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

Актуальность темы

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать элементы теории использования центробежнолопаточного способа обработки при сухом истирании поверхности частиц кварцевого песка.

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

3. Разработать физическую и математическую модели взаимодействия частиц сыпучих материалов во время обработки в центробежно — лопаточной оттирочной машине.

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

5. Определить технологические режимы обработки формовочных песков в центробежно — лопаточной оттирочной машине и провести их практическую апробацию, а также оценить их влияние на параметры качества очистки.

Направление исследований. Основными направлениями исследований являются:

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

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

Методы исследований. При проведении комплексного гранулометрического анализа песков были использованы как хорошо известные методики исследований (в частности метод ситового анализа при помощи стандартизованных сит по ГОСТ 23 409.24 — 78)., так и вновь разработанные автором методики электронного анализа гранулометрических параметров структуры зернистых материалов, реализованные в прикладной программе «GRANULA».

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

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

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

На защиту выносятся.

1. Основы теории и технологии регенерации и обогащения формовочных песков в центробежно — лопаточной оттирочной машине.

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

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

4. Практические результаты исследований.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

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

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

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

Практическая ценность данной работы:

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

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

Для учебного процесса — спроектирована и изготовлена лабораторная центробежно — лопаточная оттирочная машина, используемая на кафедре MJIC РГАТА при выполнении лабораторных работ и дипломного проектирования.

Апробация работы.

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

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

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

Личный вклад автора состоит:

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

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

3. В проектировании и изготовлении лабораторной центробежнолопаточной оттирочной машины;

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

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов по работе, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 195 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 25 таблиц, библиографию из 100 позиций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработаны основы теории и определены технологические режимы обогащения и регенерации формовочных песков в центробежно — лопаточных машинах. Используя эти результаты, создано лабораторное и промышленное оборудование, обладающие малыми циклом обработки, установленной мощностью и компактностью, при этом обеспечивающее получение качественных формовочных песков.

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе были разработаны основы новогоцентробежно — лопаточного — способа очистки поверхности сыпучих материалов от различного рода загрязнений и инертных плен. Новизна способа подтверждена патентом РФ.

Было установлено, что эффективное удаление поверхностных плен при механической обработке, напрямую зависит от интенсивности силовых воздействий, направленных на частицы материала. Этим обусловлена необходимость задавать определенный уровень напряжений в обрабатываемом материале, а также создавать различного рода механические нагрузки. Анализ процессов взаимодействий в новом способе показал, что при центробежно — лопаточной обработке, удаление загрязнений с поверхности частиц сыпучих материалов происходит в результате комплексного воздействия статических и ударных силовых нагрузок, а также усталостного изнашивания при трении скольжения частиц между собой и рабочими органами машины. В результате была разработана физическая модель получено аналитическое выражение, связывающее технические и технологические параметры центробежно — лопаточной обработки с минимальным временем взаимодействий между частицами, приводящими к полному удалению поверхностной плены. т =¦ пол о+впу-и3.

3 у/Игкуг.

3 у/у2 3 у/у Тб~+~4~ где ?) — диаметр частицы (м) — вр — рецептурный коэффициент;

V — частота вращения барабана рабочей камеры (об/с) — к — количество контактов между частицами при данном виде взаимодействияу/ - комплексная величина, учитывающая влияние свойств частицы обрабатываемого материала, а также радиального размера барабана рабочей камеры ЦЛОМ и количество обрабатываемого материала: и/ =——-,.

2 Е где Е — модуль Юнга обрабатываемого материала (Па) — р — плотность частиц обрабатываемого материала, кг/м3- Ярк — радиус барабана рабочей камеры, мгвн — внутренний радиус слоя одновременно обрабатываемой смеси, м- ¡-л — коэффициент Пуассона обрабатываемого материала. Для проведения практических исследований была разработана и изготовлена опытная центробежно — лопаточная оттирочная машина, а также определены основные технологические режимы обработки: время обработки варьировалось от 20 до 60 секунд, при этом скорость вращения барабана рабочей камеры установки изменялась от 1000 до 1700 оборотов в минуту.

В результате проведенных опытных работ, получено подтверждение справедливости теоретической модели взаимодействия частиц сыпучих материалов между собой во время обработки. Были установлены экспериментальные зависимости прямых (средний диаметр зерна Оср) и косвенных (прочность на сжатие ссж) параметров эффективности очистки от степени механического воздействия на зерна обрабатываемых песков. Чтобы найти зависимость и оценить степень влияния технологических факторов обработки на вызывающее ими изменение прямых и косвенных параметров очистки, с помощью методов математической статистики были получены соответствующие уравнения эмпирической регрессии.

Уменьшить себестоимость производства отливок, можно снизив затраты на транспортировку формовочных песков. В работе была установлена возможность использования в литейном производстве местных песков, добываемых в Рыбинском районе (Назаровский карьер) после их обогащения в центробежно — лопаточной оттирочной машине.

Показана эффективность использования центробежно — лопаточного способа обогащения песков в сравнении с существующими методами по таким параметрам как относительная себестоимость обработки, удельный расход энергии, качество обогащения песков, удельная масса оборудования.

Для облегчения проведения гранулометрических исследований автором была разработана методика получения и анализа электронных фотографий монослоя сыпучего материала, сделанных с помощью оптического микроскопа. Эта методика реализована в аппаратно — программном комплексе, основой которого является прикладная программа «GRANULA». Практическими исследованиями была подтверждена адекватность результатов гранулометрического анализа, полученных с помощью программы «GRANULA» результатам традиционного ситового анализа, методика которого регламентируется ГОСТ 23 409.24 — 78.

В рамках договорных работ с НПО «Сатурн» и ООО «СИЛАР», были разработаны и изготовлены опытные образцы центробежно — лопаточной оттирочной машины для промышленной очистки песков.