zakłady realizujące tę technologię, np. Orzeł S.A. w Ćmiłowie koło Lublina. W porównaniu
do metod mechanicznych metoda ta charakteryzuje się duŜym zapotrzebowaniem energii.
Z powyŜszej, krótkiej analizy stanu zagadnienia wynika potrzeba poszukiwania takiej
metody utylizacji opon, która eliminowałaby lub minimalizowała powyŜej wskazane
niedogodności.
·
2. ALTERNATYWNE METODY RECYKLINGU MATERIAŁOWEGO OPON
2.1.METODA WATER-JET
W Zakładzie Mechaniki Stosowanej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego
w Bydgoszczy od paru lat prowadzone są badania dotyczące opracowania technologii
dekompozycji opon samochodowych za pomocą wysokociśnieniowej strugi wody. Początek
badań nad tą tematyką wiąŜe się ze zgłoszeniem patentowym z roku 2004 i otrzymanym
następnie w roku 2010 patentem [4]. Zaproponowana technologia polega na odcięciu części
bocznych opony, a następnie na obróbce samego bieŜnika. Rozpłaszczony bieŜnik
umieszczano na stole roboczym, po którym rolki napędzające przesuwały bieŜnik pod
głowice robocze. Wypływający z dyszy strumień wody o ciśnieniu powyŜej 200MPa,
uderzając w powierzchnię opony powodował rozdrobnienie gumy i oddzielenie jej od
drutów zbrojenia. Uzyskane w ten sposób cząstki gumy mają średni wymiar ok. 0,15mm
Niekonwencjonalna metoda utylizacji opon
141
i są zupełnie czyste, bez drobin drutu. Jednostkowe zuŜycie energii do napędu pompy
wysokociśnieniowej zasilającej wodą dysze natryskowe wynosi 180kWh/Mg i jest duŜo
mniejsze niŜ w mechanicznym sposobie odzysku gumy z opon.
Wypływający pod duŜym ciśnieniem strumień czystej wody pełni rolę ostrza tnącego.
Prędkość wody, która definiuje energię potrzebną do cięcia gumy, zaleŜna jest od ciśnienia
wytwarzanego przez pompę i od średnicy dyszy. Przykładowe wartości dotyczące tej
zaleŜności przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Prędkość wypływu wody z otworu dyszy o średnicy 1mm przy róŜnych ciśnieniach
Table 1. Speed of water flow from the nozzle hole of 1 mm diameter at different pressures
Ciśnienie
MPa
100
150
200
250
300
Prędkość
wody m/s
313,0
383,4
442,7
495,0
542,2
Na podstawie doświadczeń ustalono, Ŝe efektywna wartość ciśnienia strugi wody
usuwającej gumę wynosi ok.200MPa, co ma duŜy wpływ na koszty zakupu pompy. Drugą
niedogodnością metody jest duŜe zapotrzebowanie wody, wynoszące około 60 l/min, które
wymusza zastosowanie obiegu wtórnego z duŜym zbiornikiem wody. Po wielu próbach
i badaniach zastosowano obrotowe głowice trójdyszowe. Koncepcję maszyny, której
prototyp w wersji z trzema głowicami roboczymi wykonano i zweryfikowano, pokazuje
rysunek 1, a przykładowe rezultaty obróbki na maszynie z trzema głowicami roboczymi
rysunek 2.
1
2
3
4
Rys. 1. Urządzenie do utylizacji opon metodą water-jet: 1 – głowice robocze, 2 – wałki podające,
3 – zbiornik granulatu, 4 – konstrukcja nośna
Fig.1. Device for tire utilization by means of water-jet method: 1 – working heads, 2 – supplying shafts,
2 – granulated product reservoir, 4 – supporting structure
142
Henryk HOLKA, Janusz WEŁNOWSKI
Na uwagę zasługuje kompaktowa konstrukcja urządzenia, dzięki której ma ono małe
gabaryty. Szczegółowy opis metody jak równieŜ konstrukcji urządzenia do utylizacji opon
metoda water-jet zawarty jest w pracy [5].
Rys. 2. Opona po obróbce metodą
Water-jet
Fig.2. The tire after machining using
Water-jet
method
Na rys. 2 widoczne są odkryte druty po usunięciu warstwy gumy. Są one dokładnie
oczyszczone, lecz nieuszkodzone, dzięki czemu uzyskany granulat nie zawiera nawet
śladowych cząstek metalowych.
2.2. METODA ROTAREX FAST & EASY
Przesłanką do poszukiwania nowej metody mechanicznego recyklingu opon, były
pewne mankamenty opisanej powyŜej metody
Water-jet
. Podstawowymi załoŜeniami, które
miały definiować nową technologię i maszynę były:
małe zapotrzebowanie mocy,
duŜa wydajność,
małe gabaryty, aby maszyna była mobilna.
Technologia jaką przyjęto polega na tym, Ŝe 3 lub 4 opony spłaszczone są pod duŜym
ciśnieniem do jednego monolitycznego bloku o wysokości ok. 65mm, który jest następnie
frezowany specjalnym szybkoobrotowym narzędziem. Jest to nowa, oryginalna technologia,
nigdzie jeszcze nie prezentowana. Maszyna o takich cechach konstrukcyjnych
i uŜytkowych (rys.3), realizująca tego typu proces technologiczny nie była dotąd znana.
Dlatego teŜ było to pewnego rodzaju wyzwanie dla konstruktorów.
Opracowano takŜe nowe narzędzie, które przedstawiono na rys. 4. Jest to głowica
składająca się z tarczy z umieszczonymi na jej obwodzie wymiennymi ostrzami
skrawającymi. Prędkość obwodowa tarczy o średnicy 650mm wynosi 80m/s, a szerokość
segmentów skrawających 65mm. Taka postać konstrukcyjna narzędzia została w 2010 roku
opatentowana – P 392203.
W wyniku obróbki podczas jednej operacji rozdrabniania otrzymuje się cząstki gumy
o wymiarach 0,1 do 0,3 mm. W strukturze urządzenia przewidziano urządzenie do separacji
gumy od drutów i materiałów tekstylnych. Do strefy skrawania tłoczone jest powietrze,
które transportuje produkty rozdrabniania do urządzenia separacji wstępnej, a następnie do
filtrocyklonu. W urządzeniach tych następuje oddzielenie produktów rozdrabniania od
powietrza.
Niekonwencjonalna metoda utylizacji opon
143
4
5
3
2
1
Rys. 3. Maszyna do realizacji technologii wg metody
Rotarex Fast & Easy
: 1 – stół z trzpieniem,
2 – docisk hydrauliczny, 3 – narzędzie skrawające, 4 – zasilacz hydrauliczny, 5 – rozdzielacz hydrauliczny
Fig. 3. Machine for method
Rotarex Fast & Easy
realization: 1 – table with mandrel, hydraulic clamp,
3 – cutting tool, 4 – hydraulic feeder, 5 – hydraulic divider
Na podkreślenie zasługuje to, Ŝe całe zaprojektowane urządzenie mieści się
w typowym kontenerze transportowym. Spodziewana wydajność to około 500kg
opon/godz, przy zainstalowanej mocy rzędu 90kW.
Rys. 4. Głowica do frezowania wg. P 392203
Fig. 4. The cutter disk acc. to P 392203
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
Ŝ
ynieria Maszyn, R. 16, z. 4, 2011
opony, utylizacja, recykling,
water-jet machining, frezowanie
Henryk HOLKA
1
Janusz WEŁNOWSKI
2
NIEKONWENCJONALNA METODA UTYLIZACJI OPON
Zagadnienie utylizacji opon jest jednym z waŜniejszych problemów światowej gospodarki w sferze
ekologicznej. W niniejszej pracy opisano nową, oryginalną technologię utylizacji. W metodzie, nazwanej ze
względu na jej cechy
Rotarex Fast & Easy,
wykorzystano frezowanie. Zaprezentowano narzędzie do obróbki
oraz opisano skonstruowaną i wyprodukowaną maszynę, realizującą tę technologię.
1.WSTĘP
ZuŜyte opony stanowią odpad będący duŜym problemem ekologicznym. Regulacje
prawne wprowadzone w tej dziedzinie oparte są na Dyrektywie 96/61/EC Unii Europejskiej
w sprawie zintegrowanego zapobiegania i kontroli zanieczyszczeń środowiska. Obecnie
w krajach Unii Europejskiej złomuje się 2.600 tys. ton opon samochodowych rocznie.
Liczba ta świadczy o znaczeniu problemu ich utylizacji [1].
Zdecydowana większość zuŜytych opon, około 70%, przeznacza się na spalanie. Jest
to tzw. odzysk energetyczny. Spalanie umoŜliwia uzyskanie stosunkowo duŜych ilości
ciepła, gdyŜ wartość opałowa gumy wynosi 32GJ/Mg i jest zbliŜona do wartości opałowej
węgla. Spalanie przeprowadza się w piecach obrotowych stosowanych w cementowniach
i celulozowniach oraz w kotłach zainstalowanych w elektrociepłowniach. Jest to spalanie
wysokotemperaturowe, gwarantujące małą ilość zanieczyszczeń. W chwili obecnej jest to
w zasadzie najbardziej ekonomiczny sposób zagospodarowywani zuŜytych opon i jak
niektóre analizy wskazują, najbardziej ekologiczny. Cementownie, które spalają zuŜyte
opony w całości lub pocięte mogą zwiększać przyjmowany tonaŜ. Niestety ze względów
logistycznych zbyt daleki i tym samym zbyt kosztowny transport i nie wszystkie opony
udaje się spalić. Pozostałą część naleŜy więc przerobić w inny sposób. W jednym z częściej
realizowanych sposobów opony przerabia się na granulat i jest to tzw. recykling
materiałowy. Wykorzystanie granulatu jest bardzo róŜnorodne, gdyŜ moŜna stosować go
m.in. jako materiał do [2, 3]:
·
nawierzchni obiektów sportowych,
________________
1
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Kaliskiego 7, 85-789 Bydgoszcz
2
Hydrapress Sp. z o.o. ul. Azalowa 23, 86-005 Białe Błota
140
Henryk HOLKA, Janusz WEŁNOWSKI
·
asfaltu wzbogacanego granulatem,
·
elementów wibroizolacji i izolacji akustycznej,
innych wyrobów gumowych.
W skali przemysłowej przeróbkę zuŜytych opon na granulat dokonuje się głównie
realizując metody:
·
·
mechaniczną,
kriogeniczną.
Metoda mechanicznego recyklingu materiałowego polega na dzieleniu opony na
części w kolejnych operacjach:
·
·
rozdrabniania opony na kawałki o wymiarach od 50 do 80mm,
·
strzępienia czyli dalszego rozdrobnienia opony,
·
granulacji,
proszkowania granulatu do wymiarów od 0,15 do 0,8mm.
Oddzielenie stalowego drutu od czystej gumy oraz frakcji tekstylnych w tej
technologii następuje podczas drugiej i trzeciej operacji. NaleŜy jednak zwrócić uwagę na
to, Ŝe koszt budowy tego typu zakładu o duŜej wydajności wynosi około 5 milionów euro.
Ponadto, duŜa wydajność takiego zakładu powoduje „wyczyszczenie opon” z najbliŜszych
okolic, a na efektywność ekonomiczna wpływają dodatkowe koszty dowozu opon
z obszarów odległych.
Druga z wymienionych metod – kriogeniczna polega na zamroŜeniu całych opon do
temperatury ok. -85
o
C a następnie ich rozbiciu na drobne cząsteczki. Powstają pierwsze
zakłady realizujące tę technologię, np. Orzeł S.A. w Ćmiłowie koło Lublina. W porównaniu
do metod mechanicznych metoda ta charakteryzuje się duŜym zapotrzebowaniem energii.
Z powyŜszej, krótkiej analizy stanu zagadnienia wynika potrzeba poszukiwania takiej
metody utylizacji opon, która eliminowałaby lub minimalizowała powyŜej wskazane
niedogodności.
·
2. ALTERNATYWNE METODY RECYKLINGU MATERIAŁOWEGO OPON
2.1.METODA WATER-JET
W Zakładzie Mechaniki Stosowanej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego
w Bydgoszczy od paru lat prowadzone są badania dotyczące opracowania technologii
dekompozycji opon samochodowych za pomocą wysokociśnieniowej strugi wody. Początek
badań nad tą tematyką wiąŜe się ze zgłoszeniem patentowym z roku 2004 i otrzymanym
następnie w roku 2010 patentem [4]. Zaproponowana technologia polega na odcięciu części
bocznych opony, a następnie na obróbce samego bieŜnika. Rozpłaszczony bieŜnik
umieszczano na stole roboczym, po którym rolki napędzające przesuwały bieŜnik pod
głowice robocze. Wypływający z dyszy strumień wody o ciśnieniu powyŜej 200MPa,
uderzając w powierzchnię opony powodował rozdrobnienie gumy i oddzielenie jej od
drutów zbrojenia. Uzyskane w ten sposób cząstki gumy mają średni wymiar ok. 0,15mm
Niekonwencjonalna metoda utylizacji opon
141
i są zupełnie czyste, bez drobin drutu. Jednostkowe zuŜycie energii do napędu pompy
wysokociśnieniowej zasilającej wodą dysze natryskowe wynosi 180kWh/Mg i jest duŜo
mniejsze niŜ w mechanicznym sposobie odzysku gumy z opon.
Wypływający pod duŜym ciśnieniem strumień czystej wody pełni rolę ostrza tnącego.
Prędkość wody, która definiuje energię potrzebną do cięcia gumy, zaleŜna jest od ciśnienia
wytwarzanego przez pompę i od średnicy dyszy. Przykładowe wartości dotyczące tej
zaleŜności przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Prędkość wypływu wody z otworu dyszy o średnicy 1mm przy róŜnych ciśnieniach
Table 1. Speed of water flow from the nozzle hole of 1 mm diameter at different pressures
Ciśnienie
MPa
100
150
200
250
300
Prędkość
wody m/s
313,0
383,4
442,7
495,0
542,2
Na podstawie doświadczeń ustalono, Ŝe efektywna wartość ciśnienia strugi wody
usuwającej gumę wynosi ok.200MPa, co ma duŜy wpływ na koszty zakupu pompy. Drugą
niedogodnością metody jest duŜe zapotrzebowanie wody, wynoszące około 60 l/min, które
wymusza zastosowanie obiegu wtórnego z duŜym zbiornikiem wody. Po wielu próbach
i badaniach zastosowano obrotowe głowice trójdyszowe. Koncepcję maszyny, której
prototyp w wersji z trzema głowicami roboczymi wykonano i zweryfikowano, pokazuje
rysunek 1, a przykładowe rezultaty obróbki na maszynie z trzema głowicami roboczymi
rysunek 2.
1
2
3
4
Rys. 1. Urządzenie do utylizacji opon metodą water-jet: 1 – głowice robocze, 2 – wałki podające,
3 – zbiornik granulatu, 4 – konstrukcja nośna
Fig.1. Device for tire utilization by means of water-jet method: 1 – working heads, 2 – supplying shafts,
2 – granulated product reservoir, 4 – supporting structure
142
Henryk HOLKA, Janusz WEŁNOWSKI
Na uwagę zasługuje kompaktowa konstrukcja urządzenia, dzięki której ma ono małe
gabaryty. Szczegółowy opis metody jak równieŜ konstrukcji urządzenia do utylizacji opon
metoda water-jet zawarty jest w pracy [5].
Rys. 2. Opona po obróbce metodą
Water-jet
Fig.2. The tire after machining using
Water-jet
method
Na rys. 2 widoczne są odkryte druty po usunięciu warstwy gumy. Są one dokładnie
oczyszczone, lecz nieuszkodzone, dzięki czemu uzyskany granulat nie zawiera nawet
śladowych cząstek metalowych.
2.2. METODA ROTAREX FAST & EASY
Przesłanką do poszukiwania nowej metody mechanicznego recyklingu opon, były
pewne mankamenty opisanej powyŜej metody
Water-jet
. Podstawowymi załoŜeniami, które
miały definiować nową technologię i maszynę były:
małe zapotrzebowanie mocy,
duŜa wydajność,
małe gabaryty, aby maszyna była mobilna.
Technologia jaką przyjęto polega na tym, Ŝe 3 lub 4 opony spłaszczone są pod duŜym
ciśnieniem do jednego monolitycznego bloku o wysokości ok. 65mm, który jest następnie
frezowany specjalnym szybkoobrotowym narzędziem. Jest to nowa, oryginalna technologia,
nigdzie jeszcze nie prezentowana. Maszyna o takich cechach konstrukcyjnych
i uŜytkowych (rys.3), realizująca tego typu proces technologiczny nie była dotąd znana.
Dlatego teŜ było to pewnego rodzaju wyzwanie dla konstruktorów.
Opracowano takŜe nowe narzędzie, które przedstawiono na rys. 4. Jest to głowica
składająca się z tarczy z umieszczonymi na jej obwodzie wymiennymi ostrzami
skrawającymi. Prędkość obwodowa tarczy o średnicy 650mm wynosi 80m/s, a szerokość
segmentów skrawających 65mm. Taka postać konstrukcyjna narzędzia została w 2010 roku
opatentowana – P 392203.
W wyniku obróbki podczas jednej operacji rozdrabniania otrzymuje się cząstki gumy
o wymiarach 0,1 do 0,3 mm. W strukturze urządzenia przewidziano urządzenie do separacji
gumy od drutów i materiałów tekstylnych. Do strefy skrawania tłoczone jest powietrze,
które transportuje produkty rozdrabniania do urządzenia separacji wstępnej, a następnie do
filtrocyklonu. W urządzeniach tych następuje oddzielenie produktów rozdrabniania od
powietrza.
Niekonwencjonalna metoda utylizacji opon
143
4
5
3
2
1
Rys. 3. Maszyna do realizacji technologii wg metody
Rotarex Fast & Easy
: 1 – stół z trzpieniem,
2 – docisk hydrauliczny, 3 – narzędzie skrawające, 4 – zasilacz hydrauliczny, 5 – rozdzielacz hydrauliczny
Fig. 3. Machine for method
Rotarex Fast & Easy
realization: 1 – table with mandrel, hydraulic clamp,
3 – cutting tool, 4 – hydraulic feeder, 5 – hydraulic divider
Na podkreślenie zasługuje to, Ŝe całe zaprojektowane urządzenie mieści się
w typowym kontenerze transportowym. Spodziewana wydajność to około 500kg
opon/godz, przy zainstalowanej mocy rzędu 90kW.
Rys. 4. Głowica do frezowania wg. P 392203
Fig. 4. The cutter disk acc. to P 392203