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

Актуальность работы. Постановка темы диссертационной работы вытекает из актуальной научно-технической задачи по экономии энергии, важность которой особенно возросла в последнее десятилетие в связи с резким изменением цен на электроэнергию. Способ литья в сырых песчано-глинистых формах по-прежнему остаётся самым распространённым, им производят более 7 0% валового выпуска отливок. При этом для получения 1 тонны отливок приготавливают в среднем 10 тонн формовочной смеси, что делает потребление электроэнергии на смесеприготовление весьма существенным.

В настоящее время в литейных цехах для приготовления сырых песчано-глинистых смесей применяется более 10 различных типов смесителей. В России основной парк составляют катковые (одиночные и сдвоенные), центробежные смесители, встречаются плужковые и другие конструкции. В странах Западной Европы широкое распространение получили роторные смесители. Названные машины имеют различные рабочие органы, производящие специфическое для каждого из них воздействие на смесь. Так, например, каток уплотняет смесь и производит ее растирание в результате буксования и проскальзывания, плужки рыхлят уплотнённую смесь и производят её перемешивание, ротор приводит смесь в псевдоожиженное состояние. Вместе с тем во всех смесителях достигается одинаковый результат — нанесение плёнки связующего на зёрна формовочной смеси, что является общей чертой для всех смесителей и конечной целью смесеприготовления. Отыскание общих закономерностей в механизмах формирования оболочек связующего в различных смесителях представляет несомненный научный интерес.

Исторически сложилось так, что последние полвека катковые смесители занимали доминирующее положение в литейных цехах. Переход от катковых к бескатковым смесителям происходил постепенно, а интенсификация процесса смешивания осуществлялась за счёт установки в дополнении к каткам различных активаторов: рыхлящих пластин, пальцев, плужков, лопастей, роторов. За рубежом имеется некоторый опыт по эксплуатации данных смесеприготовительных аппаратов. Однако, приводимые в проспектах зарубежных фирм характеристики носят в основном рекламный характер. Получены они при испытаниях на формовочных материалах и связующих, отличных от применяемых в России. В нашей стране почти полностью отсутствует опыт эксплуатации смесителей нового поколения. В связи с этим разработка практических рекомендаций для скоростного смесеприготовления должна быть востребована промышленностью.

Цель работы. Снижение энергопотребления в процессе приготовления и повышение качества сырых песчано-глинистых формовочных смесей. Поставленная цель достигается путём решения следующих научных и технических 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 затратпроведение обобщающего анализа энергопотребления у смесителей различного типа и их ранжирование по экономичностиразработка комплексной методики оценки рабочих процессов смесителей, проведение сравнительных испытаний смесителей и получение на их базе практических рекомендаций по ведению технологического процесса смесеприготовленияразработка математической модели рабочего роторно-плужкового смесителя с целью снижения энергетических затрат.

Методы исследования. в работе используются следующие методы научных исследований:

Теоретическое исследование и экспериментальное моделирование внедрение шара в объём глинистого связующего, с привлечением методов математической обработки результатов экспериментов.

Метод Монте-Карло для моделирование случайного процесса взаимодействия зерна шаровой формы с глинистой пастой.

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

Научная новизна работы.

На основании анализа процесса смесеприготовления в различных смесителях впервые выявлен общий для всех процессов механизм нанесения оболочки связующего в результате внедрения зёрен в глинистую прослойку, 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.

Установлено, что характерная величина внедрения зёрен смеси, радиусом R, в глинистую прослойку в роторных смесителях не превышает 0.3R, а в катковых составляет 0.7−1R, что связано с работой для осуществления процесса смесеприготовления, величина которой в роторных смесителях составляет около 3 кДж/кг, а в катковых около б кДж/кг.

Выполнено ранжирование 9 типов смесителей по удельной работе смесеприготовления, которая складывается из эталонной работы смесеприготовления, работы по перемешиванию смеси и работы холостого хода. Показано, что в процессе совершенствования смесителей наблюдается тенденция снижения удельной работы смесеприготовления. Разработана комплексная методика по изучению 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.

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 приведённых выше положений и результатов исследований даны практические рекомендации по модернизации смесеприготовительного отделения с экономическим эффектом 100 тыс. рублей на ОАО «Нижегородский теплоход» г. Бор, Нижегородской области.

Результаты проведенных исследований использованы при проектировании и эксплуатации в промышленности универсального смесителя формовочных материалов, который внедрён на Копейском машиностроительном заводе (Челябинская область) и заводе «Анжеромаш» (г. Анжеро-Судженск, Кемеровская область). Конструкция смесителя защищена свидетельством на полезную модель по заявке № 99 120 905.

Установка и методика оценки свойств глинистых паст применяется для накопления сведений о свойствах отечественных глин.

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

Комплексная методика сравнительных испытаний использовалась для оценки рабочих процессов в смесителях.

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете «МАМИ» на кафедре «МиТЛП». Внедренческая часть работы выполнялась совместно с НИИТуглемашем.

В проведении лабораторных экспериментов на протяжении 19 97−99 годов принимали участие студенты: Ерёмин С, Весёлкина Н, Шакиров М, Филонов Д. По результатам работы сделаны сообщения на студенческих научно-технических конференциях и выполнены специальные части дипломных проектов.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «МиТЛП» МГТУ «МАМИ», заслуженному деятелю науки и техники РФ, проф., д.т.н Трухову А. П., проф., д.т.н. Фоченкову Б. А., проф., к.т.н. Мысовскому B.C., доц., к. т.н. Благонравову Б. П. за ценные замечания и советы при подготовке диссертации.

Основные выводы и практические результаты работы.

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 Монте-Карло для моделирования случайного процесса взаимодействия зёрен смеси с глиной. Получена зависимость числа актов взаимодействия зёрен от относительной глубины внедрения (n = 6,99L~.

3. Установлено, что характерная величина внедрения зёрен смеси, радиусом R, в глинистую прокладку в роторных смесителях не превышает 0,3R, а в катковых составляет 0,7-lR, что связано с величиной работы для осуществления процесса смесеприготовления, величина которой в роторных смесителях составляет 3 кДж/кг, а в катковых б кДж/кг, т.о. роторные смесители по сравнению с катковыми потребляют на 50% меньше энергии.

4. Эталонная работа смесеприготовления используется для определения скорости полёта зёрен смеси в роторном смесителе, величина которой не должна превышать 18−2 0 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 (ос) и напряжение внедрения (ст), a характер взаимодействия — коэффициент глубины (ф) и относительная глубина внедрения (L).

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 центробежно-планетарных смесителей.

7. 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» .

8. Показано, что в процессе смесеприготовления должно сочетаться быстрое равномерное распределение компонентов смеси и интенсивное формирование оболочек связующего, что достигается совместным использованием плужков и ротора.

9. Выведены формулы для расчёта мощностей привода плужков и ротора, доказана техническая и энергетическая необходимость использования плужков с переменным по длине углом наклона лопасти.

10. Определены предельно допустимые скорости частиц смеси с лопаток ротора.

11. 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.

12. На основании теоретических положений и экспериментальных данных в работе получены следующие практические результаты:

— на базе универсального смесителя НИИТуглемаша разработан и изготовлен роторно-плужковый смеситель, конструкция которого защищена свидетельством на полезную модель по заявке № 9912 0905, смеситель внедрён на Копейском и Анжерском 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.

— I г 1 хбо.