MODEL ENERGETYCZNY PROCESU REGENERACJI MECHANICZNEJ SUCHEJ ZUŻYTYCH MAS FORMIERSKICH

Transkrypt

1 24/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocnik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN MODEL ENERGETYCZNY PROCESU REGENERACJI MECHANICZNEJ SUCHEJ ZUŻYTYCH MAS FORMIERSKICH R. DAŃKO 1 Wydiał Odlewnictwa AGH, Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W pracy predstawiono ałożenia i rowinięcie energetycnego modelu procesu regeneracji mechanicnej suchej użytych mas formierskich. Teoretycny model procesu ostał opracowany w oparciu o deterministycną hipoteę Rittingera krusenia materiałów mineralnych o właściwościach bliżonych do kwarcowej osnowy piaskowej. Wykaano, że rutynowe badania granulometrycne osnowy, realiowane w trakcie analiy sitowej, wnosą cenne informacje, na podstawie których można opracować kryteria prydatne do oceny, prognoowania i optymaliacji obróbki regeneracyjnej osnowy odyskanej użytych mas formierskich ora rdeniowych. Key words: foundry sand reclamation, used foundry sand 1. WPROWADZENIE Procesy regeneracji użytych mas formierskich obejmujące kompleks cynności procesowych, pocąwsy od wstępnej regeneracji masy użytej, popre regenerację właściwą, aż do obróbki finalnej regeneratu są trudne do opisu teoretycnego, co wydaje się być bepośrednią prycyną również braku publikacji dotycących modeli energetycnych tego procesu. Można wykaać [2], że do opracowania modelu teoretycnego regeneracji mechanicnej scególnie prydatna jest hipotea deterministycna procesu krusenia materiału opracowana pre Rittingera [8]. Podstawę teoretycną teorii stanowiło, aobserwowane pre Rittingera jawisko proporcjonalności energii użytej na rodrabnianie materiału kruchego do uyskanego w tym procesie pryrostu powierchni 1 dr inż., rd@agh.edu.pl.

2 192 bioru iaren, co ostało odwierciedlone w sformułowaniu dotycącym materiałów kruchych, że prace krusenia mają się do siebie prawie tak jak stopnie rodrobnienia. Argumentem, który należy prytocyć dokonując adaptacji hipotey Rittingera do procesów suchej regeneracji mechanicnej jest podobieństwo fiycne procesu uwalniania iaren osnowy otocki materiału wiążącego do procesu krusenia materiałów mineralnych o właściwościach bliżonych do kwarcowej osnowy piaskowej. Element dodatkowy stanowi seroko stosowana i unormowana w odlewnictwie praktyka analiy sitowej, powalająca na określenie mian powierchni właściwej regenerowanej osnowy na podstawie analiy sitowej regenerowanej masy użytej [5, 6]. 2. ZAŁOŻENIA MODELU TEORETYCZNEGO Podstawowe elementy identyfikacyjne regeneracji pryjęte w preentowanym modelu teoretycnym można definiować następująco: 1. Regeneracja jest roumiana jako kompleks cynności procesowych, którym jest poddawana masa użyta, pocąwsy od wstępnego prygotowania, popre regenerację właściwą, aż do obróbki finalnej regeneratu. 2. Regenerowalność (ang. reclaimability), definiuje espół cech danej masy użytej, decydujących o jej podatności do uwolnienia osnowy otocek użytego materiału wiążącego, pry określonym sposobie obróbki regeneracyjnej. Regenerowalność jest determinowana pre siły wajemnego oddiaływania pomiędy użytym, awycaj cęściowo prepalonym materiałem wiążącym i powierchnią osnowy iarnowej. Do cech masy użytej, które decydują o wartości tych sił należą: osnowa i jej charakterystyka (skład iarnowy, kstałt powierchni osnowy, morfologia powierchni), rodaj, ilość ora właściwości fiycne użytego materiału wiążącego (gęstość, lepkość, wilżalność) właściwości chemicne osnowy i spoiwa (godność lub preciwieństwo odcynu chemicnego ph, apotrebowanie na kwas Z K, reaktywność), rodaj technologii, której pochodi masa użyta (system mas jednolitych lub miesanych), stopień degradacji termicnej osnowy i materiału wiążącego (stopień oolityacji, stopień prepalenia). 3. Modele eksponujące destrukcję typu koheyjnego, obowiąujące aż do chwili gdy lepki masy użytej ostaną doprowadone do średniej wielkości iarna osnowy, powięksonej o podwojoną grubość otocki materiału wiążącego są bardiej adekwatne dla regeneracji wstępnej, w której dominują procesy rodrabniania i krusenia lepków iaren. Za koheyjnym charakterem destrukcji wiąań premawia w tym prypadku osłabienie mostków pre wceśniejsą, cęściową ich destrukcję cieplną. 4. Właściwy proces regeneracji mechanicnej suchej jest realiowany w trakcie trech wyodrębnionych operacji elementarnych cyli ścierania, ocierania i krusenia [1]. Zadaniem urądeń regenerujących jest w procesie regeneracji właściwej, pokona-

3 193 nie głównie sił adheji, decydujących o trwałości połąceń otocki materiału wiążącego iarnem osnowy, starcie użytego materiału wiążącego i ewentualnej warstwy oolitycnej ora doprowadenie regeneratu do kstałtu i wymiarów geometrycnych bliżonych do świeżej osnowy piaskowej. 5. W modelu idealnym iarna osnowy są kulami o średnicy astępcej d Z, a grubość materiału wiążącego wynosi g, Ropatrywane procesy regeneracji właściwej achodą w obrębie warstwy użytego materiału wiążącego, której grubość jest równa grubości otocki tego materiału. Założeniem regeneracji idealnej jest całkowite uwolnienie iaren osnowy poostałości użytego spoiwa, be krusenia samej osnowy Pryrost teoretycnej powierchni właściwej materiału w następstwie regeneracji suchej mechanicnej Pryjmując, godnie ałożeniami, że w modelu idealnym iarna osnowy są kulami o średnicy astępcej d Z, a grubość materiału wiążącego wynosi g, można określić średnicę pojedyncego iarna osnowy pokrytego materiałem wiążącym d A, która wynosi d A = d Z + g. Grubość otocki użytego materiału wiążącego na powierchni iaren osnowy można oblicyć ależności, uwględniających objętości: iarna osnowy pokrytego materiałem wiążącym (V A ), cystego iarna osnowy (V Z ) ora użytego materiału wiążącego (V g ): Grubość otocki g użytego materiału wiążącego określa wór: ρ ρ g = d ( 1+ = (1 + 1 Z 3 L d Z d Z 3 L (1) ρ g ρ g gdie: V A objętość iarna osnowy pokrytego użytym materiałem wiążącym; m 3 (mm 3 ), V objętość iarna osnowy; m 3 (mm 3 ), Vg objętość otocki użytego materiału wiążącego; m 3 (mm 3 ), ρ g - gęstość otocki użytego materiału wiążącego; kg/m 3 (g/mm 3 ), ρ - gęstość materiału osnowy piaskowej; kg/m 3 (g/mm 3 ), d Z średnica iarna osnowy; m (mm), L udiał masowy materiału wiążącego w stosunku do osnowy. Wrost powierchni teoretycnej masy użytej po regeneracji uwględnieniem udiału frakcji pyłowej po starciu użytego materiału wiążącego można oblicyć na podstawie następującej ależności: 12 g m = ρ d ( d + 2 g) (2) Znajomość pryrostu teoretycnej powierchni właściwej osnowy ora jej masy pocątkowej (m m ) umożliwia oblicenie całkowitej pracy rodrabniania e woru:

4 194 Σ L R = m L0 [J] (3); m m 1 R = [cm 2 /J] (4) L Do opisu jawisk w mechanice rodrabniania różnych materiałów kruchych stosuje się tak wane licby materiałowe Rittingera R, które określają w prybliżeniu wartość powierchni danego materiału wytworoną na skutek wydatkowania jednostki energii [1]. Odwrotność licby Rittingera jest wartością pracy L 0 koniecną do uyskania jednostki pryrostu powierchni godnie e worem (3). Zgodnie teorią Rittingera ora jej interpretacją dokonana pre Tumidajskiego i innych [7-10], miernikiem wartości pracy wydatkowanej na rodrabnianie materiału do postaci uiarnionej, a w prypadku predstawionego modelu regeneracji mechanicnej, na krusenie użytego materiału wiążącego iarn osnowy, jest pole awarte międy krywymi całkowymi składu iarnowego nadawy i produktu wykreślonymi w układie (Φ(d), 1/d). Krywa Φ(1/d) na predstawionym poniżej wykresie (rys. 1) onaca wartość całkowej funkcji składu iarnowego dla iaren o średnicy d, oś rędnych wyskalowano jako odwrotność iaren o średnicy d, cyli 1/d. 0 Rys. 1. Interpretacja pracy wydatkowanej na rodrobnienie materiału nadawy o średnicy d N do produktu o średnicy d p według teorii Rittingera [8, 9]. Fig. 1. Interpretation of work expended for disintegration of feed material of diameter d N to residue of diameter d p according to Rittinger theory [8,9]. 3. OKREŚLENIE LICZB MATERIAŁOWYCH RITTINGERA R DLA ZUŻYTYCH MATERIAŁÓW WIĄŻĄCYCH W mechanice rodrabniania różnych materiałów kruchych licby materiałowe Rittingera R ostały określone jedynie dla niewielkiej grupy materiałów. W tej grupie materiałów najduje się cysty kwarc, dla którego wartość licby Rittingera wynosi 17,56 cm 2 /J [8]. Można pryjąć, niewielkim marginesem błędu, wynikającym e składu mineralogicnego, że stosowany w odlewnictwie piasek kwarcowy charakteryuje się taką samą wartością licby R [9, 10]. Do chwili obecnej nie ostały natomiast określone wartości licby R dla typowych materiałów wiążących, stanowiących otockę iaren osnowy, które w wyniku regeneracji mechanicnej powinny być usunięte powierchni iaren.

5 195 Predstawiony model energetycny procesu regeneracji wykonany w oparciu o hipoteę Rittingera wymaga eksperymentalnie określonych stałych materiałowych Do ich określania w predstawionym modelu wykorystano funkcje składu iarnowego. W procesie regeneracji właściwej, w którym praca wiąana usuwaniem użytej otocki materiału wiążącego powierchni iarn osnowy (L RMW ) jest utożsamiana pracą krusenia według hipotey Rittingera (L R ), co wyraża równość: L = (5) R L R MW Określenie efektu obróbki regeneracyjnej w urądeniu mechanicnym polega na porównywaniu w danych, bliżonych warunkach regeneracji, pryrostu powierchni właściwej materiału: piasku kwarcowego stanowiącego osnowę masy jako materiału odniesienia o nanej, stałej wartości licby Rittingera (17,56 [cm 2 /J), użytej masy formierskiej badanym materiałem wiążącym i nienanej wartości licby Rittingera. Po każdym cyklu regeneracji na podstawie anali sitowych, jest sporądany wykres składu iarnowego w układie (1/d, Φ(d)), a następnie oblicany jest procentowy pryrost powierchni, pomiędy krywą składu iarnowego dla piasku wyjściowego i masy użytej poddanej obróbce regeneracyjnej. Jako moment ropocęcia procesu krusenia osnowy regenerowanej pryjmuje się taką wartość casu obróbki regeneracyjnej, pry którym pryrost teoretycnej powierchni właściwej dla regeneratu osiąga wartości bliżone do analogicnego pryrostu teoretycnej powierchni właściwej dla świeżego piasku kwarcowego, traktowanego w ten sam sposób (wór 6). Wartość licby materiałowej Rittingera oblica się wg woru 7. Z MW 1 3. PODSUMOWANIE (6) R MW = Zgodnie pryjętymi ałożeniami proces regeneracji mechanicnej suchej jest traktowany całościowo, pocąwsy od regeneracji wstępnej, popre regenerację właściwą, aż do końcowego odpylenia regeneratu w wyniku obróbki klasyfikacyjnej. Predstawiony model energetycny ostał opracowany w celu optymaliacji procesu odysku użytych mas odlewnicych w procesach regeneracji suchej. Powala on określić pracę wymaganą do ocyscenia iarn osnowy otocki użytego materiału wiążącego, a także niebędny poiom poboru mocy urądenia regenerującego pry nanej jego sprawności energetycnej. Doświadcalna weryfikacja modelu teoretycnego predstawiona w pracy [2], wskauje na dużą godność wyników roważań teoretycnych danymi uyskanymi w trakcie analiy wyników badań doświadcalnych. Badania realiowano w ramach pracy własnej AGH, nr MW Z R SiO 2 (7)

6 196 LITERATURA [1]. L. Bodoń, J. Dańko, L. Żurawski: Elements of the process of waste sand dry reclamation. Archives of Metallurgy, vol. 34, issue 3, 1989, pp [2]. R. Dańko: Podstawy teoretycne i technologicne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej użytych mas formierskich. Roprawa doktorska, Wydiał Odlewnictwa, Kraków [3]. S. Dobos: Aktywacja cieplna piasków kwarcowych. Roprawa habilitacyjna, Zesyty Naukowe AGH Metalurgia i Odlewnictwo, Zesyt 134, Kraków [4]. A. Fedorysyn: Parametry obróbki regeneratu w pneumatycnych klasyfikatorach prepływowych. IV Międynarodowa Konferencja Naukowa Odlewnictwo 2000, Wrocław - Polanica Zdrój, , Krepnięcie Metali i Stopów, rocnik 2, nr 43, Gliwice 2000, s [5]. P. Jelinek: Pojivove soustavy slevarenskych formovačich smesi, ISBN , [6]. L. Lewandowski: Masy formierskie i rdeniowe. Warsawa 1991, Wydawnictwo Naukowe PWN. [7]. E. Mielcarek: Energia kinetycna i wewnętrna ora sprawność w procesie swobodnego rodrabniania. Archiwum Budowy Masyn, t. 28, nr. 2, 1981, s [8]. P. Rittinger: Lehrbuch der Aufbereitungskunde. Ernst und Körn, Berlin [9]. T. Tumidajski: Zastosowanie metod statystycnych w analiie preróbki surowców naturalnych. Śląskie Wydawnictwo Technicne, Katowice [10]. J. Zawada: Wstęp do mechaniki procesów krusenia. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji Masyn, Radom ENERGY MODEL OF DRY RECLAMATIOM PROCESS OF USED MOULDING SANDS The assumptions of Rittinger s energy model and its development allowing for its application in the theoretic description of dry reclamatiom process of used moulding sands has been presented. The background to the author s own model was Rittinger s deterministic hypothesis regarding the crushing processes associated with grinding of mineral materials of the similar qualities to quart sand basis applied in foundry practice. It was proved that sand grains testing during standard sieve analysis would bring in valuable information allowing to determinate the criteria useful for assessment, foresight and optimisation of reclamation treatment of silica sand base recovered from the used foundry sands. Recenent: prof. dr hab. Marius Holter.