Исследование обогащения и регенерации формовочных материалов с использованием центробежно–лопаточных машин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. Литейное производство является заготовительной базой машиностроения, при этом самым материалоемким процессом в нем является формообразование. Так, при производстве 1 т отливок, расход формовочных материалов составляет 5--7 т. Кварцевый песок является основой для получения формовочных и стержневых смесей, поэтому для получения высококачественной смеси необходимо большое внимание уделять его очистке от различного рода загрязнений и инертных плен. Основное количество кварцевых песков в отрасли идет на изготовление жидкостекольных смесей различного назначения, с использованием которых производится треть всех отливок.

Одним из направлений в обеспечении литейного производства качественными песками является их регенерация из отработанных формовочных и стержневых смесей. Основное назначение регенерации состоит в восстановлении зерновой структуры и свойств наполнителей отработанных смесей.

Возможность многократного использования восстановленного песка позволяет реализовать малоотходную технологию формообразования и существенно снизить затраты на производство. Вместе с тем, процессы очистки сыпучих материалов являются очень энергоемкими и неэкологичными, поэтому затраты на энергоносители и природоохранные мероприятия являются одними из основных статей расхода в обогатительном производстве.

Кроме того, развитие средств регенерации стимулируется ростом цен на свежие формовочные пески, постоянным увеличением стоимости их транспортировки, ужесточением санитарных норм на хранение сыпучих материалов, а также повышением затрат на утилизацию отработанных смесей.

Другим важным направлением улучшения потребительских свойств кварцевых песков является их обогащение, т.е. очистка поверхности частиц песка от природных загрязнений и примесей. Обработка песка такого рода позволяет существенно поднять механическую прочность формовочных и стержневых смесей, изготовленных на его основе. При этом количество связующего остаётся неизменным или даже может быть уменьшено, что даёт значительный экономический эффект. Процессы регенерации смесей и обогащения песков близки, поэтому рассматриваться они будут совместно.

Таким образом, актуальность данной диссертационной работы подтверждается тем, что в настоящее время развитию технологий очистки формовочных песков уделяется все большее внимание.

Цель работы. В результате анализа различных источников (периодические издания, научно-техническая и патентная информация), был сделан вывод, что предлагаемое техническое решение по использованию центробежно-лопаточного принципа обработки сыпучих материалов для обогащения кварцевых песков, является новым (новизна способа была подтверждена патентом РФ), и систематических исследований по данной проблеме нет.

Поэтому цель данной диссертационной работы - разработать и провести комплексное исследование технологии очистки зерен сыпучих материалов от поверхностных загрязнений с использованием центробежно - лопаточных машин.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать элементы теории использования центробежно-лопаточного способа обработки при сухом истирании поверхности частиц кварцевого песка.

2. Спроектировать и изготовить опытную установку, в которой реализован центробежно-лопаточный принцип обработки сыпучих материалов.

3. Разработать физическую и математическую модели взаимодействия частиц сыпучих материалов во время обработки в центробежно-лопаточной оттирочной машине (ЦЛОМ).

4. Выявить основные параметры качества очистки зерен обработанных песков от загрязнений.

5. Определить технологические режимы обработки формовочных песков в ЦЛОМ и провести их практическую апробацию, а также оценить их влияние на параметры качества очистки.

Направление исследований. Основными направлениями исследований являются:

1. Изучение влияния механических воздействий во время центробежно-лопаточной обработки песков на их гранулометрический состав.

2. Исследование качества очистки сыпучих материалов при их обработке в ЦЛОМ с точки зрения изменения прочности адгезионных связей между связующим и поверхностью частиц песков при их использовании в качестве наполнителей ХТС.

Методы исследований. При проведении комплексного гранулометрического анализа песков были использованы как хорошо известные методики исследований (в частности метод ситового анализа при помощи стандартизованных сит по ГОСТ 23409.24 - 78)., так и вновь разработанные автором методики электронного анализа гранулометрических параметров структуры зернистых материалов, реализованные в прикладной программе «GRANULA».

Достоверность и обоснованность полученных результатов

- достигается корректным применением основных положений трибологии при рассмотрении процессов контактного взаимодействия частиц сыпучих материалов при их обработке в ЦЛОМ., использованием регламентированных ГОСТами методик исследования, применением сертифицированного по международным стандартам оборудования, проверкой результатов исследований обработанных материалов в независимой лаборатории;

- подтверждается соответствием результатов расчетов теоретической модели с эмпирическими данными лабораторных исследований, а также с результатами промышленной апробации данного способа.

На защиту выносятся:

1. Основы теории и технологии регенерации и обогащения формовочных песков в ЦЛОМ.

2. Аналитическое уравнение влияния технических и технологических параметров обработки на её качество;

3. Методика комплексной гранулометрической оценки состава песков на основе компьютерного анализа электронного изображения монослоя сыпучего материала.

4. Практические результаты исследований.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. Используя результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований, разработаны основы новой технологии обработки кварцевых песков с применением центробежно-лопаточной машины.

2. Исходя из анализа механики процессов обработки в ЦЛОМ, была предложена физическая модель взаимодействия частиц сыпучих материалов. На её основе было выведено аналитическое уравнение комплексного влияния технических и технологических параметров обработки, физических свойств материала пленки поверхностного загрязнения, а также природы её происхождения на качество очистки.

3. Была разработана методика компьютерного анализа монослоя песка для определения параметров его зерновой структуры.

Практическая ценность данной работы:

1. Для научной деятельности - заложены основы для дальнейшего развития данного способа регенерации и обогащения сыпучих материалов.

2. Для промышленного применения - разработан и опробован новый высокоэффективный способ регенерации и обогащения кварцевых и других видов песков. Были определены основные технологические режимы обогащения формовочных песков, позволяющие увеличить механическую прочность смесей, приготовленных на их основе.

3. Для учебного процесса - спроектирована и изготовлена лабораторная ЦЛОМ, используемая на кафедре МЛС РГАТА при выполнении лабораторных работ и дипломного проектирования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были опубликованы в материалах различных конференций, а также в отраслевых периодических изданиях.

Исследовательская работа выполнялась в рамках НИР по гранту программы министерства высшего образования в 2003 - 2004 годах.

По теме диссертации выполнялись совместные исследования с НПО "САТУРН" и ООО «СИЛАР».

Личный вклад автора состоит:

1. В разработке аналитической модели взаимодействия частиц сыпучих материалов во время их механической обработки в ЦЛОМ и в её практическом исследовании

2. В разработке прикладной программы «GRANULA» для автоматизации гранулометрического анализа структуры песков;

3. В проектировании и изготовлении лабораторной центробежно-лопаточной оттирочной машины;

4. В разработке технологических режимов обогащения формовочных песков и оценке их эффективности.

1. Анализ существующих технологий и оборудования для регенерации и обогащения кварцевых песков

сыпучий центробежный литейный формовочный

В настоящее время известно несколько основных способов регенерации: термическая, гидравлическая, механическая, (частный случай механической - пневматическая), а также комбинированные методы. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Так термический способ регенерации с помощью нагрева обрабатываемого материала в печах кипящего слоя имеет высокую степень очистки, но эффективен он только для горючих пленок связующих. Кроме того, происходит частичное разрушение зерен песков вследствие температурных деформаций. Также недостатком данного способа является высокая энергоемкость данной технологии, и необходимость использования защитных мер для экологической безопасности процесса.

Очистка с помощью воды широко применяется при обогащении природных кварцевых песков для применения в стекольном и литейном производстве. Достоинствами этой технологии является высокое качество очистки песков и экологичность процесса (отсутствие пыли при оттирке). Кроме того, при использовании данного способа существует возможность совмещения очистки и транспортировки песка к месту дальнейшей обработки (например, от карьера к ГОКу). Однако у этого метода есть и существенные недостатки. В первую очередь он эффективен только для водорастворимых пленок связующих. Кроме того, использование воды в качестве средства удаления поверхностных загрязнений приводит к необходимости использования больших площадей под бассейны и отстойники, а также к затратам большого количества энергии на сушку обработанного материала.

Несомненным достоинством комбинированного способа регенерации является увеличение числа воздействующих на частицы песка факторов, что повышает эффективность и качество очистки. Однако это ведет к усложнению конструкции оборудования и увеличению энергозатрат на осуществление данной технологии очистки.

А.А. Шпектор приводит соотношение экономических показателей для различных процессов регенерации. Уровни стоимости регенерата в зависимости от затрат на его производство:

- механическая одноступенчатая (например, с использованием молотковых дробилок) -- 70%;

- механическая двухступенчатая (молотковые дробилки и шаровые мельницы) -- 100%;

- пневматическая -- 150 -- 170%;

- термическая -- 190 -- 220%;

- гидравлическая с оборотом воды -- 220 -- 300 %;

- условная сравнительная стоимость свежего песка 300 -- 350%, а с учетом затрат на транспортировку и хранение -- 450 -- 500%.

Таким образом, из приведенных данных видно, что механические методы являются самыми простыми и экономичными, комбинированные -- наиболее сложными и дорогостоящими.

Механический способ регенерации и обогащения характеризуется различными вариантами силовых воздействий на частицы песков при очистке их поверхности. Так ударные воздействия присущи пневматическим установкам и дезинтеграторам, при оттирке с помощью вибрации основу составляют фрикционные взаимодействия частиц и рабочих органов машин, а для наиболее эффективных способов очистки - роторного и центробежно-лопаточного - комбинированные воздействия.

По результатам анализа принципов действия серийного оборудования, применяемого для оттирки формовочных материалов, можно сделать вывод, что основная задача такого оборудования - создать как можно более интенсивное взаимодействие частиц песка между собой, а также с рабочими органами машин, причем интенсивность взаимодействия тем выше, чем:

- больше сила, с которой прижимаются песчинки друг к другу при фрикционном взаимодействии;

- выше относительная скорость частиц при ударном взаимодействии;

- большее количество раз произойдут взаимодействия отдельных частиц, как между собой, так и с рабочими органами машин.

Наибольший интерес в этом направлении представляет центробежно-лопаточный способ обработки сыпучих материалов, разработанный на кафедре МЛС РГАТА. Сущность этого способа заключается в том, что при обработке кварцевого песка во вращающейся камере, центробежная сила прижимает слой материала к стенке камеры. Далее неподвижная лопатка срезает слой материала. При его движении по лопатке происходит относительное скольжение слоев, что создает условия для интенсивного фрикционного взаимодействия частиц. Однако данный способ исследован применительно к смешиванию сыпучих материалов и изготовлению на их основе формовочных смесей. При этом силы трения направлены на равномерное распределение слоя связующего по поверхности частиц песка. Это процесс обусловлен жидкой природой связующего, его адгезионными свойствами, способностью образовывать тонкий поверхностный слой.

Применительно к процессам обработки сухих сыпучих материалов данный метод исследован не был, хотя есть все предпосылки для его эффективного применения в этом направлении.

2. Постановка основных задач исследований

Вторая глава состоит из трех частей.

В первой рассмотрены вопросы разработки конструкции лабораторной центробежно-лопаточной машины, методики расчета её основных частей и выбора электродвигателя привода. Приводится описание работы машины, её конструктивные особенности и меры по обеспечению безаварийной эксплуатации. При проектировании использовались как хорошо известные методики (представлены в работах А.И.Горского, А.О. Спиваковского и др ), так и оригинальные программные продукты, предназначенные для расчета привода установок, использующих центробежно-лопаточный принцип обработки сыпучих материалов. В конце первой части приводятся технические характеристики вновь созданной ЦЛОМ.

Во второй части кратко рассмотрены существующие методики гранулометрического анализа сыпучих материалов. Они делятся на два вида: с использованием механического процесса разделения зерен по фракциям (ГОСТ 23409.24 - 78) и анализа размера зерен по электронным фотографиям (методика Г. Шиммеля). Каждая из методик имеет свои недостатки, в частности значительную трудоемкость и, как следствие, большие затраты времени на проведение исследований.

Автором была развита методика получения данных о гранулометрическом распределении исследуемого материала по его электронным фотографиям и на её основе разработана специализированная программа «GRANULA». Её описание приводится в третьей части второй главы. В настоящее время программные продукты такого рода достаточно широко представлены на рынке, однако их высокая стоимость существенно ограничивает круг пользователей.

Автором была также предложена новая методика получения монослоя исследуемого материала, которая призвана получить как можно более тонкий слой песка (в идеале толщиной в одну песчинку). Качественные снимки монослоя исследуемого материала являются одним из основных условий получения результатов электронной гранулометрии, адекватных результатам, полученных традиционными методами.

Особенностью программы является попытка оценить полученное фракционное распределение на соответствие «идеальному». Под «идеальным» понимается такое распределение, при котором количество пустот между зерен песка при самой плотной укладке сведено к минимуму. При подобной укладке достигается максимальная механическая прочность формовочной смеси, приготовленной на основе такого песка.

Рис. 1

3. Основные процессы силовых взаимодействий частиц сыпучих материалов, происходящих на различных этапах движения обрабатываемой смеси в барабане рабочей камеры ЦЛОМ

Показано, что эти взаимодействия делятся на три основных вида:

1. Фрикционные, присутствуют в той или иной степени на всех этапах движения, но их наибольшая интенсивность наблюдается на участках III и IV.

2. Взаимодействие при статической нагрузке сторонними силами. Этот вид присущ II этапу движения, а нагрузкой является центробежная сила, возникающая при вращении барабана рабочей камеры ЦЛОМ.

3. Ударные взаимодействия происходят в основном на этапе соударения движущихся частиц обрабатываемого материала с неподвижной лопаткой (участок III), а также в меньшей степени в конце участка V, при скользящем ударе свободно летящих частиц со стенкой барабана.

Было определено, что процесс истирания поверхностей частиц песка при обработке в ЦЛОМ играет основную роль в их очистке от загрязнений в виде инертных пленок. Поэтому большое значение имеет напряженность фрикционного контакта взаимодействующих тел, а также интенсивность изнашивания их поверхностей. Эти значения напрямую зависят от технологических параметров обработки сыпучих материалов в ЦЛОМ. В частности, напряженность зависит от скорости вращения рабочей камеры машины, а интенсивность - от напряженности контакта и общего времени обработки.

На основе анализа взаимодействий была разработана физическая модель удаления загрязнений с поверхности зерен песков при их обработке в ЦЛОМ.

Рис. 2. Взаимодействие частиц: 1 - стенка барабана рабочей камеры ЦЛОМ; 2 - неподвижная лопатка; 3 - взаимодействующие частицы обрабатываемого материала

При этом были внесены следующие ограничения:

1. Форма взаимодействующих частиц - сферическая, диаметры частиц и модули упругости материала - одинаковые, укладка зерен - кубическая.

2. Удаление поверхностных пленок происходит только за счет усталостного разрушения при изнашивании. Ударные взаимодействия частиц создают хрупкие разрушения, ослабляющие когезионные связи и облегчающие образование моля, но эрозия материала при этом в данной модели не учитывается.

3. Взаимодействие частиц происходит в два этапа: на первом (при движении совместно со стенками барабана рабочей камеры), происходит их сжатие между собой с усилием направленным по нормали к площади взаимодействия, на втором (при соударении с неподвижной лопаткой) - за счет сдвиговых деформаций происходит образование моля.

Рис. 3. Схема удаления поверхностной пленки загрязнения: 1 - частица обрабатываемого материала; 2 - шаровой сегмент (радиусом a и высотой h) пленки поверхностного загрязнения, удаляемого за 1 взаимодействие частиц; 3 - пленка поверхностного загрязнения

Инертная пленка распределена по поверхности частиц равномерным слоем.

На основе физической модели, с использованием основных положений трибологии, была разработана математическая модель процесса очистки поверхности частиц сыпучих материалов при их обработке в ЦЛОМ. В результате была выявлена аналитическая зависимость времени обработки, за которое полностью удаляется пленка поверхностного загрязнения от комплексного влияния технических и технологических параметров обработки, физических свойств материала пленки поверхностного загрязнения, а также природы её происхождения.

где D - диаметр частицы, м;

- рецептурный коэффициент;

н - частота вращения барабана рабочей камеры, об/с;

k - координационное число (число контактов между частицами);

ш- комплексная величина, учитывающая влияние свойств частицы обрабатываемого материала, а также радиального размера барабана рабочей камеры ЦЛОМ и количество обрабатываемого материала:

где Е - модуль Юнга обрабатываемого материала, Па;

с - плотность частиц обрабатываемого материала, кг/м3;

Rрк - радиус барабана рабочей камеры, м;

rвн - внутренний радиус слоя одновременно обрабатываемой дозы смеси, м;

м - коэффициент Пуассона обрабатываемого материала.

4. Результаты различных экспериментальных исследований

Так в первой части с помощью средств математической статистики было показано, что данные о процентном содержании зерен песка разных фракций, полученные по различным методикам (электронной и традиционной), принадлежат к одной генеральной совокупности. Поэтому можно сделать вывод о том, что гранулометрический анализ песка по электронным фотографиям позволяет получить достоверные данные о его зерновой структуре.

Далее исследуются изменения значений прямого (средний размер зерна) и косвенного (механическая прочность ХТС, приготовленных на основе обработанных песков) параметров очистки зерен песка от поверхностных загрязнений при различных технологических режимах их обработки в центробежно-лопаточной оттирочной машине.

Для прямого параметра показано, что на всех режимах происходит интенсивная механическая обработка песка, что приводит к уменьшению среднего размера его зерен за счет их поверхностного истирания. Вместе с тем такие параметры гранулометрического распределения как коэффициент сортировки и коэффициент ассиметрии остаются практически неизменными, что позволяет говорить о появлении так называемого фракционного сдвига, когда за счет механического воздействия на частицы песка происходит их частичное сглаживание и измельчение. При этом увеличивается процентное содержание мелких фракций за счёт более крупных.

Оценка изменения косвенного параметра очистки показала увеличение механической прочности ХТС, приготовленных на основе обработанных песков от 3 до 5 раз. Отсюда можно сделать вывод, что механическая обработка формовочных песков в центробежно-лопаточной оттирочной машине существенно улучшает адгезию связующих материалов к поверхности их частиц.

Чтобы найти зависимость и оценить степень влияния технологических факторов обработки на вызывающее ими изменение прямых и косвенных параметров очистки, с помощью методов математической статистики были получены соответствующие уравнения эмпирической регрессии.

Анализ графиков (рис. 4 и рис. 5) показал, что основное влияние на изменение прямых и косвенных параметров очистки оказывает увеличение времени обработки, в то время как зависимость этих параметров от скорости вращения барабана рабочей камеры центробежно-лопаточной оттирочной машины значительно меньше. Этот вывод был подтвержден и результатами двухфакторного дисперсионного анализа эмпирических данных.

Рис. 4. Зависимость Dср от технологических параметров обработки

Рис. 5. Зависимости усж от технологических параметров обработки усж = 587,147 + 0,4381н + 14,47ф

Одним из наиболее достоверных способов оценки качества очистки песков, является визуальный осмотр поверхности зерен с помощью электронного микроскопа. Такие работы были проведены на кафедре МЛС РГАТА. На рис.6а приведен снимок необработанного песка. Хорошо видны как поверхностные загрязнения, так и большое количество мелких частиц в межзерновом пространстве. Фотография этого же песка после обработки приведена на рис.6б Очевидно, что указанные загрязнения практически полностью отсутствуют.

Рис. 6. Фотографии зерен кварцевых песков (х500, электронный микроскоп)

5. Результаты использования установок, использующих центробежно-лопаточный принцип обработки для промышленного обогащения кварцевого песка

Создание этого оборудования происходило в рамках договорных работ, в которых автор принимал непосредственное участие. В главе приведены конструкции и краткие технические характеристики устройств. Эффекты очистки, полученные при испытаниях данного оборудования в целом совпадают с результатами, полученными на лабораторной центробежно-лопаточной оттирочной машине.

В заключительной части главы рассматривается применение результатов работы в учебном процессе на кафедре МЛС РГАТА.

Заключение

1. Разработаны основы теории и определены технологические режимы обогащения и регенерации формовочных песков в центробежно-лопаточных машинах, с использованием которых создано лабораторное и промышленное оборудование, обладающие малыми циклом обработки, установленной мощностью и компактностью, обеспечивающее получение песков качественных марок.

2. Разработана физико - математическая модель процесса обогащения формовочных песков в опытной оттирочной машине, учитывающая влияние свойств обрабатываемых материалов и условий процесса центробежно-лопаточной оттирки, позволяющая выполнять анализ рабочих процессов.

3. Разработана методика определения зернового состава песков с использованием цифровой фототехники и авторской прикладной программы «GRANULA», существенно сокращающая трудоемкость и время проведения гранулометрического анализа.

4. Получены уравнения регрессии, устанавливающие связь между параметрами качества очистки песка (средним размером зерна обработанного песка и механической прочностью ХТС на его основе) и режимами центробежно-лопаточной обработки.

5. Показана возможность использования в литейном производстве местных песков, добываемых в Рыбинском районе (Назаровский карьер) после их обогащения в центробежно - лопаточной оттирочной машине.

Литература

1. Серебряков, С.П. Центробежно - лопаточный принцип регенерации и активации формовочных песков. [Текст] / Серебряков С.П., Афанасьев А.Г, Попков К.Н.// «Литейное производство», 2005. - №12. - С.15 - 18.

2. Попков, К.Н. Характеристики литейных смесителей [Текст]/ Попков К.Н., Бардинов Е.М.// Сборник тезисов докладов. Научная конференция молодых ученых, - г. Тула, ТТУ, 2004 г, - С.35-36

3. Серебряков, С.П. Центробежно-лопаточная обработка формовочных песков и смесей [Текст]/ Серебряков С.П, Афанасьев А.Г, Попков К.Н. // Сборник тезисов докладов конференции «Новые материалы и технологии» - г. Москва, МАТИ, 2004г, - С.85-86.

4. Попков, К.Н. Использование центробежно-лопаточного принципа обработки сыпучих материалов при регенерации формовочных песков [Текст]/ Попков К.Н., Соколова А.В., Редькин И.А.// XXXI Гагаринские чтения. Тезисы докладов научно - технической конференции. Москва, МАТИ, 2005 - С.112-113

5. Серебряков, С.П. Разработка теории и машин для межотраслевых технологий центробежно-лопаточной обработки многофазных масс [Текст]/ Серебряков, С.П., А.Г. Афанасьев, Л.В. Березина, К.Н. Попков, Е.М. Бардинов // Отчет о научно - исследовательской работе. Рыбинск, РГАТА, 2005 год.

6. Попков, К.Н. Программа автоматизации гранулометрического анализа формовочных песков GRANULA.[Текст]/ Попков К.Н. // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2007. - N9. - С.65.

7. Попков, К.Н. Комплексный анализ гранулометрического состава с помощью компьютерной обработки фотоснимков монослоя формовочного песка. [Текст] / Попков К.Н// Материалы Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», 2007. - Рыбинск, РГАТА - Т 2, - С. 214-218

8. Патент № 2274494 Российская федерация, Способ обогащения кварцевого песка [Текст]/ Серебряков С.П.(RU), Калинин Н.А. (RU), Попков К.Н. (RU), Афанасьев А.Г. (RU) - заявитель ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева (RU); № 2004111202; заявл. 12.04.2004. - 6 с.

Размещено на Allbest.ru