Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

проводности формы или стержня являются расчетными величинами (7.13, 7.14), для определения которых с помощью специальных приборов [22], работающих в стационарных условиях замеряются все необходимые экспериментальные данные.

221

8. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ КОНТРОЛЯ

Процесс приготовления смесей для разовых форм и стержней заключается в смешивании твердых (наполнитель) и жидких (связующая композиция) составляющих. При перемешивании составляющих на поверхности частиц наполнителя образуются пленки связующего, связывающего между собой смежные зерна. Связывание разрозненных зерен наполнителя в единую систему (смесь) обусловлено возникновением сил сцепления между поверхностью зерен и пленкой связующего (адгезией), а также наличием сил связи между частицами самого связующего вещества (когезией).

Применительно к условиям приготовления формовочных и стержневых смесей процесс смесеприготовления может быть условно разделен на собственно перемешивание, обволакивание и активацию, которые в зависимости от режима совершаются последовательно или одновременно. Смесеобразование обычно сопутствуют весьма важные в технологическом отношении физикохимические явления.

Так, при смешивании кварцевого песка с водой ее молекулы ориентируются определенным образом по отношению к ионам, расположенным на поверхности зерен кварца, покрывая их слоем «жесткой» воды, образуя водородные связи. При сближении увлажненных зерен песка водные оболочки вступают в электростатическое взаимодействие, связывая между собой эти зерна.

Еще более сложные процессы происходят при взаимодействии наполнителя с многокомпонентными связующими: бентонитовыми, смоляными, жидкостекольными и др. В идеальном случае при смешивании каждое зерно наполнителя должно быть окружено оболочкой связующего вещества. Интенсивность перемешивания покрытия (обволакивания) и активации определяется физико-химическими свойствами компонентов, конструкцией рабочих органов смесителя и интенсивностью перемешивания (числом уплотнений и разрыхлений каждого элемента смеси в единицу времени).

8.1. Формирование структуры и свойств формовочной смеси в процессе смесеприготовления

В общем случае приготовление формовочной смеси представляет собой процесс образования термодинамически устойчивой скелетной системы коагуляционного типа. При неизменном составе и отсутствии химических взаимодействий она обратима по прочности, т.е. может многократно разрушаться и восстанавливаться. Таким образом, процесс перемешивания есть непрерывное разрушение и образование коагуляционных контактов, которое сопровождается ростом 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 – дисперсионной среды (связующее, специальные добавки, вода и т.д.) идет образование связующей композиции – суспензии, эмульсии, коллоидного раствора и своего рода механическая активация связующего. Образование гомогенной связующей композиции и ее равномер-

222

ное распределение по объему смеси происходят со значительным опережением процесса образования равномерной пленки связующего на поверхности зерна наполнителя и активации связующе-

го (рис.8.1, а, б).

Рис. 8.1 Влияние типа смесителя и состава смеси на процесс смесеприготовления:

а – распределение связующего в объёме смеси; б - достижение максимальной прочности; 1–3 - ПГС (бентонит-8%, влажность-4%; 4-6 –жидкостекольная смесь

Оценка равномерности распределения связующего (рис.8.1, а) осуществлялась с помощью лабораторного СВЧ-влагометра ИВЛ-1 (рис.7.2) по максимальному отклонению от среднего значения уровня поглощения микроволнового сигнала ( N) в различных участках исследуемого объема смеси. Оценка степени распределения связующего и момента завершения пленкообразования на поверхности зерен наполнителя осуществлялась фиксированием достижения максимальной прочности (рис.8.1, б). Как видно из рисунка, разница во времени между окончанием распределения связующего по объему смеси и моментом завершения процесса обволакивания связующим поверхности зерен наполнителя характера для любых смесей и всех типов смесителей. Эта разница тем больше, чем выше вязкость и собственная структурная прочность связующего.

Оба названных процессов и увеличение межфазной поверхности раздела и образование связующей композиции в соответствии с законами термодинамики происходят с поглощением энергии. При этом второй процесс (образование связующей композиции) энергетически существенно менее емкий и в меньшей степени оказывает влияние на кинетику смесеобразования. Энергозатраты в процессе перемешивания в первую очередь зависят от реологических характеристик (вязкости) связующей композиции и условий смачивания на поверхности раздела «связующее – наполнитель». Одним из критериев качества перемешивания и энергоемкости процесса может служить число контактов, образовавшихся в единице объема смеси уплотнения (рис.8.2).

223

При соблюдении этих условий энергозатраты и, следовательно, время перемешивания будут минимальными. Состояние системы приближается к термодинамическому равновесию, что позволяет достичь экстремальных значений свойств смеси после ее упрочнения. При нарушении этих условий, например для улучшения пыления, что часто происходит в реальных условиях, глина вводится в песок после воды, время перемешивания увеличивается и уменьшается прочность высушенной смеси [5].

Весьма важными технологическими факторами, определяющими как эффективность процесса смесеприготовления, так и качество смеси, является количество в ней связующего материала, а также длительность перемешивания компонентов. И в том, и в другом случае требуется соблюдение оптимальных условий, которые определяются как видом связующего материала, так и типом смесителя. Говоря об оптимальности длительности перемешивания компонентов, следует иметь ввиду, что максимально высокие свойства смесь приобретает, как это было указано в гл.1, только в период равномерного распределения пленки связующего по поверхности зерен наполнителя. Увеличение продолжительности смешивания сверх оптимального приводит к тому, что получаемая системой энергий начинает расходоваться не на формирование требуемой структуры смеси, а на удаление воды или растворителя из пленки связующего. Это приводит к появлению в связующей системе внутренних напряжений, ослабляющих когезионные и адгезионные связи и, как следствие этого, падению прочности и других физико-механических свойств приготавливаемых смесей.

Аналогичная экстремальная зависимость существует между прочностью смеси и количественным содержанием в ней связующего материала, при малых количествах которого значительная часть зерен наполнителя не покрыта пленкой связующего и смесь имеет недостаточную прочность. Только при достижении в смеси оптимального количества связующего происходит формирование его пленки, равномерно распределенной по поверхности зерен наполнителя (рис.8.2,б), создание межзеренных манжет связующего и, как следствие этого, приобретение смесью максимально высокой прочности.

8.2.Системы смесеприготовления

Всоответствии с существующими положениями смесеприготовление представляет собой совокупность разнонаправленных деформаций, среди которых можно выделить:

1)образование в массе смеси скользящих друг по другу слоев (плоскостей) – сдвиговые деформации (срезающее смешивание);

2)перемешивание групп (микрообъемов), частиц из одного положения в другой – конвективное смешивание;

3)перемена позиций отдельными частицами, переходящими из слоя в слой – диффузионное смешивание;

4)рассеяние частиц при соударении или ударах о стенки смесителя – ударное смешивание;

5)деформация и растирание слоя смеси и отдельных частиц – измельчение или разрушающие деформации.

225

Первые четыре вида деформаций играют положительную роль. Последний, как правило, является следствием несоблюдения оптимальных параметров длительности перемешивания компонентов. Наиболее эффективным является тот процесс смесеприготовления, который сочетает в себе все виды смешивания и исключает деформации разрушения.

Все разнообразие известных и применяемых в той или иной мере смесителей можно классифицировать по виду воздействия рабочего органа на частицы перемешиваемого материала

(рис.8.3).

Рис. 8.3 Классификация смесителей по типу воздействия на частицы наполнителя.

Одинарные двухкатковые смесители с горизонтальной осью вращения катков и неподвижной чашей. Основой конструкции является траверса, жестко связанная с ведущим валом, на которой монтируются катки, скребки и плужки. Привод смесителя, мотор и редуктор обычно монтируются под чашей. Загрузка компонентов формовочной смеси осуществляется сверху через специальное отверстие, имеющееся в крышке чаши. Готовая смесь выгружается через специальный люк, находящийся снизу чаши или сбоку.

В смесителя такого типа на смесь воздействуют массивные вращающиеся катки. При этом смесь сжимается и частично выдавливается из-под катка, глинистая составляющая под воздействием катка деформируется и распределяется в объеме смеси. Из-под катков смесь попадает на плужки, которые, подымая ее, вновь подают на каток. Плужки также перемешивают смесь, переворачивая ее, тем самым улучшая распределение компонентов во всем обрабатываемом объеме. Большое значение для получения качественной смеси имеет расположение катков и плужков, а также зазор между движущимися частями и чашей. Ряд моделей оснащен регулируемыми плуж-

226

ками и специальными пружинами или механизмами, обеспечивающими изменение нагрузки на катки.

Смесители данного типа используются для периодического приготовления песчано-глинистых смесей как в цеховых лабораториях, так и в крупных смесеприготовительных системах. В настоящее время это самый используемый тип смесителей в отечественных литейных цехах.

Однокатковые смесители с неподвижной чашей. Основная модель этой группы подобна смесителям предыдущей группы, но траверса имеет другую конструкцию и несет на себе только один каток. На противоположной стороне траверсы находится рычаг со скребком и плугом, которые перемешивают смесь и подают ее под каток для последующего перетирания. Конфигурация скребка и плуга меняется в зависимости от типа приготовляемой смеси. Данный тип смесителей более универсален, и его можно использовать как для приготовления песчано-глинистых смесей, так и для смесей на масляных, силикатных и смоляных связующих.

Сдвоенные смесители с горизонтальной осью вращения катков фактически представляют собой сдвоенные смесители первой группы. Их неподвижная чаша в плане имеет вид двух окружностей, образующих восьмерку. Подвижные траверсы, находящиеся в каждой чаше, несут по два вращающихся катка, плуги и скребки. Траверсы вращаются в противоположных направлениях. Компоненты формовочной смеси загружаются в одну чашу, а готовая смесь выгружается из другой. Время нахождения (перемешивания) в чаше регулируется шиберным устройством, расположенным перед люком выгрузки смеси. Увеличивая или уменьшая сечение выпускного отверстия, можно уменьшить или увеличить время нахождения смеси в смесителе и тем самым варьировать условия перемешивания компонентов в зависимости от типа и количества вводимой в смесь связующей композиции.

Смесители, относящиеся к этой группе, обладают высокой производительностью и предназначены для непрерывного приготовления значительных объемов песчано-глинистых смесей в ком- плексно-механизированных и автоматизированных системах смесеприготовления для высокопроизводительных автоматических линий с часовой потребностью формовочной смеси более 50 т.

Катковые одночашечные смесители (бегуны) с горизонтальной осью вращения катков, пожалуй, самые распространенные в странах СНГ установки для приготовления формовочных смесей. Однако они имеют ряд существенных недостатков – высокую относительную энергоемкость, резкое снижение производительности при приготовлении высокопрочных смесей. Главный же недостаток – перетирание, дробление и, как следствие этого, изменение зерновой основы смеси.

Скоростные смесители с вертикальной осью вращения катков сконструированы таким образом, что вертикальные оси катков закреплены на вращающейся траверсе, на которой также смонтированы плужки.

При вращении траверсы катки центробежной силой прижимаются к чаше и за счет трения вращаются. Плужки подхватывают смесь, находящуюся на днище чаши, и направляют ее под катки. Катки и внутренняя вертикальная поверхность чаши имеют резиновое покрытие для снижения износа и предотвращения дробления зерновой основы формовочной смеси. Компоненты смеси

227

загружаются через специальное загрузочное отверстие в крышке смесителя, а готовая смесь выгружается через боковую дверцу, оснащенную пневмоприводом.

Поскольку смешивающие катки имеют значительные скорости вращения, формовочная смесь в процессе приготовления нагревается. Поэтому в конструкцию смесителей внесены элементы, обеспечивающие охлаждение смеси потоком воздуха, который подается в смеситель вентилятором низкого давления, захватывается элементами вращающейся траверсы и, проходя через разрыхленную смесь, охлаждает ее. Пылевидные частицы смеси, выносимые воздухом, управляют зонтом, расположены над смесителем.

Высокая скорость вращения смешивающих элементов и турбулентность потока смеси позволяют сократить время, необходимое для придания смеси требуемых технологических свойств. Однако неудобство и сложность обслуживания снижают потребительские свойства этих смесителей.

Смесители с вращающимися лопастями и высокоскоростными мешалками при неподвижной чаше. В данную группу входят высокопроизводительные смесители, имеющие трехили четырехлопастные ножи, которые приводят во вращение со средней скоростью при помощи специального двигателя и коробки передач, смонтированных на основании смесителя.

Вращающиеся от центрального вала лопасти подают смесь на расположенные нал ними высокоскоростные мешалки, которые разминают и разрыхляют смесь.

Смесители обеспечивают высокие скорости и интенсивность перемешивания, но требуют использования двигателей повышенной мощности. Применяются для приготовления больших объемов формовочной смеси с глинистым связующим, а также для подготовки холоднотвердеющих пластинчатых смесей.

Барабанные смесители, совмещающие катки и мешалки, отличаются тем, что смешивание компонентов производится внутри одного вращающего барабана, установленного на ролики. Внутри барабана смонтирован свободно вращающийся длинный каток, что обеспечивает перемещение смеси относительно барабана в зоне выгрузки. Над мешалкой смонтирован скребок, очищающий поверхность барабана. Компоненты смеси подаются с одной стороны барабана, а готовая смесь выгружается с другой. Подобной конструкции смесители обеспечивают как смешивание, так и разрыхление смеси в непрерывном потоке и используются для приготовления значительных объемов формовочной смеси при непрерывном ее приготовлении в механизированных смесеприготовительных системах.

Однолотковые высокоскоростные шнековые (до 300 об/мин) смесители по сравнению со смесителями вышеуказанной группы имеют большую скорость вращения шнека, что обусловливает необходимость изменения формы и расположения лопастей на шнеке.

Распределение связующего в смеси осуществляется под действием ножей шнека, перемешивающих смесь в лотке вперед и в сторону со смещением к разгрузочному концу. Связующее и катализатор вводятся через инжекционные насадки, расположенные сбоку лотка. Высокая скорость позволяет как использование в смеси высоковязких связующих материалов, так и обеспечивать уменьшение длительности процесса смесеприготовления.

228

Смесители данной группы наиболее пригодны для приготовления стержневых смесей с хими- чески-твердеющим связующим.

Смесители с низкоскоростным двойным шнеком отличаются от однолоткового конструкцией лотка и смешивающих элементов. В широком лотке размещены два шнека, вращающиеся в противоположных направлениях, которые перемещают смесь в центр лотка, где она смешивается со связующим.

Смеситель как правило используется для смесей с химически-твердеющим связующим, при приготовлении как пластичных, так и жидких (наливных) смесей.

Низкоскоростной шнековый порционный смеситель состоит из лотка с 2-х секционным шнеком. Одна секция шнека – правосторонняя, вторая – левосторонняя. Смесь постоянно перемещается в центр и затем подается снова к периферии.

Разрыхление и перемешивание связующего с песком осуществляется за счет перемещения смеси навстречу друг другу противоположными витками шнека. Время перемешивания регулируется оператором и может изменяться в зависимости от используемого типа связующего.

Смесители в течение длительного времени использовались для приготовления смесей с масляными связующими, в настоящее время их использование сокращается.

Роторные смесители на базе вращающейся чаши. В смесителях данной группы для перемешивания компонентов смеси используются активные смешивающие органы, имеющие самостоятельные приводы.

Чаша приводится во вращение при помощи кольцевой шестерни и двигателя с коробкой передач, смонтированных на основании смесителя. На раме над чашей установлены роторы и их приводы. Один ротор представляет собой относительно небольшой высокоскоростной блок лопастного типа. Другой, имеющий небольшую скорость, оснащен смешивающими ножами в виде скребков и плужков. Роторы вращаются в противоположные вращению чаши стороны. Компоненты смеси загружаются сверху и после смешивания разгружаются через днище чаши.

Смесители данной конструкции используются для приготовления сырой формовочной смеси в механизированных и автоматизированных смесеприготовительных отделениях.

Вибрационные смесители наиболее эффективны для приготовления высококачественных холоднотвердеющих стержневых смесей, имеющих невысокую сырую прочность. Принцип действия такого смесителя основан на том, что его рабочая камера жестко связана с вибрационным столом, который с помощью эластичных несущих штоков крепится к основанию. Стол связан с эксцентриковым приводом, который обеспечивает передачу круговых вибрационных колебаний в горизонтальной плоскости столу и закрепленной на нем камере. Частота круговых колебаний состав-

ляет 2000-2000 мин-1.

Под действием высокочастотной вибрации каждая частица наполнителя в рабочей смесительной камере получает вращательное и поступательное движения в горизонтальной плоскости, а смесь в целом переходи в псевдоожиженное состояние. Для эффективного смешивания жидких добавок с наполнителем используются стационарные лопасти специальной конструкции, которые

229

установлены вертикально и жестко закреплены в днище смесительной камеры. Основным недостатком таких смесителей является их низкая эффективность при приготовлении песчаноглинистых смесей, особенно, имеющих высокие прочностные показатели. Поэтому область применения вибрационных смесителей ограничена только приготовлением песчано-смоляных смесей, имеющих низкую сырую прочность.

Высокоскоростные вихревые (турбинные) смесители в настоящее время являются наиболее экономичными и высокоэффективными смешивающими агрегатами, из которых можно выделить два основных типа:

- с неподвижной чашей и вращающимся водилом, на котором размещается одна или две высокоскоростные турбины (рис.8.4);

Рис. 8.4 Вихревой смеситель фирмы DISA-GF:

1- неподвижная чаша; 2- скребок; 3- высокоскоростная турбина; 4- привод турбины; 5 - электродвигатели привода; 6 - плужок; 7 - разгрузочное окно;

8- приготовленная смесь; 9- бункер свежего песка (11) и оборотной смеси (10); 12 - добавки в смесь; 13мультиконтроль

- второй тип – смесители с вращающейся чашей и неподвижным водилом, на котором (или непосредственно на крышке смесителя) крепится высокоскоростная турбина и скребки (рис.8.5).

230