URZĄDZENIA I SYSTEMY INTENSYWNEGO CHŁODZENIA MASY FORMIERSKIEJ. J. DAŃKO 1, A. FEDORYSZYN 2 Wydział Odlewnictwa AGH Kraków, ul.

Transkrypt

1 54/2 Archives of Foundry, Year 21, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 21, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN URZĄDZENIA I SYSTEMY INTENSYWNEGO CHŁODZENIA MASY FORMIERSKIEJ STRESZCZENIE J DAŃKO 1, A FEDORYSZYN 2 Wydział Odlewnictwa AGH 3-59 Kraków, ul Reymonta 23 W artykule rzedstawiono urządzenia i systemy intensywnego chłodzenia obiegowych mas formierskich, a także czynniki charakteryzujące ich racę Masa zwrotna, rzed oddaniem jej odświeżaniu w mieszarkach, owinna odlegać właściwemu ochłodzeniu z wykorzystaniem cieła arowania wody Scharakteryzowano także oracowany model stosowany w obliczeniach komuterowych wymiany cieła i bilansu masy Key words: moulding sand return, cooling, comuter calculation, heat transfer, mass balances 1 WSTĘP Stosowanie urządzeń do homogenizacji, nawilżania i chłodzenia masy zwrotnej wymagane jest rzy intensywnych obiegach masy z bentonitem Homogenizatory owinny zaewniać ujednorodnienie, nawilżenie i wstęne schłodzenie masy Charakteryzują się one stosunkowo dużym zasobem masy rzy małym rozwinięciu jej owierzchni Przy niewystarczającym schłodzeniu masy wymagane jest stosowanie chłodziarek, których efektywność racy zależy od intensywności odarowania dodawanej wody Intensywność tę zwiększa rzedmuchiwanie owietrza rzez warstwy masy oraz zastosowanie odciśnienia w komorze roboczej chłodziarki Srzyja temu również rozwinięcie owierzchni wymiany cieła i wilgoci uzyskiwane za omocą fluidyzacji i wibrofluidyzacji 1 rof dr hab inż 2 dr hab inż

2 Ilość odciąganego owietrza; m 3 *1 3 /h 2 PARAMETRY PRACY CHŁODZIAREK TYPU PRZENOŚNIKOWEGO Istotną cechą urządzeń tyu rzenośnikowego (taśmowych, członowych, aeracyjnych, wibracyjnych) jest krzyżowy rzeływ masy i owietrza chłodzącego [4 6] Przykładowe rozwiązanie chłodziarki wibrofluidyzacyjnej rzedstawiono schematycznie na rysunku 1 [14] CFM- 351 CFM- 451 CFM Oznaczenie chłodziarki Rys1 Schemat i charakterystyka chłodziarek wibrofluidyzacyjnych firmy TECHNICAL Nowa Sól [14]: 1- komora robocza, 2-komora searacji, 3-wentylator odmuchowy, 4-dysze wodne, 5-dno erforowane Fig1 The schematic and characteristic of vibro-fluidised sand cooler roduced by TECHNICAL Nowa Sól [14]: 1-working chamber, 2-searating hood, 3-ressure fan, 4-water jets, 5- erforating bottom CFM- 452 Stosowane jest zawsze chłodzenie wyarne związane z dużym ciełem arowania wody Nawilżanie realizowane jest dodatkiem takiej ilości wody, aby cieło zawarte w masie ozwalało na rawie całkowite odarowanie wody Przy temeraturze masy wybitej wyższej od 373 K (1 ), odarowanie 1% wody sowoduje sadek jej temeratury wynoszący w rzybliżeniu [12]: Qw 2258 t 24,54 C 1 c 1,92 gdzie: Q w - cieło arowania wody rzy 1 C 2258kJ/kg (541 kcal/kg), c - cieło właściwe osnowy iaskowej,92 kj/kg C (,22 kcal/kg C) Masa zwrotna o rozdrobnieniu i częściowym wymieszaniu ma najczęściej temeraturę niższą od 1 C W tych rzyadkach roces chłodzenia jest uzależniony od ilości i temeratury owietrza oływającego ziarna masy oraz od zawartości wilgoci w owietrzu Intensywność chłodzenia masy wilgotnej znacznie zwiększa się rzez rzedmuchiwanie zasobu owietrzem Przedmuchiwanie realizowane o nawilżeniu jest bardzo skuteczne, gdyż owoduje wymuszone odarowanie ozostałości wody rzy temeraturze oniżej unktu wrzenia

3 Strumień owietrza chłodzącego m, kg/s Projektowanie i eksloatację urządzeń do chłodzenia ułatwiają oracowane rogramy obliczeniowe dotyczące wyznaczania [4,11,12]: wymaganej ilości owietrza chłodzącego, znajomość której ozwala określić niezbędną wydajność wentylatora odmuchowego, wilgotności masy i owietrza o każdym kroku obliczeń, w kolejnych elementarnych wycinkach; zmiany wymienionych wielkości oracowywano w oarciu o znajomość wartości izoterm desorcji wilgoci z masy używanej arametrów owietrza odlotowego wynikających z uśrednienia arametrów owietrza ouszczającego oszczególne, elementarne wycinki, ilości wody otrzebnej do natryskiwania masy w chłodziarce Na rysunku 2 rzedstawiono uogólniony schemat chłodziarki rzenośnikowej oraz rzykładowe wyniki obliczeń numerycznych rocesu chłodzenia Widoczny jest wływ na wyniki obliczeń arametrów owietrza chłodzącego Podkreślić rzy tym należy, że wyniki obliczeń odowiadają charakterystykom doświadczalnym rzemysłowych urządzeń [12] m f m w a) m k m f m w b) k m k m f m dl m Temeratura oczątkowa masy t f, C Rys2 Model rzeływu strumieni masy i owietrza rzykładowe wyniki obliczeń numerycznych rocesu chłodzenia w chłodziarce rzenośnikowej o wydajności 5t/h; arametry owietrza chłodzącego: 1 t = 1 C, = 6, 2 - t = 2 k C, = 9 i masy: t f = 35 C Fig2 Model of sand and air stream flow in sand cooler and the diagram illustrating the exemlary data comuted for conveyer tye cooler of 5 t/h caacity; arameters of cooling air: 1 t = 1 C, = 6, 2 - t = 2 k C, = 9, and of sand: t f = 35 C Podkreślenia wymaga fakt, że w urządzeniach wibrofluidyzacyjnych (rys3) realizować można również skuteczne oczyszczanie masy obiegowej z wszystkich zanieczyszczeń, które ozostają w masie mimo stosowania oddzielaczy elektro-magnetycznych oraz rzesiewaczy Dotyczy to drobnych zanieczyszczeń, których masowy udział w masie

4 obiegowej ocenia się na 15 25% (max 5%), w czym około 5% stanowią kawałki o masie do 15 kg, natomiast około 7% to kawałki o wielkości 1 6 mm [12] Zanieczyszczeniami niemetalowymi są kawałki ceramiczne różnego ochodzenia, n z egzotermicznych otulin, jak też grudki mas formierskich i rdzeniowych - szczególnie ze soiwem chemoutwardzalnym Rys 3 Przykładowy bilans strumieni masy i zanieczyszczeń w searatorze wibrofluidyzacyjnym [8] Fig3 Exemlary balance of moulding sand and imurities streams in vibrofluidised bed searator [8] 3 PARAMETRY CHŁODZENIA PODCIŚNIENIOWEGO W CHŁODZIARKACH TYPU MIESZARKOWEGO Obok znanych sosobów chłodzenia masy w urządzeniach autonomicznych coraz częściej roonuje się stosowanie rozwiązań zagregowanych obejmujących chłodzenie i mieszanie masy w jednym urządzeniu [1,3,7,9] Mieszarko-chłodziarka (rys 4) osiada obrotową misę oraz stacjonarne wirniki i zgarniacze W rzestrzeni roboczej wytwarzane jest odciśnienie, o wartości niższej od rężności ary wodnej (w danej temeraturze), skutkiem czego woda zaczyna intensywnie arować, a masa ulega ochłodzeniu na skutek straty cieła na odarowanie wody Intensywność chłodzenia może być kontrolowana rzez regulację szybkości obniżania ciśnienia Potwierdzeniem istotnego wływu wartości odciśnienia anującego w rzestrzeni roboczej mieszarki na efekt chłodzenia są wartości zmiany temeratury masy rzy dodaniu do niej gorącej wody (rys5)

5 Rys 4 Schemat mieszarko-chłodziarki z odciśnieniowym systemem chłodzenia firmy Eirich [1,1]: 1-dozownik wagowy masy obiegowej, 2-dozownik wagowy dodatków, 3- dozownik wody, 4-mieszarko-chłodziarka, 5-kondensator, 6-oma różniowa, 7- wymiennik cieła, 8-oma wody chłodzącej Fig4 The schematic of mixer-cooler according to Eirich vacuum cooling system [1,1]: 1-sand batches, 2-additives batches, 3-water roortioned, 4-vaccum um, 7-heat exchanger, 8- cooling water um Metoda odciśnieniowego chłodzenia ma jeszcze jedną korzystną cechę, a mianowicie umożliwia wykorzystanie do nawilżania masy wody, która odarowuje z masy w wyniku oddziaływania wytworzonego odciśnienia Odzyskiwana woda charakteryzuje się korzystniejszymi właściwościami w orównaniu z wodą wyjściową i nie zawiera soli Stwierdzono onadto, że warunki rowadzenia rocesu srzyjają otrzymywaniu masy formierskiej o wysokich właściwościach uzyskiwanych o ouszczeniu mieszarki, na skutek tzw sontanicznej aktywacji bentonitu [3] Na rysunku 6 rzedstawiono wływ czasu odstawania masy o mieszaniu na jej wytrzymałość dla dwu różnych sosobów chłodzenia masy Porównując wyosażenie linii zwrotu masy z chłodziarką i mieszarką wirnikową, rzystosowaną do chłodzenia odciśnieniowego wskazano [3,9,1] na oszczędności wynikające z uroszczenia systemu (rys7) Wynika to z ołączenia w urządzeniu mieszarkowym dwóch funkcji: chłodzenia i sorządzania masy oraz eliminacji niektórych urządzeń transortowych i dodatkowych zasobników oraz złożonych instalacji odylają-

6 temeratura, o C ciśnienie, bar cych Wyliczono, że możliwa jest redukcja o ok 5% systemu centralnego odylania, zmniejszenie o ok 2% objętości zasobników, a w efekcie zmniejszenie o ok 35% kosztów konstrukcji i fundamentów [3,9,1] czas chłodzenia, s Rys5 Zmiana temeratury masy odczas chłodzenia [3]: 1 -odciśnieniowego z dodatkiem wrzącej wody, 2 -klasycznego, wyarnego z dodatkiem zimnej wody Fig5 The sand temerature change during cooling by means [3]: 1-vaccum cooling system with boiling water addition, 2-tyical, evaorating with cold water addition Wytr zymałość masy R c w, N/m chłodzenie róźniowe chłodzenie owietrzem Czas odstania masy o mieszaniu t odst, min Rys6 Zależność wytrzymałości masy od sosobu chłodzenia i czasu odstawania o sorządzeniu masy w mieszarce [3] Fig6 Deendence of green sand strength with time of fresh sand deosition a) b) Rys7 Porównanie wyosażenia linii zwrotu masy [3]: a- układu klasycznego z chłodziarką, b -układu z mieszarko-chłodziarką Fig 7 The comarative study of returning sand equiment [3]: a- tyical sand system cooling, b- vacuum cooling system

7 3 PODSUMOWANIE W obecnym stanie systemów rzerobu masy najkorzystniejszym układem, gwarantującym stabilny rzebieg rocesu chłodzenia masy jest zestaw urządzeń homogenizator chłodziarka [2,5,13] Chłodziarki masy rozwiązywane są jako urządzenia tyu rzenośnikowego, najczęściej wibrofluidyzacyjne W wyniku fluidyzacji uzyskuje się rozwinięcie owierzchni wymiany cieła, a wibracja srzyja rzemieszczaniu masy wzdłuż dystrybutora owietrza Realizacja homogenizacji i chłodzenia masy formierskiej wymaga właściwego doboru arametrów rzeływu strumieni masy oraz chłodzącego owietrza Ułatwieniem w tym względzie są oracowane rogramy obliczeniowe Wyniki obliczeń mogą być wykorzystane do doboru arametrów konstrukcyjnych na etaie rojektowania nowych urządzeń, jak również stanowić bazę do oracowania algorytmów sterowania racą istniejących urządzeń Ostatnie, z wymienionych zagadnień, jest szczególnie ważne z uwagi na znaczne wahania arametrów masy, na wejściu do urządzeń rzeróbczych, wynikające ze secyfiki technologicznej wybijania form W urządzeniach wibrofluidyzacyjnych realizować można skuteczne oddzielanie zanieczyszczeń, zarówno metalowych jak i niemetalowych Wyosażenie linii zwrotu masy w chłodziarko-mieszarki, racujące w warunkach odciśnienia, daje możliwość intensyfikacji chłodzenia oraz uzyskanie dodatkowych efektów orawy właściwości masy, a także uroszczenie struktury obiegu masy LITERATURA [1] Brümmer E: Jahresübersicht Formstoffe Giesserei 86, nr 11, 1999, s8 [2] Dańko J, Fedoryszyn A, Smyksy K: Problematyka efektywnego wykorzystania obiegowych mas formierskich w odlewniach Materiały II Międzynarodowej Sesji Naukowej, Seria Metalurgia nr 19 Wydawnictwo Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 21, s 435 [3] Drews B: Gleichzeitiges Mischen und Kühlen von Formsand unter Vakuum Giesserei 86, nr 6, 1999, s 138 [4] Fedoryszyn A, Smyksy K, Gregoraszczuk M, Bast J: Problematyka badań wibrofluidyzacyjnych chłodziarek masy formierskiej Acta Metallurgica Slovaca, 5, 1999, s 93 [5] Fedoryszyn A, Dańko J, Smyksy K: Analiza wyosażenia linii rzygotowania masy używanej Materiały III Konferencji Odlewniczej TECHNICAL 2 Nowa Sól, 2, s 79 [6] Fedoryszyn A: Parametry racy chłodziarek wibrofluidyzacyjnych Acta Metallurgica Slovaca, nr 3, rocznik 7 Wydawnictwo Uniwersytetu Technicznego w Koszycach (Słowacja), Košice, 21, tom 1, s 128

8 [7] Grefhorst C, Kleimann W: Bentonitgebundene Formstoffe Stand der Technik und Erwartungen für die Zukunft Giesserei 86, nr 6, 1999, s145 [8] Gregoraszczuk M, Dańko J, Fedoryszyn A: Proces fluidyzacji w zastosowaniu do oddzielania zanieczyszczeń z masy formierskiej Krzenięcie Metali i Stoów PAN Wydawnictwo Komisji Odlewnictwa PAN O/Katowice, rocznik 1, nr 39 Katowice, Bielsko- Biała, Częstochowa, Oole, 1999, s [9] Hohl B: System of Comuter-assisted Quality Assurance in Molding Sand Prearation Plants Casting Plant + Technology, nr 1, 1994, s 8 [1] Krysiak MB: New Conditioning Practice Imroves Sand Performance Modern Casting, nr 2, 2, s 4 [11] Sztefko F, Dańko J: Podstawy bilansu cielnego wsółczesnych chłodziarek do obiegowych mas formierskich Przegląd Odlewnictwa, nr6, 1976, s 145 [12] Sztefko F: Analiza rocesów rzygotowania formierskiej masy używanej w asekcie ich mechanizacji Zeszyty Naukowe AGH, Metalurgia i Odlewnictwo, nr 139, Kraków, 1991 [13] Żurawski L, Dańko J: Aktualny stan oraz tendencje rozwojowe w zakresie konstrukcji urządzeń nawilżająco-homogenizujących Materiały VI Symozjum Naukowego z okazji Dnia Odlewnika IT i MO AGH Kraków, 198, s 55 [14] Prosekty firm: Bonvillain-Ronceray, Eirich, General Kinematics, Georg Fischer, SIMPSON Technologies, TECHNICAL, Webac THE DEVICES AND SYSTEMS FOR INTENSIVE OF MOULDING SAND COOLING SUMMARY In the article the devices and systems adoted for intensification of returned moulding sand cooling as well as the oerational factors were discussed Recorered sand rior to refreshing it in mixers has to be cooled roerly using secial equiment allowing the sand treatment combined with it moisturising and cooling own model introduced into comuter calculation of heat transfer and mass balances was also characterised Recenzował Prof Mirosław Gregoraszczuk