Введение к работе
Актуальность проблемы. Получение отливок в разовые формы из песчано-глинистых смесей (ПГС) является наиболее распространенным технологическим процессом и в обозримом будущем останется доминирующим. Для получения отливок в литейных цехах России ежегодно перерабатывается более 140 млн. тонн смесей, что требует значительного количества свежих материалов и энергетических затрат.
При этом ПГС, выполняя в производственном процессе три самостоятельные и взаимосвязанные функции: материала формы; материала, перерабатываемого при формообразовании; материала, получаемого в процессе смесеприготовления, должны удовлетворять сложному комплексу свойств, требования к допустимым пределам изменения которых постоянно ужесточаются.
Отсутствие обоснованных представлений о механизме формирования комплекса свойств единых ПГС создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных возможностей исходных компонентов смеси и смесеприготовительного оборудования.
Противоречивое понимание процесса приготовления ПГС и функционального назначения смесителя с позиции механизма взаимодействия рабочих органов с компонентами смеси создало предпосылки для применения широкого спектра смесителей, отличающихся не только принципом действия или конструкцией рабочих органов (катковые, ленточные, лопастные, вибрационные, вихревые, роторные, струйные, центробежно-планетарные и т.д.), но самое главное, различающихся до 15-20 раз удельными энергозатратами на приготовление одной тонны смеси.
В связи с этим разработка и внедрение составов ПГС, обеспечивающих снижение расхода формовочных материалов, повышающих качество отливки и улучшающих экологическую обстановку, а также усовершенствование действующего и создание нового смесеприготовительного оборудования, обеспечивающего эффективное приготовление ПГС при снижении энергозатрат, направлены на теоретическое обоснование и решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы. Разработка концепции интегрального (обобщенного) механизма формирования свойств единых песчано-глинистых смесей.
Концептуальное понимание механизма формирования свойств единых ПГС и факторов, его определяющих, позволит сформулировать принципы и возможные направления оптимизации рецептурного состава смесей в целях повышения качества отливок, стабилизации свойств смеси, рационального выбора формовочных материалов и специальных добавок, а также улучшения экологических условий в литейных цехах.
Кроме того, концептуальное понимание механизма формирования свойств смеси в процессе смесеприготовления позволит сформулировать функциональное назначение смесителя и его возможные технические решения, а именно:
принцип и механизм взаимодействия рабочих органов с компонентами смеси:
форму рабочего пространства и характер движения в нем организованного потока смеси;
тип, форму и количество рабочих органов;
режим работы (периодический или непрерывный).
Все вместе взятое позволит определить направления модернизации традиционных смесителей, а также разработать концептуальные реаения новых конструкций смесителей, обеспечивающих эффективное смесеприготовление при минимизации удельных энергозатрат.
Поставленная в работе цель позволила сформулировать следующие основные задачи диссертации:
l.Ha основе уточнения и систематизации известных представлений о функциях смеси в производственном цикле и свойствах формовочных материалов разработать концепцию интегрального механизма формирования свойств единых ПГС в процессе смесеприготовления с учетом изменения зернового состава и трансформации состояния компонентов, вносимых оборотной смесью.
-
Теоретически и экспериментально обосновать основные положения концепции механизма формирования свойств ПГС с позиции образования на поверхности зерновой основы активной адгезивной оболочки - определяющего фактора всего комплекса свойств смеси.
-
На основе концепции интегрального механизма определить управляющие рецептурно-технологические и физико-механические воздействия на компоненты смеси в процессе ее приготовления в целях стабилизации свойств смеси, оптимизации рецептуры существующих и разработки новых составов единых ПГС, а также для определения принципов модернизации действующих и создания новых эффективных смесителей.
-
Разработать концепцию рецептурно-технологической оптимизации составов единых ПГС для чугунного литья на основе механизма формирования антипригарной адгезивной оболочки на поверхности зерновой основы смеси.
-
Теоретически и экспериментально обосновать принципиальную возможность применения готового пироуглерода в формовочных смесях,, разработать и внедрить в производство единые формовочные ПГС с добавками пироуглерода для чугунного литья, обеспечивающие повышение чистоты-поверхности отливок.
6.На основе концепции интегрального механизма формирования свойств ПГС и принципов создания оптимальных физико-механических воздействий на компоненты смеси при ее приготовлении разработать
и внедрить в производство конструкции барабанных смесителей, обеспечивающих интенсификацию процесса смесеприготовления и минимизацию удельных энергозатрат.
7. Разработать математическую модель рабочего процесса и создать инженерные методы расчета с использованием САПР типоразмер-ного ряда промышленных барабанных смесителей.
8.На основе интегрального механизма формирования свойств ПГС, адгезивной оболочки и трансформации зернового состава,оборотных смесей предложить, теоретически и экспериментально обосновать концепцию селективного перемешивания, основанную на избирательном дезагрегирующем и механоактивирующем воздействии рабочих органов смесителя на компоненты смеси при переводе потока частиц во взвешенное состояние.
9. Разработать математическую модель рабочего процесса и
конструкцию бескаткового центробежного смесителя селективного пе
ремешивания смесей.
10. Разработать инженерные методы расчета с использованием
САПР области оптимальных конструктивных и режимных параметров для
модернизации традиционных центробежных и создания типоразмерного
ряда бескатковых центробежных смесителей.
Выполненные автором исследования, разработки и внедрения являлись составной частью комплексной научно-исследовательской работы по решению научной проблемы 2.25.1.5 (Процессы литья. Координационный план АН СССР на 1986-1990 г.) и Федеральной программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения" (Отв. исполнитель НГААТМ, план 1992-1995 г.).
Научная новизна работы. Теоретически и экспериментально обоснованы основные положения концепции механизма формирования свойств единых ПГС в процессе смесеприготовления с позиции образования на поверхности зерновой основы смеси активной адгезивной оболочки, состоящей из пространственно ориентированных (текстури-рованных) частиц глинистого связующего, сложных силикатов, угле-родосодержащих материалов (УСМ) и аморфизированного водорастворимого кремнезема - адгезивного субстрата. При этом интегрирующим фактором, инициирующим развитие сложного комплекса процессов на всех иерархических уровнях смесеприготовления, является создание в слоях и микрообъемах смеси деформаций сдвига и фрикционного движения частиц компонентов в режиме "нагружение-отдых".
Установлено, что единые ПГС, на 90-98% состоящие из оборотной смеси, представляют собой новое качественное состояние формовочного материала. Механизм формирования комплекса свойств единых ПГС при смесеприготовлении определяется не столько процессом смешения освежающих добавок исходных компонентов, но главным образом - восстановлением вяжущей способности активной адгезивной оболочки и адгезивного субстрата, вносимых оборотной смесью.
На основе концепции интегрального механизма определены управляющие рецептурно-технологические и физико-механические воздействия на компоненты смеси в целях интенсификации процесса образования активной адгезивной оболочки, позволяющие оптимизировать рецептуры существующих и разработать новые составы единых ПГС.
На основе концептуального понимания процесса образования пи-роуглерода в слоях литейной формы и его влияния на состояние адгезивной оболочки впервые предложена, теоретически и экспериментально обоснована принципиальная возможность применения в качество специальной антипригарной и дезагрегирующей добавки в единые ПГС готового пироуглерода, получаемого за пределами литейной формы и вводимого в смесь на стадии ее приготовления. Применение готового пироуглерода и введение его в смесь на стадии приготовления позволяет принципиально изменить механизм формирования свойств ПГС и создать управляемый процесс образования адгезивной антипригарной оболочки на поверхности зерна.
На основе теории предельно-напряженного состояния связно-сыпучей среды определены функции рабочих органов смесителя и оптимальный механизм их воздействия на компоненты смеси при минимальных энергозатратах для создания интенсивных деформаций сдвига в слоях смеси и развития относительного фрикционного движения частиц ПГС в процессе смесеприготовления.
На основе концепции интегрального механизма формирования свойств ПГС и принципов создания оптимальных физико-механических воздействий на компоненты смеси при ее приготовлении разработаны и внедрены в производство конструкции барабанных смесителей, обеспечивающих интенсификацию процесса смесеприготовления и минимизацию удельных энергозатрат.
Разработана математическая модель рабочего процесса барабанного смесителя и с применением критерия кинематического' подобия -числа Фруда (Fr) - созданы инженерные методы расчета типоразмер-ного ряда промышленных смесителей с использованием разработанной САПР "Барабанный смеситель".
На основе анализа зернового состава оборотных смесей и механизма формирования адгезивной оболочки впервые предложена, теоретически и экспериментально обоснована концепция селективного перемешивания компонентов единых ПГС при переводе организованного потока частиц смеси во взвешенное состояние для достижения требуемого зернового состава смеси, интенсификации процесса смесеприготовления и снижения энергозатрат.
Разработаны математическая модель рабочего процесса и конструкция бескаткового центробежного смесителя селективного перемешивания единых смесей, а также инженерные методы расчета с применением САПР "Бескатковый центробежный смеситель" конструктивных и
режимных параметров для модернизации традиционных центробежных и создания типоразмерного ряда новых бескатковых смесителей.
Практическая значимость результатов работы. На основе концепции интегрального механизма формирования свойств единых 7-Х разработаны составы смесей, в которых применен готовый пироуг..^-род, получаемый за пределами литейной формы и вводимый в смесь на стадии ее приготовления, что позволило создать управляемый процесс формирования свойств за счет образования термостойкой антипригарной пироуглеродо-глинистой адгезивной оболочки на поверхности зерна смеси.
Применение готового пироуглерода позволяет: устранить накопление в смеси гидрофобизирующих и агрегатирующих продуктов термического разложения УСМ; улучшить технологические и физико-механические свойства ПГС за счет дезагрегирующего действия ультрадисперсных частиц пироуглерода; снизить расход глинистого связующего на 25-ЗОХ за счет более полного использования его потенциальных адгезивных способностей; в 75 раз сократить расход УСМ; "снизить газотворность смеси и выделение экологически вредных соединений в окружающую среду; уменьшить вероятность образования пригара и повысить чистоту поверхности отливок.
Разработанные составы ПГС с добавками пироуглерода прошли производственные испытания и внедрены с 1992 года в чугунолитейном цехе СЛЗ "Центролит" (г. Саранск) на автоматических формовочных линиях "Дизанатик" и "Кюнкель-Вагнер" с годовым экономическим эффектом 30-40 млн.рублей (цены на апрель 1993 г.) или 0,9-1,1 от заводской стоимости одной тонны отливок. Экологическая безопасность применения пироуглерода в составе ПГС подтверждена санитарно-гигиеническим паспортом на технологический процесс (НИИ охраны труда, г.Екатеринбург).
Разработаны менее энергоемкие и высокоэффективные смесителе, которые могут быть выполнены в широком диапазоне производите, ъ-ности от 0,5 до 400 м3/ч.
Промышленные образцы барабанных смесителей прошли стендовые испытания на Волковыском заводе литейного оборудования (г.Волко-выск, Беларусь), подтвердили повышение эффективности приготовления ПГС при одновременном снижении удельных энергозатрат и находятся в стадии производственного освоения в литейном цехе ПЮ "Уралвагонзавод" (г.Н-Тагил).
Разработанное математическое и программное обеспечение САПР "Бескатковый центробежный смеситель" позволяет определить область оптимальной скорости вращения ротора и формировать исходные данные на модернизацию эксплуатируемых в литейных цехах центробежных смесителей для повышения их эффективности и снижения энергозат^ рат.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций, симпозиумов и съездов литейщиков: в г.Минске (1987.1993г.), г.Москве (1988,1993г.). г.Омске (1989г.), г.Алма-Ата (1987г.), г.Челябинске (1987г.), г.Караганде (1989г.). г.Одессе (1990г.), г.С-Петер-бурге (1989,1991,1997г.), г.Рыбинске (1992г.), г.Рубцовске (1994,1995г.), г.Н-Тагиле (1992г.), г.Бийске (1995г.), г.Ульяновске (1995г.) и г. Барнауле (1984.1988,1990,1994,1995,1996 г.).
Предметом защиты являются следующие положения:
концепция интегрального механизма формирования свойств единых ПГС в процессе смесеприготовления, основанная на дезагрегации и механоактивации адгезивной оболочки и зернового состава компонентов, вносимых оборотной смесью, за счет создания в слоях и микрообъемах смеси интенсивных деформаций сдвига и фрикционного движения частиц;
концепция рецептурно - технологического управления механизмом формирования свойств единых ПГС, основанная на применении в составе адгезивной оболочки ультрадисперсных частиц готового пироуглерода, получаемого за пределами литейной формы и вводимого в смесь на стадии ее приготовления;
-. концепция механизма силового взаимодействия рабочих органов смесителя с компонентами единой ПГС в процессе смесеприготовления;
концепция интенсификации процесса смесеприготовления единых ПГС в барабанных смесителях;
концепция селективного процесса смесеприготовления единых ПГС в центробежных смесителях при переводе организованного потока частиц смеси во взвешенное состояние.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, из них 15 авторских свидетельств и патентов Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 376 стр. состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 316 наименований и приложения 28 стр. Она изложена на 319 стр. машинописного текста, содержит в том числе 69 рисунков и 22 таблицы.