Научная статья на тему 'Тенденции в развитии систем смесеприготовления'

Тенденции в развитии систем смесеприготовления Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
111
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The system of automation of the mix preparation process using control of the sands specific humidity by means of microwave methods is developed.

Текст научной работы на тему «Тенденции в развитии систем смесеприготовления»

{Г.ггшжш I ПЧ

- a (44). 2007/ IШшЧМ

Л. / /

ji " Л ИТЕЙНОЕ1 ПРОИЗВОДСТВО

The system of automation of the mix preparation process using control of the sands specific humidity by means of microwave methods is developed.

V

__—

В. Ф. ОДИНОЧКО, Д. Л. КОСТЫЛЕВ,

Белорусский национальный технический университет УДК 62174

ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ СИСТЕМ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ

По оценкам отечественных и зарубежных специалистов, около 80% всего объема отливок изготавливается в разовых формах из единых формовочных смесей. При этом более чем в 70% случаев брак отливок в отечественном литейном производстве связан с получением некачественной формовочной смеси и дефектами литейной формы.

Основные физико-механические свойства формовочных смесей определяются адгезионными и когезионными силами, действующими в объеме смеси, взаимодействием между частицами смеси, происходящим либо через оболочку, либо непосредственно между зернами наполнителя связующего.

Соответственно в формировании свойств смеси на стадии приготовления основными факторами влияния являются, во-первых, тип (или собственные характеристики) связующей композиции и ее количество, а, во-вторых, равномерность и характер распределения связующей композиции и других компонентов в объеме смеси.

В общем случае приготовление формовочной смеси представляет собой процесс образования термодинамически устойчивой скелетной системы коагуляционного типа. При этом процесс перемешивания компонентов сопровождается сложным комплексом физико-химических явлений, влияющих на конечный результат — качество смеси. При смешивании механизм смесителя создает в объеме смеси организованный поток составляющих. Внутри этого потока отдельные частицы, соударяясь, движутся беспорядочно. Процесс их движения и траектории подчиняются законам теории вероятности.

В первый момент твердая и жидкая фазы изолированы друг от друга. В ходе смешивания происходит механическое распределение жидкой фазы между элементами твердой. В дальнейшем за счет адгезии и капиллярных сил происходит

смачивание жидким компонентом отдельных зерен песка и образование вокруг них оболочки. Интенсивность смешивания зависит от конструкции рабочих органов смесителя и скорости их движения, физико-механических свойств компонентов смеси, их состояния, относительных размеров их частиц.

Несмотря на то что предельно достижимая неоднородность смеси увлажненного песка и глины получается после относительно непродолжительного смешивания, формовочная смесь за это время не приобретает заданных технологических свойств (прочность и газопроницаемость). В этот период смешивания основная часть глины располагается в виде агрегатов между песчинками и только небольшая часть ее располагается на поверхности песчинок, образуя пленочку, через которую реализуются новые контакты между частицами, придающие смеси большую прочность.

Дальнейшее обволакивание зерен песка глиной происходит при многократном создании в смешиваемом объеме уплотненной и разрыхленной структуры, вследствие чего вся поверхность зерен покрывается оболочкой глины, придавая смеси максимальную прочность.

При более длительном перемешивании влага, содержащаяся в смеси, начинает интенсивно испаряться. В связи с этим отдельные глинистые частички уже не могут располагаться параллельно друг другу, так как вода, находящаяся между ними, перестала играть роль смазки и способствовать их благоприятному расположению. Перемешивание смеси в этих условиях приводит к тому, что глинистые частички в оболочке начинают располагаться хаотически. Такая структура придает глинисто-водным оболочкам после сушки хрупкость, а смесь становится малопрочной.

В общем процесс перемешивания есть непрерывное разрушение и образование коагуляцион-ных контактов, которое сопровождается ростом

10В ¡ГШ^ГАШЛЛШЯ

1£>и / в (44). 2007 -

межфазной поверхности раздела «связующее—наполнитель» за счет более равномерного распределения связующего по объему смеси (увеличение количества контактов) и более полного обволакивания зерен наполнителя (увеличение площади контакта). Параллельно из отдельных компонентов жидкой фазы (связующее, специальные добавки, вода и т.д.) идет образование связующей композиции — суспензии, эмульсии, коллоидного раствора (если только композиция не была подана в смесь уже в готовом виде) и своего рода механическая активация связующего и поверхности наполнителя. При этом равномерное распределение жидкой связующей композиции по объему смеси происходит со значительным опережением процесса образования равномерной пленки связующего на поверхности зерна наполнителя и активации связующего.

На характеристики формовочных и стержневых смесей в процессе их приготовления важней-шнее влияние оказывают конструкция смесителя и режимы смесеприготовления (включая интенсивность, время перемешивания и порядок ввода компонентов в процессе перемешивания).

Выбор смесителей определенного типа обусловливается следующими факторами: реологическими характеристиками смеси и входящих в ее состав компонентов, а также ее технологическими свойствами, живучестью, гигроскопичностью и т.д.; характером производства; индивидуальными особенностями цеха; объемом выпуска отливок.

Все многообразие используемых в литейном производстве смесителей по режиму работы можно разделить на две большие группы:

• смесители циклического (периодического) действия;

• смесители непрерывного действия.

В смесителях циклического действия материал перемешивается отдельными порциями (замесами). Каждая новая порция может быть загружена в смеситель лишь после выгрузки из него предыдущего замеса. Это позволяет регулировать длительность цикла перемешивания и состав замеса в зависимости от требований и назначения приготавливаемой смеси.

Смесители циклического действия, в основу которых положена жесткая программа, определяющая последовательность, характер и продолжительность отдельных операций, требуют применения различного рода дозаторов и других устройств, обеспечивающих получение заданного состава смеси и периодическую выдачу готового замеса. Эти смесители относительно легко поддаются автоматизации и позволяют обеспечить достаточно строгий контроль каждой порции смеси, поступающей на формовку.

В смесителях непрерывного действия загрузка, перемешивание и выгрузка готовой смеси ведутся одновременно и непрерывно. Машины этого типа

более экономичны и имеют, как правило, более высокую производительность. Однако автоматизация, а главное реализация строгого дозирования отдельных компонентов смеси и управление ее качеством, представляет большую сложность. Это относится в первую очередь к приготовлению единых формовочных смесей (ЕФС).

В связи с этим для приготовления ЕФС используются в основном смесители периодического действия.

Известно, что традиционными агрегатами для приготовления формовочных смесей на протяжении весьма длительного периода служили катко-вые и центробежные смесители. Механизм перемешивания в такого рода смесителях заключается в перетирании и «намазывании» связующего на зерна наполнителя. Энергия, необходимая для распределения связующего в объеме смеси и по поверхности зерен, в этом случае является результатом работы, в первую очередь, статических сил. Отсюда высокая относительная энергоемкость (до 3,5 кВт-ч на 1 т готовой смеси), невысокая производительность (до 40 т/ч), сравнительно большая удельная материалоемкость на единицу производительности (до 400 кг/т/ч). Прочность приготавливаемых смесей ограничена 0,12 МПа.

В последнее десятилетие в литейном производстве идет обновление парка смесеприготовитель-ного оборудования. На смену катковым и центробежным смесителям, длительное время работавшим в литейных цехах, приходят смесители турбинные.

Турбинное смешивание отличается высокими линейными и вращательными скоростями движения частиц наполнителя. Распределение связующего в объеме смеси и по поверхности зерен наполнителя происходит под воздействием высоких динамических энергий. Интенсивное разнонаправленное поступательно-вращательное движение всей смеси, ее микрообъемов и каждой отдельной частицы обеспечивает получение высококачественной смеси, отличающейся высокой степенью гомогенности и безупречным покрытием каждого зерна. Высокие скорости движения зерен и непрерывное соударение частиц приводят к так называемой механической активации связующего комплекса, обеспечивая тем самым повышение прочностных характеристик смеси. Непрерывная аэрация смеси во время перемешивания улучшает ее формуемость и уплотняемость, позволяет готовить высокопрочные смеси (более 0,2 МПа).

Высокоскоростные турбинные смесители — это современные эффективные смешивающие агрегаты с вращающимися или неподвижными чашами, имеющие общие конструктивные черты. У турбинных смесителей по сравнению с катковыми чаша имеет большую высоту по отношению к диаметру.

В конструкциях с вращающейся чашей, например в смесителях фирмы «Eirich», чаша опирается на подшипник и связана с приводом, обеспечивающим ее вращение. Внутри чаши на вертикальном валу размещена турбина с несколькими рядами радиально ориентированных лопастей. Турбина имеет самостоятельный привод, обеспечивающий ее вращение с частотой до 1000 об/мин. На другом вертикальном валу размещены скребки и мешалки, вращающиеся с меньшей, чем турбина, частотой.

Примером смесителей с неподвижной чашей являются смесители компании «Georg Ficher Disa». Смесители с неподвижными чашами имеют вращающуюся в ней траверсу (водило), на которой размещается одна или две высокоскоростные турбины, а также ^кребки для очистки стенок чаши смесителя. Траверса опирается на центральную стойку, к которой крепится плужок, очищающий днище чаши и подающий смесь под турбину. Привод траверсы (20—30 об/мин) и двигатель привода турбины располагаются на крышке смесителя. Привод скоростной турбины (300— 600 об/мин) находится в корпусе траверсы. На турбине в три—четыре яруса устанавливаются сменные износостойкие лопатки, которые при вращении турбины обеспечивают аэрацию смеси и равномерное распределение входящих в ее состав компонентов.

Получаемая в турбинных смесителях формовочная смесь отличается высокой степенью гомогенности и безупречным покрытием каждого зерна связующим. Смесители этого типа используются, как правило, для приготовления прочных и высокопрочных песчано-глинистых и пластичных самотвердеющих смесей для механизированных и автоматических формовочных линий. В таких смесителях практически исключаются перетирание и измельчение зерновой основы смеси, имеющие место в катковых смесителях.

Турбинные смесители по сравнению с Катковыми и центробежными имеют меньшую относительную энергоемкость (от 2 до 3 кВт • ч на 1 т готовой смеси), производительность (от 40 до 60 т/ч) и удельную материалоемкость на единицу производительности (до 150 кг/т/ч).

Безусловной тенденцией в развитии современных систем смесеприготовления является применение специальных автоматических систем точного определения свойств формовочных смесей. Постоянный контроль параметров свойств формовочной смеси необходим для предупреждения образования брака отливок и уменьшения затрат на формовочные материалы и очистку отливок.

Для обеспечения качества формовочных смесей в современных системах их приготовления применяется непрерывный и полностью автоматизированный процесс управления с помощью мультиконтроллеров на основе сравнения заданных параметров смеси и практически получен-

/хг^г: [г/шг~:гш 1107

--- 4 (44), 2007/ Ifcff

ных результатов испытаний образцов (песчаных цилиндров).

Прибор для контроля технологических свойств смеси (уплотняемости, твердости, прочности образца при срезе и сжатии) обычно устанавливается на выходе из смесителя и размещается над ленточным транспортером, принимающим из него смесь. Он представляет собой стол или платформу и может состоять из одной или нескольких позиций, на которых изготавливается образец и определяются различные свойства смеси. Усилия, которые измерительные цилиндры оказывают на смесь при ее испытаниях на уплотнение, срез и сжатие, обычно определяются силоизмерительны-ми датчиками, установленными на штоках этих цилиндров.

Требуемое количество воды определяется путем сравнения заданной плотности и реально полученной. При этом расчете учитываются масса загрузки и существующие условия влажности. На основании этого электронная дозирующая система обеспечивает добавление в смесь необходимого количества воды.

Оптимальное количество бентонита также рассчитывается путем сравнения заданной прочности формы и полученной при испытании образца. С помощью мультиконтроллера необходимое количество бентонита добавляется в следующую загрузку для получения фактического значения прочности в заданных пределах. Все заданные параметры и полученные результаты испытаний образцов могут быть отображены на экране компьютера и распечатаны в цифровом или графическом виде.

На кафедре «Машины и технология литейного производства» Белорусского национального технического университета разработан способ контроля влагосодержания формовочных смесей с помощью СВЧ-методов. Этот способ отличается высокой точностью, относительной простотой и дешевизной инструментальной реализации, возможностью бесконтактных измерений и высокой информационностью оценки.

Технологическая схема автоматизированной системы приготовления песчано-глинистых формовочных смесей, работающей на многих заводах Республики Беларусь и Российской Федерации, показана на рисунке. Система может быть использована для обеспечения формовочной смесью литейного конвейера или автоматической литейной линии.

Технологическое оборудование системы: бункер-накопитель /, весовой бункер-дозатор оборотной смеси III, дозатор суспензии IV, смеситель V, бункеры VII и IX, выбивная установка X, магнитные сепараторы XI, XV и XVI, сито XIII, установка охлаждения и обеспыливания XVIII, элеватор XIX, ленточные конвейеры II, VI, VIII, XII, XIV, XVII и XX. Система оснащена средствами

ioo //ИТГШГ КЯРМТСШ

Ш£ЛЛ I в (44), 2007 -

автоматизации: датчики наличия материала 1 и 6, датчик массы 4, датчики влажности 2, 7 и 10, датчики температуры 3, 8, 11 и 12, а также исполнительные механизмы привода направляющих плужков 9, дозаторов глинистой суспензии и воды 5 и 13 соответственно. Число используемых приборов контроля влажности и температуры зависит в общем случае от числа смесителей, включенных в единую систему сме-сеприготовления. Информация о протекании технологического процесса и контролируемых параметрах формовочной смеси поступает в центр управления системой (ЦУС), который оснащен ПЭВМ, контроллером и блоком бесперебойного питания.

Контроль количества поданной в смеситель глинистой суспензии производится с помощью дозатора суспензии IV, управление потоком смеси—с помощью приводных направляющих плужков. Стабильность массы замеса обеспечивается весовым дозатором оборотной смеси III. Корректировка температуры смеси осуществляется системой дополнительного охлаждения непосредственно в смесителе (если смеситель оборудован системой отсоса пыли) и изменением количества воды, подаваемой на орошение смеси в установке охлаждения и обеспыливания XVIII. Оборотная смесь из бункера-накопителя / по ленточному конвейеру II поступает в дозатор III, проходя между излучающей и приемной антеннами датчика СВЧ-влагомера 2. Информация о влагосодержании и температуре оборотной смеси передается и обрабатывается в ЦУС, где в соответствии с заданными параметрами готовой формовочной смеси вырабатываются управляющие команды для исполнительных механизмов 5 и 13.

Приборы контроля на выходе из смесителя отслеживают параметры готовой формовочной смеси, обеспечивая, таким образом, контроль технологического процесса перемешивания: срабатывание исполнительных механизмов, точность дозирующих устройств, адекватность работы датчиков, контролирующих параметры оборотной смеси. По показаниям этих приборов можно оценить качество работы смесителя. В случае если замес, выпущенный из смесителя, не укладывается в заданные параметры готовой смеси (по влагосодержанию или температуре), срабатывает исполнительный механизм 9 направляющего плужка и смесь сбрасывается на конвейер XVII.

Приборы контроля влажности и температуры, установленные в бункере IX в непосредственной близости от формовочной машины, позволяют отслеживать изменения влажности и температуры формовочной смеси, произошедшие при транспортировке смеси от смесителя к формовочной машине. При этом они выполняют и функцию гибкой обратной связи, внося необходимые корректировки в работу ЦУС и обеспечивая ее самонастройку при изменениях температуры и влажности в цехе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.