Содержание к диссертации
Введение
1. Развитие и состояние научно-технической проблемы приготовления сырых песчано-гл инистых смесей в литейном производстве 14
1.1. Выбор параметров для сопоставительного анализа смесителей 17
1.2. Развитие конструкции смесителей и теории их рабочих процессов 21
1.3. Сопоставительный анализ смесителей роторного типа 41
1.4. Сопоставительный анализ технологических характеристик смесителей и формулирование научно-технической проблемы 55
Выводы по первой главе, цель работы и задачи исследований 62
2. Развитие научных представлений о процессе приготовления СПГС и разработка обобщённой модели смешивания 66
2.1. Развитие представлений о строении и свойствах исходных компонентов смеси 67
2.2. Обобщённый механизм приготовления СПГС 85
2.3. Развитие представлений о толщине оболочек и их плотности 93
2.4. Развитие представлений о распределении влаги при смешивании 99
2.5. Влияние активации глинистых оболочек на свойства смеси и варианты процессов смесеприготовления 114
Выводы по второй главе 124
3. Математическое моделирование смешивания и метод расчёта длительности цикла 129
3.1. Математическая модель нанесения (активации) оболочек связующего 130
3.2. Экспериментальная проверка математической модели нанесения (активации) оболочек связующего 141
3.3. Методика расчёта длительности цикла смешивания 150
Выводы по третьей главе 153
4. Работа по формированию глинистых оболочек на зёрнах формовочной смеси 155
4.1. Теоретические представления о работе по формированию глинистых оболочек на зёрнах смеси 155
4.2. Экспериментальное моделирование процесса взаимодействия зерна с глиной 165
4.3. Расчёт работы по формированию глинистых оболочек 169
Выводы по четвёртой главе 175
5. Общая методика расчёта роторных смесителей 177
5.1. Основные технологические и конструктивные зависимости для роторных смесителей. 177
5.2. Программа «RM v.2» расчёта роторных смесителей. 202
5.3. Математическая модель взаимодействия лопасти ротора со смесью 205
5.4. Компьютерное моделирование процесса движения пакета смеси по лопасти ротора и экспериментальная проверка модели . 221
Выводы по пятой главе 232
6. Использование теоретических положений при разработке научно-технических решений и их внедрение в промышленность 234
6.1. Разработка универсального смесителя формовочных материалов и его опытно-промышленное опробование. 237
6.2. Модернизация бегунов с целью повышения качества смеси и снижения энергозатрат. 250
6.3. Пакет прикладных программ для моделирования технологического процесса смешивания и расчёта конструкций смесителей. 261
Выводы по шестой главе 264
7. Комплексная методика сравнительной оценки рабочих процессов смесителей формовочных материалов . 267
7.1. Методика оценки свойств при домешивании 268
7.2. Методика испытаний при длительном цикле смешивания 275
7.3. Методика измерения энергетических параметров 282
7.4. Методика микроскопических исследований 290
7.5. Специальные методики 301
Выводы по седьмой главе 306
Заключение 309
Литература 318
Приложения 335
- Сопоставительный анализ технологических характеристик смесителей и формулирование научно-технической проблемы
- Влияние активации глинистых оболочек на свойства смеси и варианты процессов смесеприготовления
- Экспериментальная проверка математической модели нанесения (активации) оболочек связующего
- Компьютерное моделирование процесса движения пакета смеси по лопасти ротора и экспериментальная проверка модели
Введение к работе
Диссертация посвящена научно-технической проблеме снижения
энергопотребления в смесеприготовлении при одновременном повышении
качества сырых песчано-глистых смесей (СПГС), актуальность которой
возросла в последнее десятилетие в связи с резким ростом цен на
электроэнергию, транспорт и материалы. Проблема энергосбережения
особенно остро стоит в крупных промышленных центрах. Например, в
Москве за последние десять лет реализовано две целевые программы по
энергосбережению, а на период 2004 - 2010 годов разработана третья.
Основной упор в этой программе сделан на внедрение новых
энергосберегающих технологий, поставлена задача к 2010 году сократить
расход электроэнергии более чем на 14%.
Способ литья в сырые песчано-глинистые формы распространён во
многих отраслях промышленности, им производится до 70% от валового
выпуска отливок. Для получения одной тонны отливок этим способом
приготавливают около десяти тонн формовочной смеси, что (по данным
Маркова В.А.) в масштабах России составляет более 140 млн. тонн смеси в
год. Затраты электроэнергии на подготовку и приготовление смеси при этом
становятся соизмеримыми с затратами на плавку. В практическом отношении
решение названной проблемы позволяет напрямую получить экономию
« электроэнергии и формовочных материалов, снизить брак по вине литейных
форм, повысить качество поверхности отливок и их размерную точность, уменьшить металлоёмкость изделий и машин. В экологическом отношении происходит сокращение безвозвратных потерь энергии и материалов, уменьшение вредного воздействия на человека.
Большой вклад в разработку отдельных аспектов данной проблемы внесли Аксёнов П.Н., Берг П.П., Бречко А.А., Васильев В.А., Жуковский С.С.,
ф Ивакин Р.И., Илларионов И.Е., Кваша Ф.С., Корнюшкин О.А., Марков В.А.,
Матвеенко И.В., Ромашкин В.Н., Серебряков СП., Туманова Л.П. и др.
ф Научные труды этих учёных в целом предварили постановку научной
.# проблемы о разработке единого механизма смешивания СПГС. На
необходимость разработки данной роблемы указывало разнообразие типов смесителей, применяемых в литейных цехах, и тенденция развития их конструкций, заключающаяся в последовательном переходе от тихоходных к скоростным смесителям. Отсутствие единого научного подхода удлиняло процесс развития конструкций смесителей, которые не всегда обеспечивали низкую энергоёмкость процесса, высокую производительность и требуемое качество смеси. Обобщённая модель смешивания для аппаратов различных типов, созданная в результате теоретической проработки проблемы, представляет несомненный научный интерес и актуальна, поскольку с её помощью удаётся создавать перспективные конструкции смесителей.
Известно более десяти различных типов смесителей применяемых для приготовления СПГС. В нашей стране парк смесителей в основном представлен Катковыми, в меньшей степени центробежными, роторными,
* барабанными и другими конструкциями. В странах Западной Европы,
роторные смесители практически вытеснили все остальные типы по причине их экономичности, высокого качества смеси и экологичности. В России внедрение импортных скоростных смесителей сопряжено с экономическими трудностями. В связи с этим разработка импортозамещающей техники,
- созданной на основе разработки научной проблемы, актуальна для
отечественной промышленности.
Целью работы является разработка конструкторских и технологических решений, обеспечивающих снижение энергопотребления при одновременном повышении качества сырых песчано-глинистых формовочных смеси на основе развития научных представлений о процессе смесеприготовления. Для достижения цели работы были поставлены следующие основные научные, технологические и конструкторские задачи:
*
1. развитие научных представлений о процессе приготовления
ф (смешивания) СПГС с учётом особенностей распределения влаги и
формирования оболочек глинистого связующего в течении рабочего цикла;
разработка научно-обоснованной методики расчёта длительности цикла смешивания для аппаратов различных типов;
разработка научных представлений о минимизации затрат энергии на приготовление смеси, проведение обобщающего анализа энергопотребления у смесителей различных типов и их ранжирование по экономичности;
разработка научно-обоснованной методики расчёта основных конструктивных и технологических параметров роторных смесителей формовочных материалов и создание на её основе образцов новой техники;
разработка комплексной методики оценки рабочих процессов смесителей, проведение сравнительных испытаний смесителей и получение на их базе практических рекомендаций по совершенствованию технологического процесса смесеприготовления.
вошли в Федеральную программу «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» (Отв. МГТУ «МАМИ», план 1992 - 1995 г.г.).
#
Автор защищает научные основы проблемы снижения энергопотребления в смесеприготовлении при одновременном повышении качества СПГС, на базе которых созданы конструкции скоростных смесителей и разработан комплекс технологических методов и средств.
1. Потенциальные возможности СПГС наиболее полно могут быть реализованы на основе рассмотрения её как структурно-скелетного тела, плотность которого в процессе приготовления подвергается периодическим изменениям. В результате изменения плотности происходит формирование глинистых оболочек, связующие свойства которых в значительной степени зависят от времени их увлажнения и характера взаимодействия зёрен. Именно при таком подходе открывается возможность управления рабочим процессом
смесителя для достижения наилучшего качества смеси при условии экономии
ф энергии и материалов.
Проблема снижения энергопотребления при одновременном повышении качества смеси решена в работе на основе оптимизации зависимости параметров качества смеси от длительности цикла смешивания. При этом учитываются состав смеси, особенности рабочего процесса и удельная мощность, соответствующая данной конструкции смесителя.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что процесс распределения влаги в смеси представляет собой совокупность механического переноса увлажнённых комков в сочетании с капиллярным и диффузионным движением жидкости, при этом скорость и дистанция действия последних минимальна в сравнении с механическим переносом. В результате механического переноса влаги происходит частичное увлажнение оболочек - полное увлажнение происходит при длительном вылёживании или их механической активации.
В диссертации приведены новые научные положения:
#
Разработан обобщённый механизм смешивания, в котором СПГС рассматривается как структурно-скелетное тело состоящее из зёрен, имеющих слоистое строение, в виде твёрдой кристаллической сердцевины с плёнкой аморфного кремнезёма (АК) и глинистой оболочки, связанной с кристаллической сердцевиной через активные центры плёнки АК. За основу модели принят акт сближения зёрен, происходящий по одному из видов взаимодействия: радиальному, тангенциальному или вращательному. Теоретически и экспериментально установлены условия реализации каждого из видов, в зависимости от плотности смеси и соответствующего ей координационного числа.
На основании представлений о зерне смеси как о слоистом теле определено влияние капиллярного и диффузионного движения жидкости на формирование основных служебных свойств смеси. Создана методика
*
определения количества циклов переноса для увлажнения смеси,
:0 учитывающая геометрические размеры увлажнённых комков, содержание
глины и среднюю влажность смеси.
Экспериментально установлена зависимость плотности глинистых оболочек от толщины, на основании которой разработана уточнённая методика расчёта толщины оболочек и получена зависимость от среднего диаметра зёрен.
На основании численного моделирования случайного процесса взаимодействия зёрен в обобщённой модели установлены зависимости активированной или покрытой оболочкой площади поверхности зерна от числа актов взаимодействия и размера пятна контакта. Применимость данной модели к реальным смесям подтверждена экспериментально с учетом плотности смеси и соответствующего координационного числа. Разработана методика расчёта длительности цикла смешивания, учитывающая характер рабочего процесса смесителя, через размер пятна контакта при взаимодействии зёрен и их число в зависимости от плотности смеси.
5. Введено понятие работы по формированию глинистых оболочек на
\ зёрнах формовочной смеси, величина которой определяется как произведение
работы одного акта внедрения зерна в глинистую прокладку на число актов для полного покрытия зерна. Получены экспериментальные зависимости работы одного акта от глубины и скорости внедрения зерна в глинистую прокладку, состояние зёрен смеси и глины.
Экспериментально установлена и теоретически обоснована роль механической активации глинистых оболочек в формировании служебных свойств СПГС.
Разработана комплексная методика исследования рабочих процессов смесителей, включающая изучение структуры оболочек зёрен, взаимосвязанное изменение физико-механических параметров смеси, её однородность и энергопотребление. Сравнительные испытания смесителей по
Ф данной методике позволили получить практические рекомендации по
ф совершенствованию технологического процесса смешивания.
Теоретические положения обобщённой модели базируются на современных представлениях физико-химической теории дисперсных систем, подтверждены обширными микроскопическими исследованиями структуры оболочек зёрен смеси, расчётами и взаимосвязью свойств оболочек с физико-механическими свойствами смеси. Процесс увлажнения смеси рассмотрен с позиций теории сушки. Для моделирования случайного процесса взаимодействия зерна шаровой формы с глинистой пастой применён метод Монте-Карло. Оценка удельной работы смешивания выполнена с использованием положений реологии. Применена методика планирования экстремального эксперимента; результаты статистически обрабатывались, проверялась их достоверность и воспроизводимость. Обработка экспериментальных данных выполнена с широким привлечением вычислительных методов.
Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:
На основании обобщённой модели разработан метод расчёта длительности цикла смешивания с использованием программы «Моделирование процесса нанесения связующего на зёрна формовочной смеси (МС v.2)».
Разработана комплексная методика расчёта основных конструктивных и технологических параметров роторных смесителей, на основе которой создано две программы для ПЭВМ: расчёта конструктивных и технологических параметров роторных смесителей «RM v.I» и расчёта рабочих органов смесителей формовочных материалов «Rotor v.2». С использованием методики разработаны конструкции смесителей, внедрённые в промышленность.
ф 3. Создана база данных смесителей формовочных материалов «Mixers»,
іф в которой наряду с традиционными включены параметры, характеризующие
энерогопотребление.
4. Выполнено ранжирование промышленных типов смесителей по удельной мощности и статистически обоснованному времени смешивания, на основании которого выявлены экономичные смесители, обеспечивающие высокое качество смеси. Разработаны высокопроизводительные смесители с низким уровнем удельной работы смешивания и высоким качеством смеси.
Реализации теоретических и практических результатов работы происходила по трём основным направлениям.
Первое направление - разработка высокоэффективных смесителей
роторного типа. Работы по внедрению скоростного смесителя выполнены
совместно с НИИуглемашем на заводах угольного машиностроения ОАО
«Анжеромаш» и Копейском машиностроительном заводе в 1999г. На
опытном заводе МТУ «МАМИ» (г. Ивантеевка) изготовлен и прошёл
* испытания роторно-вибрационный смеситель по патенту на полезную модель
№ 38305.
Второе направление - модернизация действующих литейных смесителей с целью повышения га эффективности. Опытно-промышленный смеситель по заявке № 2004104845/20(005744) на патент РФ на полезную модель разработан и изготовлен ОГМ литейного цеха №3 ЗиЛа, прошёл испытания с января 2000 г по май 2002 г.
Смеситель с дисковыми катками по АС СССР № 872003, разработанный и изготовленный в МАМИ, прошёл лабораторные испытания в 1982 - 1985 годах, с 1995 года используется для приготовления стержневых смесей на НПО «МАШИНОСТРОЕНИЯ» г. Реутов, годовой экономический эффект в 1995 - 96 годах составил 3740 у.е. Чертежи смесителя такого типа переданы на Павлодарский тракторный завод в 1991 г, экономический эффект
56400 рублей. В 1982 году на ПК «Мосжилпромкомплект» смеситель 1А12
ф переоснащён дисковыми катками. В 1984 - 85 годах лабораторный смеситель
ф с дисковыми катками проходил испытания на кафедре литейного
производства в Мишкольцком университете тяжёлой промышленности (Венгрия).
Смесители с рыхлящими катками по АС СССР № 1113203 и №1360875, разработанные и изготовленные в МГТУ «МАМИ», прошли лабораторные испытания в 1984 - 1988 годах.
Третье направление -разработка прикладных программ с элементами
САПР технологии и решений по совершенствованию технологии
смесеприготовления. Рекомендации по совершенствованию технологии
смешивания, полученные на основании расчётов по программе «Rotor v.l»,
приняты на заводе «АВТОЦВЕТЛИТ» г. Мелитополь в 1990 г. Программа
«Rotor v.l» передана для использования на ОАО «ТРАНСПНЕВМАТИКА» г.
Первомайск в 1999 г. Программы «Rotor v.2» и «МС v.2» внесены в реестр
изобретений Восточного административного округа г. Москвы, свидетельства
І № РИ 020150 и № РИ 020151. На ОАО «Нижегородский теплоход» (г. Бор,
Нижегородской области) даны практические рекомендации по модернизации смесеприготовительного отделения с экономическим эффектом 100 тыс. рублей (1999 г).
Кроме того, по месту выполнения работы на кафедре «МиТЛП» в
- учебно-производственной лаборатории кафедры «Машины и технология
литейного производства» Московского государственного технического университета «МАМИ» используется скоростной смеситель формовочных материалов; в учебном процессе используются пакет прикладных программ: «Mixers», «RM v.l», «Rotor v2» и «MC v.2» в курсе «Оборудование литейных цехов»; анализ конструкций смесителей и структуры смесеприготовительных систем включён в учебник «Технология литейного производства. Литьё в песчаные формы», выпущенный издательским центром «Академия» в 2004 г.
ф В диссертации обобщены теоретические и экспериментальные
я исследования, выполненные автором самостоятельно и совместно с
аспирантами и студентами, у которых автор был научным руководителем. При этом автором поставлены: научно-техническая проблема и задачи исследований; разработаны обобщённая модель смешивания, основные расчётные методики и программы; решены частные научные и технические задачи. Автор принимал непосредственное участие в создании образцов новой техники и экспериментальных установок, проводил исследования в лабораториях и на производстве, участвовал в промышленных испытаниях и внедрении разработок.
Материалы диссертации доложены на IV и V съездах литейщиков
России (г. Москва, 1999 и 2001 г.г.); Национальной конференции литейщиков
Венгрии (г. Шопрон, 1985 г.); Международных научных симпозиумах (г.
Москва, 2000 и 2002 г.г.); Международных, Республиканских и региональных
конференциях в городах: Барнауле (1988, 1999,2000,2001 и 2003 г.г.),
* Владимире (1988 и 1989 г.г.), Минске (1987 г), Москве (1988,1989, 1990,
1992,1996,1999,2000 и 2001 г.г.), Одессе (1990 и 1998 г.г.), Чебоксарах
(1989г), Челябинске (1988 г); научно- технических совещаниях «Чепельского
чугунно- и сталелитейного завода» (Будапешт, 1985 г), завода «Автоцветлит»
(г. Мелитополь, 1990 г), ОАО «ТРАНСПНЕВМАТИКА» (г. Первомайск, 1999
. г), ОАО «Нижегородский теплоход» (г.Бор, 1999г). Практические достижения
отмечены бронзовой (1982 г) и серебряной (1984 г) медалями ВДНХ СССР.
По теме диссертации опубликовано 72 работы, получено шесть авторских свидетельств, один патент РФ и три патента РФ на полезную модель. Без соавторов опубликовано 35 работ и один патент РФ на полезную модель.
Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете «МАМИ» на кафедре «МиТЛП» им. проф. Аксёнова П.Н., на которой автор работает в должности профессора, а в 1997 - 2000 г.г. был
м докторантом. На различных этапах работы автор получал ценные замечания и
щ советы от научного консультанта заслуженного деятеля науки РФ, д. т. н.,
профессора Трухова А.П. и коллег, особенно профессоров к.т.н. Мысовского B.C. и K.T.H. Благонравова Б.П. В работе участвовали аспиранты: Джесри A.M. (Сирия) 1989 - 1991 гг., Трещалин А.В. 1998 - 2000 гг.; широко привлекались студенты, использовавшие результаты в специальных частях дипломных проектов. С аспирантами и многими студентами автор имеет совместные публикации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложении, изложена на 334 страницах, содержит 88 рисунков, 37 таблиц, 25 приложений и библиографию из 205 наименований.
Сопоставительный анализ технологических характеристик смесителей и формулирование научно-технической проблемы
Таким образом, в струе смеси происходит относительное перемещение слоев или перетирание смеси. Главенствующая роль процесса перетирания доказана Зороховичем И.З., который показал, что качество смеси, приготовленной на смесителе со снятыми катками не ухудшается [82]. В центробежных смесителях рабочий процесс сопровождается переводом смеси во псевдожидкое состояние, при этом увеличивается роль динамического воздействия песчинок. В рабочем цикле смесь не только подбрасывается плужками, но и продувается воздухом, оба эти процесса формируют псевдожидкое состояние. Для продувки воздухом в диске выполнены радиальные каналы, связанные с воздуходувкой. Продувка вызывает также испарение влаги и охлаждение смеси и приводит к уносу мелких частичек, в число которых может входить и активная глина [176]. Для предотвращения уноса активной глины целесообразно применять введение ее в виде суспензии. Цикл смесеприготовления в центробежных смесителях короче, чем в Катковых, и составляет по паспортным данным 90 - 120 с [143, 172, 193]. В результате экспериментальных исследований центробежного смесителя Speed-Muller 100В на ВАЗе был рекомендован более короткий цикл 60 - 90с [165], что не всегда соответствует практике их применения на других предприятиях (ЗиЛ, Саранский центролит). Этого времени, оказывается, вполне достаточно для равномерного распределения компонентов смеси по ее объему, что характеризуется наименьшим значением коэффициента вариации. Здесь следует отметить также, что укорочение цикла перемешивания связано с продувкой воздуха, приводящей к уносу влаги и высыханию смеси. Длительная продувка приводит к пересушиванию смеси, что ухудшает ее свойства. Положительная сторона продувки заключается в охлаждении смеси в результате испарения влаги.
Определенный интерес для приготовления песчано-глинистых смесей представляют скребковые смесители (рис. 1.5). Эти смесители имеют цилиндрическую чашу 1, с приводным вертикальным валом 2 в центре, на валу установлен S - образный скребок 3, с наклонной пластиной 4 на конце. В некоторых модификациях смесителей скребок имеет три искривленных части, что увеличивает число актов воздействия на смесь за один оборот приводного вала. Рабочий процесс в таком смесителе в значительной степени зависит от частоты вращения скребка. При небольшой частоте вращения рабочий процесс состоит в поочередных актах уплотнении и разрыхлении смеси, что достигается за счет конструкции скребка. Смесь уплотняется в зазоре между т стенкой чаши и скребком. Около стенки чаши она подхватывается наклонной пластиной 4 и перебрасывается через скребок, при этом смесь сваливается под углом естественного откоса на свободное место за скребком. При увеличенной частоте вращении вала работа смесителя похожа на центробежный. Попав на пластину 4, смесь подбрасывается и попадает на стенку, где она ведет себя как и в центробежном смесителе.
Эти смесители чаще применяются для приготовления стержневых смесей [140] с жидкими связующими, однако известны примеры их успешного использования для приготовления ПГС [46, 200]. Время рабочего цикла в таких аппаратах колеблется от трёх до шести минут. Пельчарский С, исследуя зависимость прочности смеси от времени перемешивания, установил [134], что динамика изменения прочности зависит от массы замеса. Оптимальной считается такая наибольшая масса, при которой вся находящаяся в чаше смесь подвергается перемешиванию. Этой массе соответствует наибольшая интенсивность нарастания прочности.
Переполнение смесителя приводит к образованию зон застоя в верхнем слое смеси, в которых перемешивание смеси не происходит, что является причиной ухудшения динамики нарастания прочности и удлинения цикла смешивания. Высота чаши в скребковом смесителе больше её диаметра, у бегунов т наоборот. Высокий уровень смеси обеспечивает наибольшую плотность смеси у днища, в зоне расположения скребков, где в основном происходит формирование оболочек. В сравнении с бегунами, цикл смешивания в скребковом смесителе в полтора два раза больше, что объясняется недостаточным уплотнением смеси, зависящим в основном от уровня засыпки. Рабочий процесс в скребковом смесителе эквивалентен процессу в бегунах со снятыми катками. Поэтому сопоставление длительности циклов смешивания в этих двух смесителях указывает на важную роль уплотнения смеси катком в процессе её приготовления. В 1982 году фирма BMD выпустила на рынок смеситель Contra-mix [127], имеющий цилиндрическую чашу 1, в центре днища которой расположен электродвигатель 2 (рис. 1.6). По центру чаши расположен планетарный редуктор 3 в виде цилиндра, имеющий приводные кольца 4 в верхней части. На каждом из колец размещены траверсы 5 с плужками 6 на концах. Кольца вращаются во встречных направлениях с частотой 15 мин" , при этом встречное движение плужков происходит с частотой 30 мин"1. Углы наклона плужков подобраны таким образом, что смесь последовательно поднимается ими от дна чаши вверх, а затем направляется обратно. Движению вниз помогает сила тяжести, что в совокупности с высоким уровнем смеси обеспечивает ее необходимое уплотнение в нижней части чаши под действием собственного веса. В качестве рабочих органов в данном типе смесителей используются только плужки, поэтому данный смеситель называют также плужковым или лопастным. Поскольку формирование глинистых оболочек происходит в результате поочередных актов уплотнения и разрыхления, то данный смеситель демонстрирует не только рыхлящее действие плужков, но и их уплотняющее воздействие.
Влияние активации глинистых оболочек на свойства смеси и варианты процессов смесеприготовления
Для приготовления СПГС используют следующие дисперсные компоненты: кварцевый песок, глину, оборотную смесь, молотый уголь, крахмалит, соду и др [98, 171]. В составе каждого компонента присутствуют крупные и мелкие фракции, их размер в ряде случаев различается до 100 раз, а соотношение фракций определяет дисперсность компонента. Для рассмотрения процессов взаимодействия перечисленных компонентов были собраны и обобщены в табл. 2.1 данные о размере материальных объектов, составляющих СПГС, диаметрах пор и капилляров и некоторых физических свойствах. Отметим, что размеры ряда материальных объектов: толщины плёнок аморфного кремнезёма (АК) и воды (3-8 слоев), чешуек глинистых минералов, микрокапилляров в глине и плёнки АК, некоторых микронеровностей и трещин на зерне (объекты 1, 3, 6 и 7) - меньше длины волн видимого света. Это не позволяет их обнаружить с помощью оптических микроскопов.
Кварцевые пески, используемые для приготовления формовочных смесей, добываются на территории РФ в месторождениях морского происхождения [178]. Такие пески состоят преимущественно из зёрен кварца, сравнительно однородного состава. В качестве примера на рис 2.1 представлены зёрна кварцевых песков после перемешивания в сухом состоянии с бентонитом в лабораторных бегунах. В верхней части снимка (а) находится округлое зерно 1, на сглаженной поверхности которого хорошо различимы сохранившиеся дефекты, в центре - мелкое зерно 2 крайне угловатой формы, внизу -частички бентонита 3 и зерно 4 средней угловатости, которое детально показано на снимке (б). Конфигурация зёрен песка и их поверхность формируются в результате двух процессов: дробления и истирания. Образовавшиеся при дроблении поверхности скола хорошо различимы на угловатых зернах. В результате истирания выступы на сколотых поверхностях сглаживаются, и зерно приобретает все более округлую форму. Приближение формы зёрен к округлой, а в пределе к сферической, по-видимому, имеет оптимум. Маленькие зёрна, размером менее 0,1 мм, как правило, сохраняют угловатую форму, поскольку оказываются в порах между крупными зёрнами и не подвергаются истиранию. Для зёрен средних размеров (0,1 - 0,3 мм) влияние истирания наиболее велико, т.к. его глубина соизмерима с размером самого зерна. Зёрна, размером более 0,4 мм, при истирании сохраняют свою конфигурацию, сглаживанию подвергаются только их острые грани и выступы. В углублениях истирания не происходит и они сохраняют форму сколотой поверхности. Неровности от сколов могут иметь большую глубину, поэтому даже на сглаженных выступающих поверхностях имеются дефекты в виде сколов и трещин, причем количество их тем меньше, чем более округлую форму имеет зерно. Кроме того, на сглаженных поверхностях присутствуют микронеровности более высокого порядка, чем от сколов и трещин. В обычном понимании они являются ультра микронеровностями, т.к. образованы дефектами в кристаллической решётке кварца. Принимая во внимание, что сами зёрна имеют микроскопические размеры и сохраняя традиционную терминологию, будем называть их микронеровностями.
В процессе сухого перемешивания глина не удерживается на гладких и выпуклых поверхностях песчинок, поскольку силы, связывающие глину и кварц, малы. В результате трения песчинок выпуклые их части очищаются, а мелкие чешуйки глины 5 при этом сохраняются только в углублениях, где не происходит механического взаимодействия зёрен. Поэтому, чем больше дефектов имеется на поверхности зерна, тем больше сухой глины оно может удержать. Зёрна применяемых в Венгрии песков (в и г) имеют шероховатую поверхность, на которой удерживается большое число глинистых чешуек. При увеличении х500 кажется, что зерно 6 покрыто оболочкой, однако при увеличении х2000 (г) становятся хорошо различимы мелкие, не связанные в единую оболочку, чешуйки бентонита. На выступающих частях зерна 6 и на
Сухие, в понимании производственников, песок и глина за счёт адсорбции поглощают из воздуха воду (песок до 0,5%, глина около 10%). Влага активирует чешуйки глины и поверхность песчинок, особенно вблизи микронеровностей. В результате они скрепляются силами адгезии, что позволяет им противостоять стиранию. Здесь важно заметить, что даже в сухом состоянии чешуйки глины ориентированы параллельно поверхности зерна или друг другу, что хорошо заметно на фото (г) в месте скопления чешуек 5 в углублении. Такая ориентация чешуек объясняет мозаичный характер нанесения оболочек глины на поверхность зёрен песка и формовочной смеси.
Отмеченные обстоятельства играют важную роль в распределении глины при сухом перемешивании. В смеси из песка с округлыми зёрнами глина сосредотачивается в основном в межзёренном пространстве. В песке с угловатыми зёрнами и оборотной формовочной смеси глина сосредотачивается на поверхности зёрен, чему способствует шероховатое строение их поверхности или наличие глинистой оболочки на зёрнах формовочной смеси.
Экспериментальная проверка математической модели нанесения (активации) оболочек связующего
Тангенциальное взаимодействие наблюдается при плотностях 900 ф 1000 кг/м3, которым соответствует Пк = 2. Контакт зёрен с соседними в двух точках предотвращает их относительный поворот и обеспечивает большую свободу их перемещения. В результате сближение зёрен происходит по параллельным траекториям, а образующиеся при этом «следы» имеют форму «языков». Такой вид взаимодействия характерен для смесителей, в которых происходит интенсивное рыхление, а именно: центробежных, лопастных, роторных и смесителях с рыхлящими катками. Средняя плотность смеси для перечисленных смесителей не превышает 1000 кг/м , при которой имеет место рыхлая, слабо связанная структура. На рис 2.6 а и б показаны зёрна оборотных смесей, используемых в производстве на СЛЗ и КамАЗе. О преобладании сдвигового взаимодействия в процессе их приготовления свидетельствует большое число следов языковой формы 1, которые помечены на снимках значком (А). «Языки» имеют различный размер, зависящий от массы увлажнённой глины участвующей во взаимодействии.
Форма «языков» согласуется с представлением о процессе их формирования. Для этого воспользуемся снимком (в), на котором представлен фрагмент снимка (а) при увеличении ХІ500 и несколько изменённом ракурсе. Основание «языка» 2 плотно соединяется с оболочкой или зерном и имеет плавный переход рельефа. Острый его конец 3, образовавшийся в результате наплыва влажной глины, приподнят над оболочкой и имеет резкий переход сечения или поднутрение 4. Можно заметить влияние влажности и времени обработки на конфигурацию профиля «языков». В случае (а) при влажности 3,1% соотношение глина/вода (Г/В) равно трём, а время перемешивания 1 мин. За это время в смесителях не происходит усреднения влаги, и в оболочке рассматриваемого зерна могла быть большая влажность. Глины при такой влажности обладают клейкостью, поэтому «языки» приподняты над оболочкой. В случае (б) оболочка более сухая (Г/В=4), а время перемешивания 6 мин. Такие условия способствуют окатыванию зёрен смеси, поэтому острые концы «языков» оказываются прижатыми к поверхности оболочки.
Глинистые оболочки, сформированные при тангенциальном взаимодействии, по сравнению с радиальным, имеют более рыхлую структуру. Для примера, рассмотрим фрагмент поверхности угловатого зерна формовочной смеси соответствующей случаю (а), но на 10 мин перемешивания. Поскольку связи между чешуйками в глинистой частичке неоднородны, то при сдвиге частичка глины разрушается как слоистое тело. Слои смещаются относительно друг друга и располагаются на поверхности зерна в виде наклонённых ярусов, при этом между слоями остаются микропоры, снижающие плотность оболочки. Ярусная структура 5, образовавшаяся при сдвиговом разрушении, видна на снимке (г) в двух местах. Внизу снимка приведена схема этой структуры. Уменьшение плотности ещё более заметно во впадинах, т. к. при тангенциальном взаимодействии уплотнение оболочки в них происходить не может из-за проскальзывания зёрен, что иллюстрирует фрагмент 6 с большим числом микропор.
Вращательное взаимодействие реализуется в случае выполнения следующих условий. Одно из взаимодействующих зёрен жёстко связано с несколькими неподвижными соседними зёрнами, сближение зёрен происходит под углом к оси 5 (нецентральное взаимодействие), движущееся зерно не контактирует с соседними зёрнами и обладает достаточным запасом кинетической энергии для преодоления сил адгезии с частичкой увлажнённой глины.
Названные условия наилучшим образом выполняются в центробежных и роторных смесителях, в которых смесеприготовление происходит в результате остановки потока летящих частиц. Создаваемый ротором поток смеси имеет плотность 300 - 700 кг/м3, Пк меньше 1, скорость потока не более 20 м/с. При остановке потока преградой происходит уплотнение смеси до 900 - 1100 кг/м3, nk = 2 - 3. Летящие зёрна ударяются в неподвижные, зафиксированные на преграде, и в случае нецентрального удара происходит их поворот, т. к. в точке контакта они удерживаются глинистой прокладкой.
В результате вращательного взаимодействия формируются рыхлые оболочки со специфичной структурой на поверхности. На рис. 2.7 показана типичная структура оболочки зерна оборотной смеси, приготовленной в роторном смесителе фирмы +GF+, на Мелитопольском моторном заводе; а) 4 общий вид зерна, б) - фрагмент 1 при увеличении х2000. Поскольку при вращении отрыв происходит не по всей площади контакта, а последовательно, то «следы» от разрыва выглядят в виде микронеровностей. Разрушение при разрыве происходит по границам чешуек или частиц, следовательно частица может остаться на оболочке или быть унесена вращающимся зерном. В результате на поверхности оболочки наблюдается чередование выступающих мелких частиц 2 или углублений 3, образовавшихся при вырывании.
Анализ структур оболочек смесей приготовленных в роторных аппаратах показал, что «следы» вращательного взаимодействия встречаются наряду со «следами» тангенциального. Такое соседство объясняется вероятностным характером процесса взаимодействия зёрен. Чем больше будет отклонена траектория движения от оси соединяющей центры зерен, тем более вероятным становится проскальзывание.
Компьютерное моделирование процесса движения пакета смеси по лопасти ротора и экспериментальная проверка модели
Исследовали фильтрацию воды в чистом кварцевом песке, его смеси с бентонитом (10%) и горелой формовочной смеси. Установлено, что песок и смеси в насыщенном состоянии имеют влажность 19 - 23%. Сухой песок или смесь, насыпанные в стеклянную трубку диаметром 12 мм, приводили в контакт с влажным фитилём и фиксировали движение жидкости. Получены зависимости глубины проникновения влаги в столбе смеси в течение 7 мин при горизонтальном и вертикальном (вверх и вниз) движении жидкости. Продвижение влаги по капиллярам в песке для всех случаев больше, чем для смеси. Заметное влияние на движение жидкости оказывает сила тяжести, которая противодействует движению влаги вверх и способствует движению вниз. Для смесей это влияние меньше чем для песка. Скорость фильтрации во всех случаях в начальный момент была большой, а затем стабилизировалась. Уравнения регрессии получали на отрезке времени 30 с, поскольку именно начальный участок фильтрации играет важную роль в процессе распределения влаги в смеси. Скорость фильтрации в смесях составляла в горизонтальном направлении — 1 мм/с, вверх - 0,8 мм/с, вниз - 1,5 мм/с.
Данный эксперимент позволил на качественном уровне оценить механизм фильтрации влаги в объёме смеси. В реальных условиях увлажнение смеси представляет собой более сложный процесс. На начальной стадии влага в большом количестве поступает в небольшой объём смеси, который в этих условиях переувлажнен. Фильтрация влаги происходит сверху вниз под действием капиллярных сил и веса. Период этот не продолжительный и связан с подачей воды в смеситель. Вслед за этим движущиеся рабочие органы переносят увлажнённые объёмы внутрь сухой смеси. При этом условия фильтрации меняются, она происходит расходящимся потоком, при постоянно понижающемся потенциале влагопереноса и при влиянии других факторов.
Обобщённые представления о фильтрации влаги в условиях приближенных к реальньім получены на основании эксперимента. На дно открытой ёмкости помещали сито с ячейкой 3 мм и засыпали его доверху сухой смесью. На поверхность смеси в одно место давали 0,5 мл воды и дополнительно засыпали сухой смесью. Через заданные промежутки времени сито поднимали, при этом сухая смесь просыпалась через ячейки, а влажный комок оставался на сите. Определяли массу комка и его влажность. Комки имели форму, близкую к шаровой, что позволило получить зависимость роста их радиуса от времени выдержки (фильтрации).
В табл. 2.6 приведены зависимости средних значений: влажности комков - W, их радиуса - R и скорости приращения радиуса - AR/At, от времени выдержки. Влажность и скорость приращения радиуса комков с течением времени уменьшаются, радиус увеличивается с уменьшающейся скоростью. Подобраны уравнения регрессии логарифмического вида, адекватно описывающие эти процессы. По уравнениям рассчитывали влажность комков в зависимости от времени вылёживания без участия перемешивания. Результаты расчётов приведены в нижней части табл. 2.6. Видно, что фильтрационные процессы в песке и смесях идут крайне медленно. Так, например, для получения средней влажности песка 3 - 5% его вылёживание должно быть не менее 24 часов, а такой же влажности в формовочной смеси - от четырёх до шести часов. Скорости движения влажного фронта AR/At определяли для каждого интервала и среднюю на всём интервале (5 мин), она выделена жирным шрифтом в табл. 2.6. Полученные скорости движения влажного фронта лежат в пределах 0,0006 -0,01 мм/с.
Таким образом, распространение влаги в неподвижном песке и смесях происходит крайне медленно. В смесителях распределение влаги в объёме замеса происходит за считанные минуты, что достигается благодаря механическому воздействию на смесь рабочих органов смесителя. В процессе перемешивания, под действием рабочих органов, комки с повышенной влажностью периодически перемещают с одного места на другое, дробя их на части или соединяя вместе. В результате влагообмен между ними интенсифицируется.
Время контакта влажного комка с сухой смесью в различных смесителях примерно одинаково и равно промежутку между воздействиями рабочих органов. Для тихоходных смесителей это время составляет примерно 1 с, для быстроходных 0,3 - 0,5 с. В случае наибольшей скорости движения влажного фронта за время контакта влага успевает проникнуть в объём сухой смеси на глубину до 0,01 мм в случае тихоходных и до 0,005 мм - быстроходных смесителей. В случае наименьшей скорости глубина проникновения составит 0,003 мм для тихоходных, и 0,001 мм для быстроходных смесителей.
Приведённая толщина увлажнённого слоя меньше диаметра зёрен смеси. Из этого следует вывод, что при контакте с комком увлажняется не всё зерно, а только его сторона, контактирующая с комком. Дальнейшее движение влаги в пределах оболочки происходит без подпитки за счёт запасенной при контакте с комком влаги.
В разделе 6.2 показано, что форма комков зависит от типа смесителя, В бегунах комки имеют форму лепёшек [130], в смесителях, рабочий процесс которых связан с рыхлением смеси, комки имеют округлую форму, близкую к шаровой [69, 73]. Поэтому при разработке математической модели процесса распределения влаги в смесителе приняли допущения о том, что комки имеют форму шара или цилиндра, в каждом акте взаимодействия происходит увлажнение смеси на одинаковую глубину - ЬувЛ, приведенный размер кома в процессе приготовления смеси остаётся постоянным.
