автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование технологии приготовления формовочных и стержневых смесей в центробежно-лопаточном смесителе

ВВЕДЕНИЕ.:.

1. СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

1.1. Влияние свойств стержневых и формовочных смесей на качество отливок.

1.2. Определение гранулометрического состава смеси.

1.3. Прочность формовочных и стержневых смесей и методы ее обеспечения.

1.4. Оценка качества смесеприготовления.

1.5. Методы анализа рабочих процессов в смесителях.

1.6. Сравнение различных способов смесеприготовления.

1.7. Задачи исследований.

V * *• ■ - * V * -у»

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНО - ЛОПАТОЧНОМ СМЕСИТЕЛЕ.

2.1. Установка для исследования взаимодействия смеси и неподвижной лопатки ЦЛС.

2.2. Смеситель для выполнения опытных работ.

2.3. Анализ структуры материала по электронным микрофотографиям.

2.4. Выводы.

3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЦЕНТРОБЕЖНО - ЛОПАТОЧНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ.

3.1. Анализ движения потока смеси в ЦЛС.

3.2. Расчет сил действующих на лопатку в ЦЛС.

3.3. Модель послойного движения смеси по лопатке в ЦЛС.

3.4. Определение кратности обработки смеси в ЦЛС.

3.5. Анализ процесса обработки смеси в бегунах.

3.6. Программное обеспечение анализа обработки смеси в смесеприготовительных агрегатах.

3.6.1. Программа для расчета параметров движения смеси по лопатке ЦЛС.

3.6.2. Программа для расчета параметров обработки смеси в бегунах.

3.7. Выводы.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЦЛ -СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Тарировка силоизмерительной установки.

4.2. Обработка кварцевого песка в ЦЛС.

4.2.1. Исследование влияния количества жидкости на процесс обработки песка в ЦЛС.

4.2.2. Исследование влияния режимов смешивания на структуру песка

4.2.3. Регрессионный анализ распределения зерен песка по фракциям.

4.2.4. Сравнение методов определения гранулометрического состава песка.

4.3. Исследование силы, действующей на лопатку в ЦЛС.

4.4. Приготовление формовочных и стержневых смесей в ЦЛС.

4.4.1. Приготовление смесей на основе рецептур АО

Рыбинские моторы".

4.4.2. Экспериментальное определение оптимального состава и режима приготовления формовочной смеси для магниевого литья.

4.4.3. Статистическая обработка результатов приготовления смеси для магниевого литья.

4.4.4. Приготовление формовочных и стержневых смесей на базе АОВМЗ.

4.4.5. Приготовление формовочных смесей в ЦЛС.

4.4.6. Анализ структуры экспериментальных смесей.

4.5. Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Промышленные испытания центробежно-лопаточного смесителя в цехе цветного литья АО «Рыбинские моторы».

5.2. Промышленные испытания центробежно-лопаточного смесителя на АО ВМЗ.

5.3. Применение результатов работы в учебном процессе.

5.4. Выводы.

Актуальность проблемы. Развитие литейного производства во многом связана с повышением эффективности использования формовочных материалов в процессе приготовлении смесей. Применяемые в настоящее время в действующих литейных цехах способы смесеприготовления не в полной мере отвечают требованиям современного производства, которое требует получения смесей с высоким комплексом технологических и прочностных свойств и содержащих минимальное количество связующих материалов.

Повышение качества и эффективности работы литейного смесеприго-товительного оборудования связано с совмещением операций активации компонентов, их смешивания, создания структур смесей гранульного типа; улучшение адгезионно-когезионных свойств смесей. Такие эффекты достигаются при применении современных энергоемких видов смешивания: вихревого, центробежно-планетарного, центробежно-лопаточного.

В настоящее время центробежно-лопаточные смесители на практике не используются и отсутствуют технологические рекомендации по их применению. Во многом это связано с отсутствием теоретической концепции на процесс центробежно-лопаточного смешивания при приготовлении смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Актуальность данной диссертационной работы подтверждается тем, что в настоящее время центробежно-лопаточные смесители на практике не используются и отсутствуют технологические рекомендации по их применению. Во многом это связано с отсутствием теоретической концепции на процесс центробежно-лопаточного смешивания при приготовлении смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Цель работы. Разработка научно обоснованных технологических рекомендаций по приготовлению формовочных и стержневых смесей в центро-бежно-лопаточном смесителе, обеспечивающих повышение эффективности использования формовочных материалов в литейном производстве и получение смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана и исследована физическая модель движения смеси по лопатке в центробежно-лопаточном смесителе.

2. Разработана методика анализа параметров структуры формовочных смесей и зернистых материалов.

3. Разработаны и опробованы в производстве технологические режимы приготовления в центробежно-лопаточном смесителе базовых видов стержневых и формовочных смесей.

Научная новизна:

- получено аналитическое уравнение движения потока смеси по лопатке;

- установлено, что основной вклад в процесс смесеприготовления в ЦЛС вносит движение смеси по лопатке;

- разработана методика определения зерновой структуры синтетических смесей на основе анализа фотографий смеси с использованием средств ППП AutoCAD и Excel.

Практическая ценность

1. На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработаны инженерные методики определения сил, действующих на рабочую лопатку центробежно-лопаточного смесителя, по величине которых однозначно определяются свойства смесей по ходу приготовления.

2. Спроектирован, изготовлен и опробован в промышленных условиях образец центробежно-лопаточного смесителя полупроходного типа.

3. Разработаны технологические режимы приготовления смесей с минеральными и синтетическими связующими, позволяющие: сократить расход связующих на 20%; получить заданный уровень свойств смесей; сократить брак литья и улучшить экологическую обстановку в производстве. Суммарный расчетный экономический эффект составил: для цеха цветного литья АО "Рыбинские моторы" 55 млн. руб./год (по ценам 1995 года); для литейного цеха АО ВМЗ 175 млн. руб./год (по ценам 1996 года).

4. Разработаны пакеты прикладных программ для расчета параметров процесса смесеприготовления в бегунах и ЦЛС, в том числе для расчета критерия кратности обработки смеси, и оценки характеристик зерновой структуры смеси.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях в Рыбинске (1995 г., 1996 г., 1997, 1999 г.), Москве (1994 г.), Череповце (1999 г.).

По теме работы выполнялись промышленные эксперименты совместно с ОАО "Рыбинские моторы" и АО ВМЗ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи, 1 информационный листок, 4 тезиса докладов.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит:

- в разработке методик определения силовых и технологических характеристик ЦЛС, определения параметров зерновой структуры приготавливаемых смесей;

- в выполнении теоретического анализа движения потока смеси по лопатке, получении аналитического уравнения и разработке программы его численного решения;

- в разработке пакета прикладных программ для расчета параметров структуры смесей и критерия качества смеси;

- в разработке конструкции лабораторного центробежно-лопаточного смесителя полупроходного типа;

- в разработке технологических режимов приготовления смесей в цен-тробежно-лопаточном смесителе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, 54 рисунка, 33 таблицы, библиографию из 93 позиций.

Основные выводы.

1. Получены аналитические уравнения движения смеси по лопатке центробежно-лопаточного смесителя. Результаты численного решение на ПК уравнения сил, действующих на лопатку, соответствуют экспериментам. Установлено, что движение смеси по лопатке вносит основной вклад в процесс смешивания в ЦЛС и формирования структуры смеси.

2. Разработана методика и прикладной пакет программ для определения параметров структуры литейных смесей и зернистых материалов, включающая расчет распределения зерен материала по стандартным размерам и определение критерия гладкости поверхности зерен, среднего размера зерен и коэффициента однородности смеси. Показано, что смесепри-готовление в ЦЛС позволяет получать смеси с размером зерен в 1,1. 1,3 раз больше, чем в бегунах.

3. Разработан и использован на практике лабораторный центробеж-но-лопаточный смеситель полупроходного типа, повышающий эффективность смесеприготовления.

4. Выявлено, что процесс приготовления смесей в ЦЛС сопровождается следующими эффектами:

- распределение гранул смеси по фракциям становится более однородным;

- уменьшается шероховатость поверхности зерен;

- формируются гранулы смеси с равномерным покрытием поверхности зерен, без отдельных включений пыли и связующего.

5. Приготовление смесей в ЦЛС по отработанным режимам позволяет получать смеси с высоким уровнем технологических свойств при снижении расхода связующего в среднем на 20%.

6. Результаты исследований и практических разработок использованы при изготовлении форм и стержней из смесей центробежно-лопаточного смесеприготовления. Расчетный экономический эффект составил более 200 млн. руб./год (по ценам 1995-96 года).

1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977. 510 с.

2. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 с.

3. Баловнев В. И. Физическое моделирование резания грунтов. М.,1969.

4. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение, 1971.286 с.

5. Богомолова Н. А. Практическая металлография. М.: Высшая школа. 1978. 272 с.

6. Богуславский А.Ш. и др. Исследование процессов структурооб-разования в формовочных массах //Физико-химическая механика и лио-фильность дисперсных систем. Киев: Наук, думка, 1974. № 6. С. 156-161.

7. Борисов В.Н. и др. A.C. СССР № 501520 МКИ В 22 С 5/00. Устройство для регенерации формовочных и стержневых смесей и обогащения кварцевых песков.

8. Бречко A.A., Великанов Г.Ф. Формовочные и стержневые смеси с заданными свойствами. Л.: Машиностроение, 1982. 216 с.

9. Валисовский И.В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение, 1983.192 с.

10. Васин Ю.П., Александров В.М., Кулаков Б.А. Химико-термическая активация формовочных песков//Литейное производство. 1979. № 1.С. 14-15.

11. Великанов Г.Ф., Примак H.H., Бречко A.A. Прочность формовочных смесей // Литейное производство. 1986. № 3. С. 10-12.

12. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. М. ,1971.

13. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М., 1972.

14. Горский А.И. Расчет машин и автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978. 551 с.

15. Гуляев Б.Б., Корнюшкин O.A., Кузин A.B. Формовочные процессы. JL: Машиностроение, 1987. 264 с.

16. Джерси А. Уточнение механизма приготовления песчано-глинистых смесей в роторном смесителе с целью экономии материалов. Кандид, дисс. М.: МАМИ. 1991. 160 с.

17. Длезек И. Зависимость свойств стержневых смесей от состояния поверхности зерен кварцевых песков//Литейное производство. 1977. № 12. С. 12-14.

18. Дорошенко С.П. Совершенствование контроля свойств формовочных смесей, форм и стержней/УЛитейное производство. 1987. № 11. С. 14-16.

19. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1044408 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель-активатор.

20. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1091980 МКИ В 22 С 5/00. Барабанный смеситель.

21. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1447523 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель-активатор .

22. Ершов М.Ю. Приготовление песчано-глинистых смесей// Литейное производство, 1998. № 2 3 С. 17-21.

23. Ершов М.Ю., Веневцев И.А., Зимирев С.А. A.C. СССР № 1360875 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель.

24. Ершов М.Ю., Королев В.В., Зоз В.А. Патент РФ № 2002546 МКИ В 22 С 5/00. Каток смесителя формовочных материалов.

25. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М.: Машиностроение, 1989. 288 с.

26. Злыгостев С.Н. Разработка и моделирование методов анализа и управления технологическими процессами литейного производства в нестандартных ситуациях. Автореф. дис. к. т. н. Екатеринбург, УГТУ, 1999. 19 с.

27. Ивакин Р.И. О рабочем процессе смешивающих бегу-нов//Литейное производство. 1963. № 7. С. 20-21.

28. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары. Изд-во Чувашек, ун-та, 1992. Ч. 1. 223 с.

29. Каганов В.Ю., Блинов О.М., Глинков Г.М. Автоматизация металлургических печей. М.: Металлургия. 1975. 376 с.

30. Козлов В.И., Козырев С.А., Редькин О.Ф. Модернизация планетарных мельниц с целью их применения в механохимической технологии и создание специальных мельниц-активаторов//Изв. СО АН СССР, 1983 № 12. Сер. хим. наук, вып. 5. С. 25-30.

31. Комиссаров В.А., Кузьмин H.H., Завальнюк Н.П. Повышение связующей способности низкосортных глин//Литейное производство, 1983. №3. С. 16-18.

32. Корнюшкин O.A., Иоффе М.А. Исследование характеристик механических свойств формовочных смесей//Известия ВУЗов. Машиностроение, 1976. № 6. С. 126-130.

33. Косте Ж., Санглера Т. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1981.456 с.

34. Кузин Э.Н. Строительные машины. Справочник. М.: Машиностроение, 1991. 4.1. 496 с.

35. Лосев С.А. Давление катка на смесь в бегунах//Литейное производство, 1970. № 9. С. 25-26.

36. Магницкий О.Н. Литейные свойства титановых сплавов. М-Л.: Машиностроение. 1969. 248 с.

37. Мамина Л.И. Теория механоактивации формовочных материалов и разработка ресурсосберегающих технологических прцессов в литейном производстве/Дисс. Красноярск, 1989. 352 с.

38. Марков В.А. Разработка концепции интегрального механизма формирования свойств, состава песчано-глинистых смесей (ПГС) и смесе-приготовительного оборудования. Автореф. дис. д. т. н. С-П, СПбГТУ, 1997. 38 с.

39. Марков В .А. A.C. СССР № 1577908 МКИ В 22 С 5/00. Барабанный смеситель.

40. Марков В.А. A.C. СССР № 1650324 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель чашечный.

41. Матвеенко И.В., Бельчук B.C. Реологические основы испытаний формовочных смесей импульсного уплотнения. М.: ВТУЗ, ЗИЛ, 1991. 87 с.

42. Медведев Я.И. Газовые процессы в литейной форме. М.: Машиностроение. 1972. 258 с.

43. Медведев Я.И., Валисовский И. В. Технологические испытания формовочных материалов. М.: Машиностроение. 1973. 308 с.

44. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

45. Островерхов В.Ю., Ярута A.M., Горушкина Л.П. Математическая обработка результатов исследования свойств формовочных сме-сей//Литейное производство. 1988. № 1. С. 35.

46. Пинкин В.Ф., Титов Л.В. A.C. СССР №> 1572687 МКИ В 22 С 5/00. Ротационный смеситель.

47. Примак И.Н., Бречко A.A., Гриценко А.Я. и др. Производство отливок для энергомашиностроения. Л.: Машиностроение. 1976. 256 с.

48. Рабинович Б. В. Введение в литейную гидравлику. М.: Машиностроение. 1996. 424 с.

49. Рыжиков A.A. Теоретические основы литейного производства. М.: Машиностроение. 1965. 454 с.

50. Серебряков С.П. Разработка теории, технологии и машин цен-тробежно-планетарного приготовления формовочных и стержневых смесей. Автореф. дис. д. т. н. Москва, 1996. 30с.

51. Серебряков С.П. A.C. СССР № 1562020 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель непрерывного действия.

52. Серебряков С.П. Приготовление формовочных смесей. Учебное пособие. РГАТА, Рыбинск, 1998 г. 32 е., 7 ил., 7 табл., библ. 13 наим.

53. Серебряков С.П., Афанасьев А.Г. Параметры приготовления формовочных смесей//Литейное производство. 1994. № 8. С. 28-29.

54. Серебряков С. П., Лебедев А. С., Бойко Л. В. Технология плакирования песчано-смоляных смесей// Информ. Листок № 139-94. ЦНТК, Ярословль. 1994. 3 с.

55. Серебряков С. П., Афанасьев А. Г., Березина Л. В. Центробежно-лопаточный смеситель//Литейное производство, 1997. № 1.С. 22.

56. Серебряков С.П., Березина Л.В. Информационное обеспечение анализа структуры формовочных смесей//Материалы конференции ИНФОТЕХ 99. Череповец: ЧГУ, 1999. С.80 - 81.

57. Серебряков С.П., Лебедев A.C., Бойко Л.В. Технология плакирования песчано-смоляных смесей//Информ. листок № 139-94, серия Р. 55.15.21. Ярославль, ЦНТИ, 1994. 4 с.

58. Афанасьев А.Г., Березина JI.B., Серебряков С.П. Тепловые процессы при центробежно-лопаточном смесеприготовлении.// Теплофизика технологических процессов. Тез. докл. IX конф. Рыбинск, 1996. с. 89-90.

59. Бойко JI.B. Технологические особенности центробежно-лопаточного смесеприготовления.//ХХ1 Гагаринские чтения. Тез. докл. молодежи. научно-технич. конф. Москва: МГАТУ, 1995. с. 97.

60. Березина JI.B., Ремнев Д.В. Приготовление смесей в центробежно-лопаточном смесителе//ХХШ Гагаринские чтения. Тез. докл. молодежи, научно-технич. конф. Москва: МГАТУ, 1997. с. 83.

61. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М., 1960.

62. Токарев А.И. Причины возникновения ужимин на плоских поверхностях отливок//Технология машиностроения. Рыбинск, РАТИ, 1966. С. 167-176.

63. Формовочные материалы и технология литейной формы. Спра-вочник/Ред. Жуковский С.С. М.: Машиностроение, 1993. 432 с.

64. Федоров Д. И. Рабочие органы землеройных машин. М., 1976.

65. Хофман Ф. A.C. СССР № 1055322 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель-активатор.

66. Чудновский И.Д., Сухомлинов С.М. A.C. СССР № 1371756 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель.

67. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. М.: Мир, 1972.-300 е., ил.

68. Шкурский П.И. A.C. СССР № 1701553 МКИ В 28 С 5/14. Смеситель.

69. Эйтель В. Физическая химия сплавов. М.: 1962. 1055 с.

70. Dietmar Boenisch, Rolf Mollenkott. Einfluss der Luftfenchtgkeit auf die Festgkeit kaltharzgebundener Formteile//Giesserei (1973) № 18, 569-573.

71. Dietmar Boenisch, Norbert Ruhland. New Concepts of Green Sand Technology //Foundry management & technology. № 2, 1988, p.21-27.

72. Continuous Mixer is Basis of Sand Reclamation //Foundry management & technology. № 6, 1982, p.80-81.

73. Continuous Mixer Meets Needs for small Cores, Molds //Modern Casting, № 9,1990.

74. Hans J. Heine. Analizing Treuds in Sand Preparation //Foundry management & technology. P.I 1982, № 2, p.22, P.II 1982 № 9, p.36.

75. Hans J. Heine. Innovative Technignes Spur Green Molding Sand Preparation //Foundry management & technology. № 8, 1987, p.20-25.

76. Hans J. Heine. Technology Changes Affecting Sand Mold Quality //Foundry management & technology. № 6, 1988, p.33-40.

77. Hans J. Heine. Saving Dollars through Sand Reclamation //Foundry management & technology. № 5, 1983, p.22, 1983, № 6 p.90

78. Frans Hoffman und Frans Szatmari. Schaffhausen Hinweise zur Prufung und praktischen Anwendung kalthartender Gissereisande//Gisserei 60 (1973) №5, 112-117.

79. Jaeger J.C. Elasticity, Fracture and Flow, 2nd ed. Methuen, London, 1962, p.193.

80. Patterson W., Schneider Ph. Surface smoothness. Modern castings. 1965, v.47,№ 1.

81. Sand/Binders/Sand Preparation //Foundry management & technology. № 12, 1987, p.3-10.

82. Sand/Binders/Sand Preparation/Coremakin//Foundry management & technology. № 12, 1990, p.D3.D14.

83. Smith R.J. Selecting a Muller for a Green Sand Operation// Modern Casting, 1990, № 6, p.66-68.

84. Sand Mixer //Modern Casting, 1979, № 8, p.92.