автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Развитие представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей в аппаратах роторно-плужкового типа и разработка рекомендаций по их совершенствованию

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный технический университет «МАМИ»

На правах рукописи УДК 621.742.4

РГ5 ОЯ

Трещалин Александр Викторович - -5 МДр

«Развитие представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей в аппаратах роторно-плужкового типа и разработка рекомендаций по их совершенствованию».

Специальность 05.16.04 - Литейное производство.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2000г.

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» им проф. Аксёнова П.Н. Московского государственного технического университета «МАМИ».

Научный руководитель: Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Ершов М.Ю. доктор технических наук, профессор Божкова Л.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Матвеенко И.В.

кандидат технических Hayi Бычков Н.В.

Ведущая организация:

ОАО «Завод имени Лихачева): (AMO ЗИЛ

Защита состоится 30 марта 2000 года в 14.00 на заседании совета К 063.49.02 п защите диссертаций в Московском государственном техническом университет «МАМИ» по адресу: 105839, г. Москва, Б.Семёновская ул.,38, E-mail: mgtu. mam @ g23. relkom. ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московског государственного технического университета «МАМИ».

Автореферат разослан 25 февраля 2000 года.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций,

профессор, кандидат технических наук В.М. Зуев

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Постановка темы диссертационной работы вытекает исгуальной научно-технической задачи по экономии энергии, важность рой особенно возросла в последнее десятилетие в связи с резким изменением на электроэнергию. Способ литья в сырых песчано-глинистых формах по шему остаётся самым распространенным, им производят более 70% валового /ска отливок. При этом для получения 1 тонны отливок приготавливают в нем 10 тонн формовочной смеси, что делает потребление электроэнергии на «приготовление весьма существенным.

В настоящее время в литейных цехах для приготовления сырых песчано-шстых смесей применяется более 10 различных типов смесителей. В России >вной парк смесителей составляют катковые (одиночные и сдвоенные), робежные, встречаются барабанные и другие конструкции. В странах [дной Европы широкое распространение получили роторные. Названные ины имеют различные рабочие органы, производящие специфическое для адго из них воздействие на смесь. При рассмотрении рабочих процессов они кггавляются различными, так, например, каток уплотняет смесь и производит застирание в результате буксования и проскальзывания, плужки рыхлят этнённую смесь и производят её перемешивание, ротор приводит смесь в щоожиженное состояние. Вместе с тем, во всех смесителях достигается даковый результат - нанесение плёнки связующего на зёрна формовочной :и, что является общей чертой для всех смесителей. Отыскание общих »номерностей в механизмах формирования оболочек связующего в различных жителях представляет несомненный научный интерес.

Переход от катковых к безкатковым смесителям происходил постепенно, а гнсификация процесса смешивания осуществлялась за счет установки олшпельных активаторов, рыхлящих пластин, пальцев, плужков, лопастей, эров. За рубежом накоплен опыт эксплуатации данных смесителей с лящими рабочими органами. Однако приводимые в проспектах зарубежных >м характеристики носят, в основном, рекламный характер, не позволяют производить технологические процессы, а предполагают покупку /бежного оборудования. В нашей стране почти полностью отсутствует опыт тауатации смесителей нового поколения. В связи с этим методики расчёта ростных импортозамещающих смесителей и практические рекомендации по еншо технологического процесса должны, без сомнения, быть востребованы мышленностью.

Цель работы. Снижение энергопотребления в процессе приготовления и ышение качества сырых песчано-глинисгых формовочных смеси, ¡тавленная цель достигается путём решения следующих научных и нических задач:

уточнение физической модели обобщённого механизма обволакивания зёрен формовочной смеси глинистым связующим и его равномерного распределения по объёму смеси в течение рабочего цикла с учётом энергетических затрат;

к

" проведение обобщающего анализа энергопотребления у смесителей различного типа и их ранжирование по экономичности;

• разработка комплексной методики оценки рабочих процессов смесителей, проведение сравнительных испытаний смесителей и получение на их базе практических рекомендаций по ведению технологического процессе смесеприготовления.

■ разработка математической модели рабочего процесса роторно-плужковогс смесителя с целью снижения энергетических затрат;

Методы исследования. В работе используются следующие методь

научных исследований:

• Теоретическое исследование и экспериментальное моделирование процессг внедрения шарового индентора в объём глинистого связующего, < привлечением методов математической обработки результатов экспериментов

■ Метод Монте-Карло для моделирования случайного процесса взаимодействие зерна шаровой формы с глинистой пастой.

■ Комплексный эксперимент по сравнительному анализу рабочих процессов i смесителях скоростного типа, с обработкой экспериментальных данных i электронных таблицах "EXCEL".

Научная новизна работы.

■ На основании анализа процесса смесеприготовления в различных смесителя; впервые выявлен общий для всех процессов механизм нанесения оболочк! связующего в результате внедрения зёрен в глинистую прокладку учитывающий потребление энергии. Величина работы по нанесению оболочю связующего принята за эталонную работу смесеприготовления, котора; определяется как произведение работы одного акта взаимодействия на и: число, необходимое для формирования оболочки. Причём работа одного акт; возрастает пропорционально квадрату относительной глубины внедрени зерна в глинистую прокладку, а число актов меняется обрат» пропорционально названной величине.

■ Установлено, что характерная величина внедрения зёрен смеси, радиусом R, глинистую прокладку в роторных смесителях не превышает 0,3R, а в катковы составляет 0,7-1R, что связано с работой для осуществления процесс смесеприготовления, величина которой в роторных смесителях составляет кДж/кг, а в катковых 6 кДж/кг.

■ Выполнено ранжирование 9 типов смесителей по удельной работ смесеприготовления, которая складывается из эталонной работ! смесеприготовления, работы по перемешиванию смеси и работы холостог хода. Показано, что в процессе совершенствования смесителей наблюдаете тенденция снижения удельной работы смесеприготовления.

■ Разработана комплексная методика по изучению взаимосвязанного изменени физико-механических параметров смеси, её однородности энергопотребления в процессе длительного цикла смешивания. Однородност смеси оценивается по коэффициешу вариации прочности. Динамик

изменения физико-механических параметров смеси определялась в длительном цикле смешивания при адаптированной периодичности отбора проб. Энергопотребление фиксировалось непрерывно и увязывалось с изменением свойств. Обработка экспериментальных данных производится в электронных таблицах "EXCEL" для Windows-95".

Уточнены математические модели взаимодействия донного плужка с потоком смеси и динамики движения пакета формовочной смеси по лопасти ротора, определено, что угол наклона донного плужка должен уменьшатся от оси вращения к периферии, угол наклона лопасти ротора лежит в пределах 20-40°, данные параметры удовлетворяют требованиям минимизации энергозатрат.

Практическая значимость и реализация результатов работы. На основании риведенных выше положений и результатов исследований даны практические гкомендации по модернизации смесеприготовительного отделения с сономическим эффектом 100 тыс. рублей на ОАО «Нижегородский теплоход» г. ор, Нижегородской области. Результаты проведенных исследований :полъзованы при проектировании и эксплуатации в промышленности шверсального смесителя формовочных материалов. Смеситель внедрён на опейском и Анжерском машиностроительных заводах, а его конструкция щшцена свидетельством на полезную модель по заявке № 99120905. Установка методика оценки свойств глинистых паст применяется для накопления ¡едений о свойствах отечественных глин. Разработана программа «РОТОР», для 1счбта на ЭВМ кинематических и динамических характеристик движения пакета эрмовочной смеси по лопасти ротора. Комплексная методика сравнительных ■дыханий использовалась для оценки смесителей.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

Процесс формирования оболочек рассматривается, как результат поочередных актов внедрения зёрен смеси в глинистую прокладку и связан с передачей механической энергии от рабочего органа смесителя. Величина работы по нанесению оболочки связующего принята за эталонную работу смесеприготовления, которая определяется как произведение работы одного акта взаимодействия на их число, необходимое для формирования оболочки. По величине работы одного акта взаимодействия определена характерная величина относительной глубины внедрения зёрен в глину, которая в роторных смесителях не превышает 0,3R, а в катковых составляет 0,7-1 R. Применён метод Монте-Карло для моделирования случайного процесса взаимодействия зерен смеси с глиной. Получена зависимость числа актов взаимодействия от относительной глубины внедрения (n = 6,99L"0,94). Удельная (на единицу массы) эталонная работа смесеприготовления зависит от состояния и характера взаимодействия зерен в процессе смешивания. При этом состояние смеси учитывает коэффициент взаимодействия (а) и напряжение внедрения (ст), а характер взаимодействия - коэффициент глубины (ср) и относительная глубина внедрения (L).

■ Комплексная методика сравнительной оценки смесителей включает следующую совокупность существенных признаков. Использовался увеличенный, по сравнению с рабочим, цикл смешивания, свойства смеси определялись на пробах, отбор которых производился с изменяемым интервалом: 1 минута на начальной стадии и 2 минуты на конечной стадии процесса. Однородность смеси оценивалась по коэффициенту вариации прочности. Энергопотребление фиксировалось непрерывно и увязывалось с динамикой изменения физико-механических свойств смеси. Обработка экспериментальных данных производилась в электронных таблицах "EXCEL" для "Windows-95".

■ Потребляемая смесителем энергия расходуется на холостой ход и процесс смесеприготовления. Работа технологического процесса смесеприготовления включает эталонную работу, которая характеризует её величину. Снижение энергопотребления достигается за счёгг уменьшения работы холостого хода и сопротивления перемещению рабочих органов. В соответствии с этим положением расчетными и экспериментальными методами определены соотношения размеров и углы наклона донного плужка, частота вращения, углы наклона и размеры лопасти ротора, которые реализованы в опытно промышленном смесителе и защищены свидетельством на полезную модель.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены: на lV-съезде литейщиков России. Москва, 20-24 сентября 1999 г.; научном симпозиуме «Неделя горняка -98». Москва, 1998; научно-технической конференции «Экология и экологичность» Одесса, 1998; международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» Москва-Сочи, 1999; XXVI) научно-технической конференции ААИ «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа» К 60-летию воссоздания МАМИ. Москва, МГТУ-МАМИ 1999; выставке «Прикладные технологии». Москва, министерство образования, 15-16 июня 1999.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 184 страницах, содержит 10 таблиц, 53 иллюстраций, список литературы из 98 наименований, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

Представлен аналитический обзор литературных источников, посвященные рассмотрению процессов приготовления песчано-глинистых смесей. Даётся описание аппаратов для их приготовления, рассматриваются основньк параметры данных устройств, такие как: время приготовления смесей, и> качество, энергоёмкость. Сопоставление данных параметров позволяет сделал

.тод о ряде преимуществ применения смесителей роторного типа. В то же >емя эти смесители не получили широкого распространения в литейных цехах ечественных предприятий как из-за плохого финансового состояния, так и из-за гсутствия публикаций, посвященных исследованиям данных смесителей, стаётся неизученным влияние скорости вращения рыхлителей, углов наклона эпатки, оптимальных объёмов замеса. Отсутствуют рекомендации и методики убора конструктивно-технологических параметров процесса

чесеприготовления для опытно-промышленных установок. В результате роведенного анализа были сформулированы цели и задачи исследования, вязанные с физическим и математическим моделированием процесса бволакивания зёрен смеси глинистым связующим, уточнением математической юдели движения пакета формовочной смеси по лопасти ротора, исследованием лияния конструктивно-технологических параметров на процесс месеприготовленмя.

лава 2. Развитие представлений о формировании оболочек связующего на ;ёрнах формовочной смеси.

В главе приведены теоретические и экспериментальные исследования центрального звена смесеприготовления - процесса нанесения глинистых )болочек на зёрна формовочной смеси, при этом особое внимание обращено на тотребление энергии. Целью смесеприготовления является создание равномерных оболочек из связующего и добавок на зерновой основе, масса которой составляет около 90% от общей массы компонентов. Роль связующего выполняет увлажнённая глина, а в число добавок входят молотый уголь, крахмалит, ПАВы. Вода, взаимодействуя с песком, глиной и добавками, активизирует их, вызывая формирование оболочек на поверхности песчинок. От состояния оболочек зависит связанность зёрен формовочной смеси и целый ряд её свойств в уплотненном состоянии. Нанесение оболочек на поверхность зёрен происходит в каждом цикле смесеприготовления: в первом цикле оболочки наносятся на чистую поверхность песчинок, в последующих на уже имеющуюся. В производстве встречаются три основных варианта приготовления формовочной смеси.

Вариант 1. Из свежих компонентов при раздельном введении песка, глины, добавок и воды. Сначала смешивают сухие компоненты, затем дают воду и продолжают перемешивание. Рабочий цикл в этом случае удлиняется, т.к. на стадии сухого перемешивания формирование оболочек не происходит. Сухая глина почти не прилипает к песчинкам, о чём свидетельствует её лёгкое удаление из смеси при продувке воздухом. Активизация зерен песка и самой глины происходит в результате их увлажнения. Сначала влага распределяется неравномерно, присутствуют объёмы с избытком и недостатком влаги по отношению к её конечному значению. Распределение влаги по всему объёму смеси происходит за счёт фильтрации. Нанесение оболочек связующего происходит только в объёмах смеси с повышенной влажностью за счёт механической энергии привода.

Вариант 2. Из оборотной смеси при раздельном введении компоненте! наблюдается такой же механизм обволакивания, только в этом случае свежи глина и другие добавки, составляющие до 5% её массы, наносятся на зёрна смеа уже покрытые плёнкой связующего. В процессе приготовления происходи перемешивание компонентов смеси с целью достижения её однородности. Зёрг песка поочередно то внедряются в слой глины, то вырываются из него. Плёнк активной глины интенсивно поглощают поступающую в смесь воду, набухают приобретают клейкость. В процессе перемешивания «оголённые» зёрна песк сталкиваясь с покрытыми глиной, отрывают у них часть оболочек, толщш которых у оборотной смеси и песка выравнивается.

Вариант 3. Из оборотной смеси при совмещённом введении компонентов виде суспензии. Влага из суспензии интенсивно поглощается поверхность слоем зёрен смеси, а загустевшая суспензия в виде отдельных блоков остаётся; поверхности зёрен. Эти блоки нуждаются в их размазывании по поверхнос зерна. Поэтому дальнейший процесс смесеприготовления протекает, как и варианте 2, с той лишь разницей, что влажность блоков всё время уменьшается не возрастает.

Приготовление песчано-глинистой смеси связано с потреблением энерге которая расходуется на: внедрение зёрен в глинистую прокладку, их отрыв глины или от других зёрен, перемещение слоёв смеси относительно друг дру Для сравнительной оценки энергопотребления смесителей принято использов. удельную работу смесеприготовления (Ауд.), которая равна работе затраченн приводом смесителя за весь рабочий цикл на единицу массы приготавливаем смеси.

Удельная работа смесеприготовления у различных типов смесителей. Табл. 1.

№ п.п. Тип смесителя Ауд., КДж/кг.

1. Центробежно-планетарные смесители 13-50

2. Центробежные (маятниковые) смесители 12-34

3. Бегуны с вертикально вращающимися катками 7-13

4. Смеситель «Контрамикс» 8-12

5. Бегуны с вращающейся чашей и вертикально вращ. катками 3-11

6. Сдвоенные бегуны, «восьмёрки». 4,5-6

7. Роторные смесители. 2-4,5

8. Барабанные смесители. 1,8-3,6

9" Лопастной смеситель непрерывного действия 2,7-3,3

В результате анализа 9 типов смесителей установлено, что наиболь энергия (Табл.!) потребляется центробежными и планетарно-центробежм смесителями, средние значения характерны для различного типа катко смесителей. Роторные, барабанные и лопастные смесители непрерыв! действия характеризуются наименьшим потреблением энергии. Видно, величина удельной работы зависит от конструкции смесителя и его рабо процесса. Чем меньше затрачивает энергии смеситель, тем он более экономич имеет оптимальную конструкцию. В идеальном случае про

ксеприготовления может быть завершен, когда поверхность всех зерен будет »крыта равномерной оболочкой связующего и его не останется в промежутках ;жду зёрнами.

Работа, затраченная на нанесение оболочек, может быть принята за алойную (А„). Удельная работа смесепритотовления расходуется на А„ -1боту холостого хода смесителя и Агп - работу технологического процесса, в >став которой входит Аэт - эталонная работа. В идеальном случае для зиготовления смеси достаточно затратить эталонную работу. Однако в ;зультате преодоления сил трещи: в машине, прочности и внутреннего трения неси энергозатраты на приготовление смеси становятся больше величины галонной работы.

Процесс формирования оболочек рассматривается как совокупность оследовательных актов внедрения зерна в увлажнённую глину. Затраты энергии а один акт взаимодействия зерна с глиной находим в соответствии с бобщённым законом деформации твёрдых тел академика Ребиндера П.А.

А1 = 0,5оЬУ;п (1)

Здесь а - средние напряжения при внедрении зерна, Ь - отношение глубины недрения Ь зерна к его радиусу Я , V; - объём деформации при одном акте недрения зерна, п - число актов, необходимое для нанесения оболочки вязующего на всю поверхность зерна На рис.1 серым цветом показан объём ;еформации 1 при одном погружении зерна 2 шаровой формы в глину 3. Усматриваются два случая (а и б), приводящие к покрытию половины боковой юверхносги шара связующим, но при различной глубине и числе погружений. В лучае (а) объём деформации равен половине объёма шара, а число актов равно 1. 5 случае (б) шар погрузили на глубину Ь=0,2И, при этом число актов для щеалыюго процесса равно 5. На виде (в) шаровые сегменты случая (б) уложены » объёме шара один на другой, по условию их суммарная высота равна радиусу. 5идно, что суммарный объём меньше объёма половины шара Поскольку (еличина работы пропорциональна объёму деформации, то для всех случаев ггвечающих условию Ь<Я, работа будет меньше, чем соответствующая случаю И

= 11.

а

б.

в.

Рис. 1 Схема к расчёту эталонной работы для идеального процесса.

Расчёт удельной эталонной работы в Дж/кг для процесса близкого к реальному выполнен по формуле (2). аэт=0>00!549а3фстЬ1^ (2)

Где ср =l-L/3 - коэффициент глубины внедрения,

а- коэффициент взаимодействия, в наших расчетах принимал следующие значения: 0,62- для случая взаимодействия зерна, покрытого оболочкой, с плоской глинистой прокладкой; 0,98- для случаев двух зёрен, покрытых оболочками, или голого зерна и плоской глинистой прокладкой; 1,56-для случаев взаимодействия двух зёрен, одно из которых покрыто оболочкой.

Для моделирования случайного характера взаимодействия применён метод Монте-Карло. Наружная поверхность зерна моделировалась большим квадратом с нормированной стороной 100 единиц. Малые квадраты моделировали поверхность взаимодействия с глиной, их сторона была пропорциональна относительной глубине внедрения зерна в глину. Малые квадраты укладывали на большой по координатам, заданным генератором случайных чисел по равномерному закону распределения. Производили подсчёт числа актов взаимодействия п, равного числу малых квадратов до момента перекрытия площади большого квадрата на заданную величину. Путём обработки результатов моделирования получена регрессионная зависимость п = 6,99и°'94, для случая перекрытия площади на 95%.

Средние напряжения внедрения определяли на модели путём внедрения шарового индентора в глинистую пасту. В процессе внедрения производилась запись диаграммы усилие - путь на двухкоординагный графопостроитель при скоростях нагружения 0,2 мм/с, или шлейфовый осциллограф при скоростях 0,1-5 м/с. Существенное возрастание сопротивления внедрению происходит при увеличении начальной скорости внедрения. Важно заметить, что зависимость напряжений от относительной глубины внедрения зерна при скорости 0,2 мм/с близка к линейному закону во всём интервале деформаций, а при скорости 2,8 м/с на его начальном участке до L = 0,1. Обработка экспериментальных данных и расчёт эталонной работы выполнялся в электронных таблицах EXCEL дм WINDOWS 95. Результаты расчёта эталонной работы для приготовления 1 ы формовочной смеси и соотношении глина/вода = 1/1 приведены в табл. 2 Наблюдается общая закономерность, эталонная работа возрастает npi увеличении относительного внедрения. Значения эталонной работы, характерны* для каткового (V=0,2mm/c) и роторного (V=2,8 м/с) смесителей, выделень жирным шрифтом.

Расчётные значения эталонной работы смесеприготовленнн. Табл. 2

V, а Относительная глубина внедрения

м/с. 0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,62 4,4 0,0 13,2 18,5 24.2 29.0 33,0 36,5 40,5 44,2

0,0002 0,98 17,6 36,3 53 ~74,ЭЛ 97,2 116,7 132,3 146.7 163 178,5

1.56 70,5 145,5 212,5 297,7 389,2 467 530 587 651,4 712

0,62 В,37 17.3 25,4 34,3 42,2 49,6 57,6 63,1 69,5 75,5

2,в 0,98 33,5 69,0 102,0 129 169 198,2 230 253,5 278 302

1,56 134 276,8 406,4 549 675,2 794 921,6 980,8 1112 1210

Из приведенных рассуждений следует важный вывод о том, что работг затраченная на покрытие оболочками зерен шаровой формы, зависит от характер

о взаимодействия с глинистой пастой. В катковых смесителях происходит шотнение смеси до 1,2 г/см3, в результате зёрна вдавливаются в глину на 7-Ж, эталонная работа при этом достигает максимума, В роторных смесителях ютность не превышает 0,9 г/см3, а формирование оболочек происходит за счёт шетической энергии летящих зерен. При этом зёрна внедряются до глубины ЗЯ, на что требуется меньшая эталонная работа. Относительная глубина гедрения связана с работой технологического процесса, величина которой >ставляет 6 кДж/кг у катковых и 3 кДж/кг у роторных смесителей.

Из технологических соображений рассчитана предельная скорость в омеит взаимодействия зёрен смеси между собой или со стенками смесителя, ггорая не должна превышать 20 м/с. Превышение скорости может привести к грыву сухих оболочек связующего или разрушению самих зёрен. В связи со тачительным сопротивлением воздуха скорость летящих зёрен быстро гасится, ээтому скорость схода пакетов смеси с лопасти ротора может достигать 20-30 /с.

Значительное влияние на величину удельной эталонной работы оказывает эстав исходных компонентов, который учитывается коэффициентом заимодействия (а). Наименьшая эталонная работа затрачивается в случае риготовления оборотной смеси с добавками свежей глины. Одинаковые яачения удельная эталонная работа будет иметь при приготовлении смеси го вежего песка с добавками глины или из оборотной смеси без добавок глины, [аибольшая эталонная работа потребуется для приготовления смеси го боротной смеси и свежего песка. Применение скоростных смесителей наряду с овышением качества смеси позволяет сократить цикл смесеприготовлешм за чёт интенсификации процесса распределения влаги и уменьшить потребление нергии за счёт низкой величины эталонной работы.

лава 3. Комплексная методика сравнительной оценки рабочих процессов месителей формовочных материалов.

Целью данной методики являлось получение наиболее полной информации | технологических процессах в различных смесителях. Главной особенностью гетодики является динамический контроль над процессом смешивания. При этом вмерение параметров смеси производилось по трём группам: первая группа -|ценка однородности распределения компонентов смеси; вторая - оценка ютребляемой мощности; третья - оценка динамики взаимосвязанного изменения :войств смеси в процессе приготовления. Измерение мощности при комплексном «¡следовании совмещалось с первой или третьей группой свойств. Совместное ^следование однородности и динамики изменения свойств не проводилось, т.к. 1ервое из них предполагает остановку смесителя, а в динамических ^следованиях отбор проб осуществлялся на работающем смесителе, что тозволяло усреднять их состав.

Оценка однородности производилась на основании коэффициента вариации трочности. При выборе прочности на сжатие в качестве основного параметра «ходили из того, что прочность смеси однозначно зависит от распределения :вязующего по поверхности зерна В случае равномерного распределения

iZ

связующего по поверхности зерна достигается наибольшая прочность и, как следствие, не должно наблюдаться её колебаний. Параметр легко измеряется, не требует больших затрат времени. В качестве дополнительной характеристики качества смешивания определялась газопроницаемость. При проведении экспериментов в смеситель загружали песок (86%), на него сверху, в одно место, высыпали навеску сухой молотой глины (14%), включали смеситель и в течение 8-12 секунд добавляли воду (4%). Масса замеса во всех случаях составляла 45 кг. Смеситель останавливали на 1,3,6,10,20 и 30 минутах, отбирали 3 пробы из верхнего слоя смеси и 3 пробы из нижнего слоя, из которых изготавливали стандартные образцы. На образцах определяли прочность на сжатие и газопроницаемость для каждого момента времени, рассчитывали средние значения прочности, её дисперсию и коэффициент вариации.

Измерение потребляемой мощности в процессе смесеприготовления производили на самопишущем ваттметре, смонтированном на переносной лабораторной установке, с диапазоном измеряемых мощностей 1-100 кВт.

Основная идея методики оценки взаимного влияния свойств смеси состоит в тучен™ динамики их изменения в процессе длительного цикла смесеприготовления. Термин «длительный цикл» применяется нами в том понимании, что он превышает традиционно используемый на производстве для данного типа смесителей. При этом удаётся установить насколько полно достигаются предельные значения служебных свойства смеси в реальном рабочем цикле. Длительность экспериментального цикла принята равной 10 минутам, что по меньшей мере в два раза продолжительнее рабочего цикла наиболее тихоходных смесителей. Отбор проб производился в герметизированную ёмкость с изменяемой периодичностью - 1 минута на начальной стадии приготовления, так как свойства смеси изменяются более интенсивно, и 2 минуты на завершающей стадии. Методика предусматривает измерение следующих параметров и свойств смеси: - температура (в момент взятия проб);- прочность на сжатие, срез и разрыв; - газопроницаемость; ■ насыпной вес; - текучесть; - уплотняемость; - влажность. После завершения цикла смешивания пробы переносили в лабораторию формовочных материалов где с ними производились стандартные испытания. Результаты испытали? заносили в протокол установленной формы.

Комплексная методика применима к смесителям различных конструкций, г проведение экспериментов 3 группы выполнялось в соответствии < экстремальным факторным планом 2 . Варьировали следующие факторы на дву) уровнях: XI -содержание глины, на нижнем уровне 8%, на верхнем 12%; Х2 -влажность, на уровнях 3% и 5% соответственно; ХЗ -смесь, на нижнем уровн! использовали, свежую, на верхнем оборотную смесь; Х4 -смеситель, на нижне» уровне использовали плужковый, на верхнем роторный смеситель. При введенш глины в оборотную смесь, принималось во внимание присутствие в ней активно! глины в количестве 8%. С учётом этого на нижнем уровне свежая глина в смес не добавлялась, на верхнем уровне добавляли 4%. Обработку все экспериментальных данных производили в электронных таблицах EXCEL дл WINDOWS-95.

"лава 4. Исследование технологического процесса лопастного :месеприготоапения.

В плужковом, роторном и смесителях с рыхлителями обнаруживают себя эбщие черты рабочего процесса смесеприготовления: во всех случаях смесь подхватывается лопастью, приводится ею в движение и перебрасывается на новое место. Смесь при этом находится во взвешенном состоянии. В связи с этим данные смесители могут рассматриваться как однотипные по технологии смешивания, но имеющие различные скоростные характеристики. Плужковый смеситель - тихоходный, роторный - быстроходный, смесители с рыхлителями имеют промежуточные скоростные характеристики. Поэтому совместное исследование этих смесителей позволяет определить технологические возможности лопастного смесеприготовления.

Варианты лопастных смесителей получали путём замены рабочих органов на универсальном смесителе с ёмкостью замеса 100 кг. Вариант 1 - смеситель с Б-образной лопастью. В процессе перемешивания смесь уплотняется и разрыхляется различными частями лопасти. Вариант 2 - плужковый смеситель с пассивным рыхлителем. Донные плужки поднимают смесь с днища чаши, скребок счищает смесь, налипающую на боковую поверхность чаши. Пассивный рыхлитель выполнен в виде вертикальных пальцев, расположенных по периметру диска, установленного с возможностью вращения на траверсе. Рыхлитель приводится во вращение в результате неуравновешенного сопротивления движению пальцев, увеличивая интенсивность процесса смешивания. Вариант 3 -плужковый смеситель с активным рыхлителем, вращение которого осуществляется от дополнительного привода с заданной частотой. Вариант 4 -смеситель снабжён донными и боковыми плужками, смесеприготовление в нём производится только за счёт действия плужков. Вариант 5 - смеситель с плужками и ротором, выполненным в виде вертикального вала с горизонтально ориентированными лопастями, имеющими наклон к плоскости вращения.

Однородность перемешивания оценивалась на катковом и лопастных смесителях по вариантам 1,2 и 3. В первый период величины прочности, достигаемые смесью в катковом смесителе и в смесителях с активаторами одинаковы, для лопастного эти значения ниже. В дальнейшем происходит замедление интенсивности нарастания прочности вследствие произошедшего выравнивания распределения компонентов в смеси и покрытия песчинки глинистым связующим. Дальнейшее увеличение прочности происходит за счёт набухания глины, приводящей к увеличению её клеящей способности, а также равномерности распределения глинистой составляющей на песчинке кварца. В катковом смесителе из-за большого уплотняющего воздействия формируются более плотные глинистые оболочки, в остальных смесителях образующаяся оболочка носит рыхлую структуру. Вследствие постоянно повторяющихся актов взаимодействия песчинок происходит уплотнение рыхлых оболочек, что приводит к увеличению прочности связей. К 10 минуте перемешивания происходит выравнивание прочности в катковом, лопастном и смесителе с пассивным рыхлителем, прочность при активном рыхлителе на 10% выше.

Обращает на себя внимание, факт получения практически одинаковой прочности в различных смесителях в конце длительного цикла приготовления. При этом наблюдается снижение шгтенсивности нарастания прочности и уменьшение коэффициента вариаций до 5...8%, что свидетельствует о достижении смесью предельного уровня прочности. Реальные циклы смесеприготовления не превышают 5 минут. За это время в катковом и смесителях с рыхлителями смесь набирает до 80% от своей предельной прочности. В лопастном же смесителе прочность достигает всего 50% от максимального уровня и имеет наибольшее значение коэффициента вариации.

В смесителе, использующим активный рыхлитель, уже после первой минуты перемешивания разброс значений прочности не превышает 8%, а в конце цикла приближается к значению 5%, что является наименьшим значением среди всех смесителей. В катковом же смесителе коэффициент вариации изменяется не столь активно и только к 6 минуте достигает 8%. Эти результаты свидетельствуют о том, что хотя значения прочности смеси для смесителя с рыхлителем и каткового смесителя одинаковы, но более качественной следует считать всё же смесь, получённую при использовании рыхлителя. Данная смесь более однородна по составу, что в большей степени гарантирует сохранение полученных параметров прочности при её использовании.

В лопастном смесителе изменение коэффициента вариации носит стабильно медленный характер. При этом увеличение прочности носит такой же медленный характер. Это объясняется небольшой интенсивностью перемешивания компонентов и, как следствие, медленным ростом площади поверхностт песчинок, покрытых глинистым связующим.

Эксперименты по оценке взаимосвязанного изменения свойстс проводились на универсальном смесителе (варианты 4 и 5) в соответствии < экстремальным планом.

Прочность смеси на сжатие. Процесс перемешивания свежих формовочны: материалов и оборотной смеси сопровождается ростом значений прочносп смеси на сжатие. Однако, для различных смесей динамика процесса разная. ( наибольшей интенсивностью сырая прочность нарастает при смешивании свежи компонентов. Это объясняется существенной разностью значений прочности начальном и конечном состояниях. В первый момент времени компоненты смес находятся раздельно друг от друга и не образуют между собой связей, приготовленный из такой смеси образец не обладает сырой прочностью, роторно-плужковом смесителе процесс роста сырой прочности происходит очег динамично, уже после первой минуты перемешивания смесь облада« достаточной прочностью. В плужковом смесителе эти изменения носят весьч медленный характер и только после 10-ой минуты достигают значений, которые роторно-плужковом смесителе были достигнуты на 1-ой минуте смешивания.

Следует отметить, что значения прочности свежей смеси,приготовленной роторном смесителе,выше, чем у оборотной, за счёт наличия в оборотной сме< до 20% пыли и шамотизированной мелочи, которая связывает активную глину, плужковом смесителе картина представляется другой: прочность оборот» смеси выше, чем у свежей. Это объясняется недостаточной интенсивность

роцесса перемешивания плужками, песчинки и глинистое связующее не спевают равномерно распределиться по объёму смеси, в результате зёрна смеси казываются не полностью покрыты плёнкой связующего.

При использовании оборотной смеси динамика нарастания прочности в лужковом и роторном смесителях существенно ниже. Здесь, очевидно, казывается масштабный фактор, так как вводимые добавки по сравнению с сновной массой составляют 4%. Нарастание прочности в оборотной смеси вязано с процессом распределения влаги и набуханием глины, который более авномерно происходит в роторном смесителе.

Газопроницаемость. Для обоих типов смесителей газопроницаемость величиваются в течение процесса перемешивания вследствие повышения авномерности распределения компонентов в смеси; исчезновения «закупорок» [еж зёрновых пор в смеси, образуемых скоплением глины и влаги в отдельных (естах.

Однако в роторном смесителе при приготовлении свежей смеси с малой лажностью (3%) после 4-ой минуты отмечалось понижение газопроницаемости, оторое было напрямую связано с понижением уровня влажности и кстремальным характером зависимости газопроницаемости от влажности. В оторном смесителе происходит заметный нагрев смеси из-за интенсивного заимодействия частиц между собой и с рабочими органами смесителя, что риводит к испарению влаги. Кроме того, интенсивность испарения повышается з-за нахождения смеси в псевдоожиженном состоянии. В плужковом смесителе емпература смеси увеличивается всего на 2-5° С, смесь в псевдоожиженное осгояние не переводится, в результате потери влаги не наблюдается, азопроницаемость в процессе приготовления монотонно возрастает.

Изменение температуры и влажности. Начальная температура смеси была авной температуре окружающей среды 23-25° С в зависимости от условий спытаний, В процессе приготовления формовочной смеси происходит её нагрев, то связано с действием сил трения, возникающих как в самой смеси между омпонентами, так и при взаимодействии рабочих органов со смесью. Важную оль в подъёме температуры играет прочность смеси, увеличение которой ызывает приложения больших энергозатрат. В роторном смесителе как в случае боротной, так и смеси на свежих компонентах наблюдается стабильно высокое овышение температуры. Схожесть динамики изменения температуры бъясняется тем, что к первой минуте перемешивания, значения прочности равниваются. Подъём температуры к концу длительного цикла смешивания авен 11-15° С. Увеличение температуры свидетельствует об излишней энергии, рикладываемой к смеси со стороны рабочих органов смесителя. Во заимодействии со смесью участвуют не только плужки, но и быстро раздающиеся лопатки ротора. Значительное изменение температуры смеси лечёт за собой большую потерю влаги. В роторном смесителе эти потери остигают 20% от первоначального уровня. В плужковом смесителе изменение емпературы неодинаково для различных смесей. При смешивании оборотной меси температура поднимается на 5-7° С, а в свежей смеси всего на 2-4° С. Это

объясняется медленным ростом прочности свежей смеси в процессе приготовления. Потери влажности за длительный цикл не превышают 10 %.

Уплотняемость и насыпной вес. В роторном смесителе вследствие большого числа актов соударений происходит процесс уплотнения и оболочки становятся более плотными. Это подтверждается измерениями плотности смеси. Наиболее интенсивно уменьшение уплотняемости происходит для маловлажных смесей из свежих компонентов. При уменьшении содержания влаги смесь по своим свойствам приближается к сухому песку, уплотнение которого крайне незначительно.

В плужковом смесителе наблюдается другая картина: уплотняемость с течением времени увеличивается, плотность смеси уменьшается. Это происходит вследствие малой интенсивности соударений зёрен и, как следствие, большой рыхлостью зёрен. Также в смеси присутствуют рыхлые глинистые комки повышенной влажности, которые занимают существенный объём и под воздействием внешних сил раздавливаются и уплотняются.

Энергетические затраты. С целью определения оптимальной загрузки смесителя измеряли потребляемую мощность при различной массе замеса. Перемешивали сухую смесь и при влажности 3 и 5%. Установлено, что мощность холостого хода в смесителях по вариантам 1,2 и 4 составляет 50% от номинальной мощности двигателя. По мере увеличения загрузки потребляемая мощность возрастает и достигает номинального значения при загрузке 100 кг влажной смеси. Для сухой смеси максимально возможная загрузка составляет 200 кг, при этом потребляемая мощность составляет 75% от номинальной. Мощность холостого хода у смесителей по вариантам 3 и 5 составляет 60% от номинальной, а полная нагрузка на привод наблюдалась при массе замеса 100 кг. Таким образом, было установлено, что номинальная загрузка смесителя составляет 100 кг.

Измеряли мощность, потребляемую приводом при длительном цикле. Во всех измерениях наблюдалась одинаковая закономерность - мощность возрастала по мере приготовления смеси, что происходит за счёт увеличения прочностных свойств смеси. При сопоставлении затрат на приготовление одного килограмма смеси в роторном и плужковом смесителе видно, что потребляемая мощность привода роторного смесителя больше чем плужкового. Однако, за счёт более быстрого приготовления смеси в роторном смесителе его удельная работа смесеприготовления в три раза меньше, чем в плужковом.

Глава 5. Теоретическое исследование работы роторно-плужкового смесителя

В главе рассматривается кинетика и динамика взаимодействия смеси с рабочими органами роторно-плужкового смесителя. В комплексе решены две связанные задачи: дня взаимодействия потока смеси с донным плужком и пакета смеси с лопастью ротора Донный плужок и ротор в смесителе работают в паре, при этом плужок поднимает смесь со дна чаши и подбрасывает её вверх, образуя сплошную завесу перед следующим за ним ротором. Лопасти ротора набегают на частицы смеси и захватывают их. После попадания смеси на лопасть ротора

юинается её ускоренное движение вследствие действия сил инерции. Смесь, мггигнув края лопатки или оторвавшись от нее, продолжает полёт в эостранстве чаши. В результате соударения частиц между собой, частицами [инистой пасты, со стенками и дном смесителя происходит формирование [инистых оболочек на зёрнах песка и их уплотнение. За счёт большого числа олкновений в единицу времени цикл смешивания сокращается.

В результате решения первой задачи определены частота вращения жного плужка (1-2с"1), обеспечивающая непрерывную подачу потока смеси на )пасти ротора, и геометрические параметры плужка. Спроектирован плужок с (меняющимся по длине углом наклона, который обеспечивает снижение более ;м в 2 раза мощности на его привод.

При разработке математической модели механического взаимодействия <еси с лопастью ротора учитывалась возможность получения расчетных данных } динамике движения смеси на лопасти в процессе её разгона и кинетических фактеристик после её отрыва от лопасти. Эти две группы важных параметров ¡обходимы' для расчета мощности привода ротора и определения его жструктившлх характеристик, обеспечивающих получение технологически ^обходимых скоростей движения смеси. Последнее тесно смыкается с следованием процесса обволакивания зерен смеси глинистой оболочкой. Таким 5разом, математическая модель одновременно находит свое применение для ючета конструктивных параметров смесителя и технологии «есеприготовления.

Движение пакета формовочной смеси на лопасти происходит по плоской »аектории. Для упрощения пакет смеси заменён материальной точкой, масса ггорой равна массе пакета.

Для того чтобы составить дифференциальное уравнение движения атериальной точки в инерциальной системе координат в форме второго закона ьютона, необходимо к действующим на точку активным силам и реакциям »язей присоединить переносную и кориолисову силы инерции:

та, = + /7"+ ¥"" + V" + Р., , (3)

Где: т -масса точки (пакета смеси); аг- ускорение точки относительно лтасти; щр -сила тяжести точки; N -нормальная реакция плоскости лопасти; сила трения скольжения; Ре - центробежная сила инерции; Рк - кориолисова ша инерции.

Для построения математической модели динамики движения пакета смеси годились проекции данных сил на оси координат Для этого был

отменён аппарат матриц преобразования координат, суть которого заключается составлении матриц из косинусов углов между осями двух систем координат.

На основании математической модели составлена программа «РОТОР» на ¡ыке программирования ОЕЬРШ. В программу вводят исходные данные для »счёта: частоты вращения ротора и чаши со смесью (об/мин); коэффициент >ения смеси по поверхности лопасти; координаты входа смеси на лопасть (мм); 'ол наклона лопасти к вертикальной оси (град). В качестве результатов счёта на

<ъ

экран выводится траектория движения точки по лопасти, время движения смеси по лопасти и ее угол поворота за это время, координаты схода пакета смеси с лопасти и соответствующие им составляющие скорости схода, сила нормального давления смеси на лопасть, максимальное значение мощности расходуемое на поворот лопасти. Для оценки влияния факторов на движение пакета смеси по лопасти изучали влияние одного из них при фиксированных значениях других. Анализ полученных данных позволяет сделать следующий вывод: оптимальным наклоном лопасти ротора к горизонту является угол в 20-40°, частота вращения ротора 600-800 об/мин. Сочетание данных параметров обеспечило получение качественной смеси при минимальных энергозатратах.

Общие выводы по работе

1. На основании анализа процесса смесеприготовления в различных смесителях впервые выявлен общий для всех процессов механизм нанесения оболочки связующего в результате внедрения зёрен в глинистую прокладку, учитывающий потребление энергии. Величина работы по нанесению оболочки связующего принята за эталонную работу смесеприготовления, которая определяется как произведение работы одного акта взаимодействия на их число, необходимое для формирования оболочки. Причём работа одного акта возрастает пропорционально квадрату относительной глубины внедрения зерна в глинистую прокладку, а число актов меняется обратно пропорционально названной величине.

2. Применён метод Мокге-Карло для моделирования случайного процесса взаимодействия зёрен смеси с глиной. Получена зависимость числа актов взаимодействия зёрен от относительной глубины внедрения (п = б^Ь"0,94).

3. Установлено, что характерная величина внедрения зёрен смеси, радиусом И, в глинистую прокладку в роторных смесителях не превышает 0,311, а в катковых составляет 0,7-111, что связано с величиной работы для осуществления процесса смесеприготовления, величина которой в роторных смесителях составляет 3 кДж/кг, а в катковых 6 кДж/кг, т.о. роторные смесители по сравнению с катковыми потребляют меньше энергии.

4. Эталонная работа смесеприготовления используется для определения скорости полёта зёрен смеси в роторном смесителе, величина которой не должна превышать 18-20 м/с во избежании разрушения плёнок связующего на зёрнах или самих зёрен.

5. Получено уравнение для определения величины удельной (на единицу массы) эталонная работа смесеприготовления, которая зависит от состояния и характера взаимодействия зерен в процессе смешивания. При этом состояние смеси учитывает коэффициент взаимодействия (а) и напряжение внедрения (а), а характер взаимодействия - коэффициент глубины (ф) и относительная глубина внедрения (Ь).

6. Произведено ранжирование 9 типов смесителей по удельной работе смесеприготовления. Величина удельных энергозатрат изменяется от 1,8

кДж/кг у барабанных смесителей, до 50 кДж/кг у ценгробежно-планетарных смесителей.

1. Разработана комплексная методика для сравнительной оценки смесителей, которая включает изучение взаимосвязанного изменения физико-механических параметров смеси, её однородности и энергопотребления в процессе длительного цикла смешивания Однородность смеси оценивается по коэффициенту вариации прочности. Динамика изменения физико-механических параметров смеси определялась в длительном цикле смешивания при адаптированной периодичности отбора проб. Энергопотребление фиксировалось непрерывно и увязывалось с изменением свойств. Обработка экспериментальных данных производится в электронных таблицах "EXCEL" для Windows-95".

]. В процессе смесеприготовления должно сочетаться быстрое равномерное распределение компонентов смеси и интенсивное формирование оболочек связующего, что достигается совместным использованием рыхлителей и плужков, или увеличением скорости движения рыхлителей.

>. В роторном смесителе вследствие высокой интенсивности взаимодействия как самих компонентов смеси, так и смеси с рабочими органами происходит значительный нагрев смеси, что вызывает интенсивное испарение влаги приводящее к снижению уплотняемости и газопроницаемости.

О.На основании теоретических положений и экспериментальных данных в работе получены следующие практические результаты: на базе универсального смесителя НИИуглемаша разработан и изготовлен роторно-плужковый смеситель, конструкция которого защищена свидетельством на полезную модель по заявке № 99120905; смеситель внедрён на Копейском и Авжерском машиностроительных заводах; даны практические рекомендации по модернизации смесеприготовительного отделения с экономическим эффектом 100 тыс. руб. на ОАО «Нижегородский теплоход» г. Бор;

разработана программа «РОТОР», для расчёта на ЭВМ кинематических и динамических характеристик движения пакета формовочной смеси по лопасти ротора.

)сновное содержание диссертации отражено в следующих работах:

. Трешалин A.B., Ершов М.Ю., Миронов A.B. Сравнительный анализ бсскатковых смесителей. // Литейное производство.-1998.-Ха2-3.-С.24-25.

. Ершов М.Ю., Трещалин A.B., Ерёмин C.B. Процесс нанесения глинистой оболочки на кварцевый песок. // Литейное производство.-1998.-№2-3.-С.41-42.

. Трещалин A.B. Разработка ресурсосберегающего оборудования в литейных цехах угольного машиностроения. //Программа научного симпозиума «Неделя горняка -98». Москва, 1998, С 51.

. Ершов М.Ю., Трешалин A.B. Пути решения экологических проблем в смесеприготовительных отделениях литейного производства. //Тезисы докладов на научно-технической конференции «Экология и экологичность», Одесса, 1998.

. Ершов М.Ю., Бсжкова Л.В., Трещалин A.B. Комплексная математическая модель скоростного смесеприготовления. //Тезисы доклада на международной научно-технической

¿и

:<s

конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования информациошплх технологий», Москва-Сочи, 1999.

6. Романов О.М., Трещзлин В.В., Трещалин A.D. Совершенствова! смссафшшовнтсяьного оборудования', // Тезисы доклада на XXVH Научно-тсхничси конференции АЛИ «Автотракторосгроение. Промышленность и высшая школа к 60-лет воссоздания МАМИ». Москва, МГТУ-МАМИ, 29-30 сентябри 1999 г.

7. Ершов М.Ю., Трещалин А.В. Технологические особенности скорости смсхспр;аитовления. //Тезисы доклада на XXVII Научно-технической конференции А «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа к 60-летию воссозда] МАМИ», Москва, МГТУ-МАМИ, 29-30 сентября 1999 г.

8. Трещалин А В., Ершов MJO., Миронов Ю.А. Высокоскоростное смешивание эффективный способ получения сложных стержней из ХТС в мелкосерийном произвола ■ЛУ-съезд литейщиков России, тезисы докладов, Москва, 20-24 сентября 1999 г.

Трещалин Александр Викторович

Развитие представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинист: смесей в аппаратах роторного типа и разработка рекомендаций по их совершенствованию.

05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата техническ

наук

Лицензия ЛР №021209 от 17 апреля 1997 года. Подписано в печать 22.02.2000. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №2. Офсет, печать. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 80. Заказ. ХО ' Ротапринт МГТУ «МАМИ». 105839. Москва. Б.Семёновская,38.