Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

си требуемого качества, то по Uпер можно судить об эффективности того или иного процесса перемешивания. Рассматриваемая зависимость является универсальной, она не только характеризует кинетику процесса перемешивания, но и устанавливает связь между характеристиками смеси и типом смесителя.

Однако, как выше было показано, большинство существующих смесителей имеют недостатки. Некоторые из них не дают нужной степени однородности, другие экономически невыгодны из-за низкого КПД или из-за быстрого абразивного износа трущихся частей (лопастей, обечайки, катков и т.д.) смесителя. Одним из отрицательных факторов, присущих Катковым смесителям, является разрушение зерен наполнителя, что соответственно приводит к повышению запыленности и ухудшению газопроницаемости и формуемости смеси.

Абстрогируясь от конструктивных особенностей смесителей, сравнительный анализ энергозатрат (Uпер), необходимых для приготовления 1 кг смеси оптимального качества, показал (табл.8.1), что наиболее эффективным является лопастной смеситель с вертикально расположенным валом, который как раз является моделью вышеприведенного (рис.8.4) вихревого смесителя.

Если речь вести о сравнении процессов приготовления формовочных и стержневых смесей, то даже, исходя из данных, представленных в табл.8.1, следует, что приготовление формовочных смесей является наиболее энергоемким процессом. Связано это, в первую очередь с тем, что в стержневых смесях, как правило, используются жидкие связующие материалы, которые значительно легче распределять по поверхности зерен наполнителя, чем глиняные связующие. Кроме того, формовочные смеси, особенно единые, в качестве основного наполнителя содержат оборотную смесь, которую до перемешивания с другими компонентами, следует подвергать ряду технологических операций, направленных на то, чтобы сделать этот многоразовоиспользуемый материал кондиционным наполнителем единых формовочных смесей (ЕФС). Учитывая это, алгоритм или блок-схему системы подготовки материалов для приготовления ЕФС можно представить следующим образом (рис.8.6). Выбитая из опоки смесь попадает на первую операцию – магнитную сепарацию, направленную на отделение крупных металлических включений. Как правило, этот процесс обслуживают ленточные сепараторы, расположенные над транспортером с оборотной смесью

232

и обеспечивающие удаление металлических включений из потока смеси. После этого перемещающаяся по транспортеру смесь подвергается предварительному увлажнению и разрыхлению с помощью дезинтегратора или аэратора и окончательной магнитной сепарации. Затем смесь попадает в систему полигональных сит, в которых можно регулировать в соответствии с техническими требованиями размер отверстий ситового полотна.

Все комья смеси, превышающие требуемые размеры, представляют собой отработанный материал, который поступает в бункер отходов. Заключительной стадией подготовки оборотной смеси является ее охлаждение и гомогенизация. Как правило, эти операции осуществляются в установках, работающих по методу конвенциального воздушного охлаждения, в которых используют охладитель с псевдоожиженным слоем периодического или непрерывного действия. Следует отметить, что все устройства, начиная от магнитной сепарации и включая охлаждение смеси, оснащены системой отсоса пыли, что делает возможным до минимума свести содержание глинистой составляющей в готовой оборотной смеси.

После такой подготовки оборотная смесь дозируется и подается в смеситель, куда также поступают и другие отдозированные компоненты (свежий кварцевый песок, бентонитовый порошок, вода, угольная пыль и технологически необходимые добавки). Обеспечение высокого качества требует оптимального контроля параметров готовой оборотной и приготовленной смесей. Если эти параметры соответствуют требованиям, то приготовленная смесь поступает в установку аэрации (если это необходимо), а затем в бункер готовой смеси. Если же смесь не соответствует заложенным в автоматический контролер параметрам, то она возвращается в систему дозирования и используется в новом цикле смесеприготовления, как оборотная смесь.

8.3. Контроль и управление качеством формовочной смеси Известные методы контроля качества формовочной смеси могут быть разбиты на две группы: ме-

тоды непосредственного контроля текучести, осыпаемости, газопроницаемости и т.п.), и методы опосредованного контроля качества смеси по одному или нескольким косвенным параметрам (влажности, температуре и т.п.). Первые реализуются, как правило, в лабораторных условиях. При этом они позволяют осуществить достаточно полный анализ технологических и физикомеханических параметров смеси. Однако полученная этими методами оценка носит лишь констатирующий характер, что не дает возможности оперативно вмешиваться и корректировать технологический процесс смесеприготовления. В связи с этим они не исключают возможность попадания некачественной смеси на позицию формовки и, соответственно, получения бракованных отливок, а лишь позволяют проанализировать причины брака. Автоматизация прямых методов контроля качества смеси является весьма сложной и дорогостоящей задачей, требует установки специальных пробоотборников сложной преобразующей и анализирующей аппаратуры. Примером системы, основанной на использовании прямых методов контроля качества смеси является система, предлагаемая фирмой «DISA+GF». В этой системе автоматически осуществляется отбор пробы смеси из смесителя, затем формируется образец, передаваемый в мультиконтроллер, где автоматически определяется прочность и текучесть смеси. Полученные значения анализируются и пре-

233

образуются в управляющий сигнал, обеспечивающий добавление воды и бентонита. Отбор пробы из смесителя и корректировка состава через определенные промежутки времени повторяется до тех пор пока параметры смеси не войдут в заданные рамки. Главные недостатки этой системы: высокая инерционность, узкая выборка и, как следствие, недостаточная точность дозирования вводимых компонентов.

234

Оборотная смесь с зоны выбивки

нет

Контроллер качества сме-

си

Да

Аэратор готовой смеси

Бункер готовой смеси

Формовочная машина

Рис. 8.6 Блок-схема системы смесеприготовления

Методы косвенного контроля качества формовочной смеси по одному или нескольким опре-

235

деляющим параметрам базируются на высокой степени их корреляции с важнейшими качественными характеристиками формовочной смеси и отличаются простотой автоматического контроля выбранных параметров непосредственно в технологическом потоке и возможностью управления ими на стадии смесеприготовления. Анализ мирового опыта, накопленного в области создания систем автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси, показывает, что чаще всего в качестве основного контролируемого и управляющего параметра выбирается влагосодержание единой песчано-глинистой формовочной смеси. Такой выбор обусловлен, в первую очередь, тем, что влажность при заданном составе песчано-глинистой смеси является важнейшим фактором, определяющим ее основные физико-механические свойства – объемную и поверхностную прочность (осыпаемость), газопроницаемость, текучесть и т.д. (рис.8.7).

Рис. 8.7 Изменение физико-механических свойств смеси в зависимости от ее влажности (единая формовочная смесь РУП «МТЗ»): 1- прочность смеси на сжатие; 2 - осыпаемость; 3 - газопроницаемость; 4 - текучесть

Связующая композиция ПГС представляет собой двухкомпонентную систему, состоящую из формовочной глины и воды. Соответственно при фиксированном глиносодержании общее количество связующей композиции и ее собственные характеристики (вязкость, плотность и т.д.) определяются влагосодержанием смеси. Аналогичная ситуация характерна и для ряда смесей, в которых связующая композиция может рассматриваться как водный или коллоидный водный раствор (например, в жидкостекольных смесях) и где влажность позволяет оценить содержание связующего в смеси (при известном влагосодержании используемого наполнителя). Количество же связующего, в свою очередь, определяет реологические, физико-механические и технологические свойства смеси (рис.8.8).

236

ких влажностей емкостным методом как непременное условие достижения необходимой точности измерения возникает требование стабильности диэлектрических характеристик используемого наполнителя. Так для получения точности измерения влажности формовочной смеси в пределах0,2% при влагосодержании в пределах 1-3%, необходимо исключить относительные колебания диэлектрических характеристик наполнителя, превышающие 2-3%, что трудно достижимо в реальных условиях. Кроме того, показания емкостного влагомера достаточно сильно зависит от плотности и температуры смеси.

Известны попытки использования для контроля влажности формовочных смесей электрофизических методов, в частности, метода ядерного магнитного резонанса (суть которого заключается в измерении уровня поглощения энергии радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода) и нейтронного метода (измерение уровня замедления рассеивания, быстрых нейтронов атомами водорода исследуемого материала). Эти методы позволяют контролировать влажность практически любых материалов с высокой точностью, при этом могут контролироваться сразу большие объемы материала (например, измеряется влажность смеси, находящейся в бункеренакопителе). Однако, несмотря на указанные преимущества, электрофизические методы не нашли широкого применения в литейном производстве, в первую очередь, из-за высокой стоимости и сложности измерительной аппаратуры и небезопасности метода (необходима надежная радиационная защита).

Всвязи с этим для устранения большинства вышеуказанных недостатков на кафедре «Машины и технология литейного производства» Белорусского национального технического университета разработан способ контроля влагосодержания формовочных смесей с помощью СВЧ-методов, отличающихся высокой точностью, относительной простотой и дешевизной инструментальной реализации, возможностью бесконтактных измерений и высокой информационностью оценки. Указанные преимущества микроволновых методов позволили создать на базе вышеописанных СВЧ-влагомеров (рис.7.2) эффективные системы автоматического контроля технологического процесса смесеприготовления.

Результаты исследований и литературные данные показывают, что в СВЧ-диапазоне влияние концентраций солей, оксидов, наличие случайных примесей практически не оказывает влияния на точность работы влагомера. Это также является немаловажным преимуществом СВЧ-метода перед другими электрофизическими методами определения влажности смесей, включая емкостной.

ВСВЧ-влагометрии используются три схемы измерения влажности: по уровню поглощения микроволновой энергии, по значению фазового сдвига СВЧ-колебаний, по параметрам отраженной волны. Наиболее распространенным является метод контроля влагосодержания по уровню поглощения микроволновой энергии, что связано с его высокой точностью и чувствительностью, простотой приборной реализации, практически полным (от 0 до 100%) диапазоном измеряемых влажностей, широким выбором первичных датчиков, позволяющих решать задачи непрерывного контроля влажности непосредственно в технологическом потоке. На рис.8.10 приведены некоторые варианты схем, используемых в СВЧ-влагомерах, работающих по методу поглощения. Изме-

239

рительным параметром в этих влагомерах является ослабление или затухание (N, дБ) СВЧ-энергии

висследуемом материале. В первом приближении уровень ослабления определяется равенством (7.2). Из выражения (7.2) видно, что для получения стабильных результатов измерения влажности

вСВЧ-влагомерах должна обеспечиваться либо стабильная плотность исследуемого материала (рис.8.10,а), либо автоматическое измерение текущей плотности и соответствующая корректировка показания (8.10,б).

Рис. 8.10. Функциональные схемы СВЧ влагомеров:

а- простейшего; б – с коррекцией по плотности и температуре;

1- генератор; 2, 3 - приемная и передающая антенны; 4 - аттенюатор; 5 - диодная секция; 6 - усилитель, 7 - индикатор, 8 - проба; 9 - имлульсный генератор; 10 - диодный переключатель; 11 - волноводный ответвитель; 12 – датчик температуры; 13 - датчик плотности; 14 - вычисляю-

щее_устройство; 15 - двигатель; 16 – циркулятор

Помимо плотности микроволновые методы контроля влажности весьма чувствительны к изменениям температуры (рис.8.11).

240