BADANIE WPŁYWU SPOSOBU MIESZANIA NA JAKOŚĆ SPORZĄDZANYCH MAS FORMIERSKICH

Transkrypt

1 mgr inż. PEZARSKI Franciszek - Instytut Odlewnictwa - Kraków mgr inż. SMOLUCHOWSKA Elżbieta - Instytut Odlewnictwa - Kraków mgr inż. IZDEBSKA- SZANDA Irena - Instytut Odlewnictwa - Kraków inż. NIZIOŁ Wiesław - TECHNICAL Nowa Sól BADANIE WPŁYWU SPOSOBU MIESZANIA NA JAKOŚĆ SPORZĄDZANYCH MAS FORMIERSKICH Streszczenie W artykule przedstawiono badania porównawcze sporządzania mas formierskich w różnego typu mieszarkach, w tym w mieszarce turbinowej. W dalszej części artykułu przedstawiono wyniki badań sporządzania mas z wykorzystaniem nowoczesnych mieszarek turbinowych w warunkach półprzemysłowych i przemysłowych. 1. Wprowadzenie Warunkiem wytworzenia dobrej masy formierskiej o powtarzalnych parametrach technologicznych jest właściwa obróbka masy zwrotnej, dokładne dozowanie składników masy, właściwe i intensywne ich wymieszanie, regulacja oraz kontrola wilgotności. Zasadniczą czynnością w procesie przeróbki mas jest ich mieszanie. Zastosowanie odpowiedniej mieszarki może pozwolić nie tylko na ujednolicenie składu masy i dokładne rozprowadzenie spoiwa na powierzchni ziarn, ale również na rozdrobnienie grudek masy do pojedynczych ziarn. Już w latach 80-tych w Instytucie Odlewnictwa rozpoczęto próby zwiększenia intensywności mieszania w istniejących i wykorzystywanych w warunkach przemysłowych mieszarkach. Pierwsze prace polegały na zmianie układu mieszającego w produkowanych i powszechnie stosowanych mieszarkach pobocznicowych. Próby prowadzone były przy

2 współudziale Dozamet-Nowa Sól. W wyniku tych prac opracowano mieszarkę pobocznicowołopatkową z łopatkowym układem mieszającym. Aktualnie najefektywniejszymi stosowanymi mieszarkami są mieszarki dynamiczne - turbinowe. Jednym z głównych producentów krajowych mieszarek turbinowych jest PPP Technical Sp. z o.o. w Nowej Soli. Produkowane przez Technical -Nowa Sól mieszarki turbinowe typ MTI z ruchomą misą służą do sporządzania mas w przemyśle odlewniczym. Mogą być również wykorzystywane w innych gałęziach przemysłu takich jak: szklarski, ceramiczny, materiałów ogniotrwałych, spożywczym, nawozów sztucznych itp. Mieszarki turbinowe przeciwbieżne z ruchomą misą dzięki dynamicznemu mieszaniu są bardzo efektywne. Obrót misy w połączeniu z pracą zgarniaczy, powodując szybkie zmiany trajektorii masy, kieruje ją pod zespół mieszający z szybkoobrotową turbiną, która wytwarza dużą turbulencję cząsteczek mieszanej masy, powodując jej ujednorodnienie i dobre spulchnienie. W przypadku ograniczonych możliwości finansowych odlewni możliwe jest również zastosowanie, w miejsce mieszarki turbinowej, opracowanej w Technical - Nowa Sól turbiny intensyfikującej mieszanie typu TIM, przewidzianej do mieszarek pobocznicowych typu MP-60 i MP-120. Zastosowanie turbiny zwiększa wydajność mieszarek pobocznicowych a jednocześnie zwiększa jednorodności i stopień spulchnienia masy. 2. Badania porównawcze sporządzania mas bentonitowych w różnego typu mieszarkach. W ramach aktualnie prowadzonych przez Instytut Odlewnictwa wspólnie z WZO-Łódź prac nad modernizacją linii sporządzania mas, przeprowadzono badania pozwalające na określenie wpływu sposobu mieszania na jakość sporządzanych z użyciem regeneratu mas formierskich, zagęszczanych pod niskimi, średnimi i wysokimi naciskami. W WZO-Łódź masy formierskie bentonitowe sporządza się w mieszarkach pobocznicowych Z uwagi na technologię wykonywania form zachodzi potrzeba zastosowania lepszego sposobu mieszania mas z zastosowaniem efektywniejszych mieszarek. W procesie mieszania mas bentonitowych wyróżnić można następujące operacje: przerzucanie, ugniatanie, rozcieranie i spulchnianie. Przerzucanie, poprzez wzajemne przemieszczanie składników wyjściowych, powoduje ujednorodnienie składu masy. W procesie

3 ugniatania na składniki masy wywierana jest siła z zewnątrz, powodująca przemieszczanie cząstek, którego nie można uzyskać pod wpływem samego ich ciężaru. Rozcieranie jest procesem, przy którym na skutek działania przeciwnie skierowanych równoległych sił zewnętrznych następuje wzajemne, warstwowe przesuwanie się cząstek sporządzanej masy. Proces spulchniania pozwala na uzyskanie możliwie najbardziej przestrzennego ułożenia masy. Efektem tego procesu jest wytworzenie możliwie dużych przestrzeni pomiędzy ziarnami. Do badań wytypowano cztery rodzaje mieszarek mas: * mieszarkę krążnikową (kołotokową), w której rozprowadzanie spoiwa bentonitowego na ziarnach zachodzi głównie poprzez rozcieranie i ugniatanie. Gorzej przebiega przerzucanie i spulchnianie masy. * mieszarkę wstęgową, w której spoiwo otacza ziarna piasku na skutek przerzucania i wzajemnego ocierania ziarn piasku. * mieszarkę pobocznicową, w której podobnie jak w kołotokowej masa jest głównie rozcierana i ugniatana. * mieszarkę turbinową, zapewniającą bardzo dobre spulchnienie i przerzucenie masy. Różnice sposobu mieszania wynikają ze zróżnicowanej konstrukcji mieszarek. Masy we wszystkich wytypowanych mieszarkach sporządzano w oparciu o stały skład masy, co pozwoliło na uwypuklenie różnic w sposobie mieszania mas. W warunkach laboratoryjnych badania prowadzono w trzech typach mieszarek: kołotokowej, wstęgowej i w modelu mieszarki turbinowej, wykonanym w Instytucie Odlewnictwa. Model mieszarki turbinowej składa się z misy i mieszadła napędzanego silnikiem o mocy 330 W i 700 obrotach na minutę. Głowica mieszająca porusza się ruchem obrotowym wokół osi pionowej i ruchem posuwistym (w górę i w dół). W warunkach przemysłowych masy sporządzano w mieszarce pobocznicowej i krążnikowej. Wyniki badań technologicznych mas wykonywanych w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych przedstawiono odpowiednio w tablicy 1 i tablicy 2.

4

5 Tablica nr 1 Właściwości technologiczne mas sporządzonych w warunkach laboratoryjnych z udziałem regeneratu w mieszarkach różnego typu Nr Rodzaj Czas W R c w R m w R m p P w S w L D G Z masy mieszarki mieszania % MPa MPa Pa j.p % % g/cm 3 % min 1 krążnikowa 2+6 4,12 0,146 0, ,28 88,8 0, wstęgowa 1+4 3,98 0,132 0, ,12 84,8 0, turbinowa 1+4 4,18 0,148 0, ,02 91,8 0,745 54

6 Tablica nr 2 Właściwości technologiczne mas sporządzonych w warunkach przemysłowych z udziałem regeneratu w mieszarkach różnego typu Nr Rodzaj Czas W, R c w P w S w G Z masy mieszarki mieszania, % MPa j.p % g/cm 3 % min 1 krążnikowa 2+4 3,45 0, ,9 0, pobocznicowa 2+2 3,55 0, ,5 0,94 36

7 Na podstawie przeprowadzonych badań w warunkach laboratoryjnych i zamieszczonych w tablicach wyników można stwierdzić, że : Mieszarki wstęgowe i skrzydełkowe są nieprzydatne do sporządzania mas bentonitowych, pomimo możliwości uzyskania dużych wydajności i krótkich czasów mieszania. Mieszarki tego typu pozwalają na dobre spulchnienie masy, ale nie zapewniają wystarczających właściwości wytrzymałościowych Mieszarka krążnikowa zapewnia wystarczające parametry technologiczne mas, ale jest mało wydajna, co przy dużej produkcji i mechanizacji procesu formowania zmniejsza jej przydatność. Masa sporządzona w tej mieszarce wymaga spulchnienia. Mieszarka turbinowa pozwala uzyskać masę o najlepszym stopniu spulchnienia i zadowalających parametrach wytrzymałościowych. Bardzo dobra przepuszczalność masy sporządzonej w mieszarce turbinowej, wysoka płynność i wytrzymałość w strefie przewilżonej przy wystarczających pozostałych parametrach i stosunkowo krótkim czasie mieszania potwierdzają przydatność tego typu mieszarek do wykonywania mas formierskich bentonitowych. Wykonywane w warunkach przemysłowych masy w obu typach mieszarek, tzn. pobocznicowej i krążnikowej, charakteryzują się zbliżonymi parametrami technologicznymi. Jednakże wydajność mieszarek pobocznicowych jest wyższa. Krótszy jest również czas mieszania porcji masy. 3. Badania skuteczności działania mieszarek turbinowych w wybranych odlewniach oraz Technical Nowa Sól. 3.1 Badania skuteczności mieszania masy w mieszarce z zamontowaną turbiną, w porównaniu do mieszarki z dotychczasowym układem mieszającym w odlewni w Śremie W styczniu 96 roku w odlewni w Śremie przeprowadzono próby porównawcze skuteczności mieszania w mieszarce pobocznicowej z dotychczasowym układem mieszającym i w mieszarce z zamontowaną turbiną intensyfikującą proces mieszania tyou TIM produkcji Technical - Nowa Sól. Masę sporządzano w obu mieszarkach równocześnie. Próbki do badań pobierano z obu mieszarek z dwóch następujących po sobie cykli mieszania na początku, w środku i pod koniec rozładunku masy z mieszarki. Badano rozrzut wyników z każdej mieszarki oraz porównywano wyniki pomiędzy mieszarkami.

8 Przyjęty sposób badania zmniejszył wpływ zmiennej jakości masy obiegowej na wyniki badań (choć go całkiem nie wyeliminował- seria 5 badań - masa o różnej wilgotności w każdej z mieszarek). Wyniki badań masy sporządzanej w obu mieszarkach wskazują, że jednorodność masy w obu przypadkach nie jest w pełni zadowalająca. Rozrzut wilgotności mas z obu mieszarek wynosił 0,25%. Podobnie obserwowano rozrzut w wynikach pozostałych badań. Porównując wyniki badań technologicznych z każdej serii mas, można stwierdzić, że wytrzymałość masy na ściskanie i rozrywanie oraz przepuszczalność są wyższe w przypadku zastosowania mieszarki z zamontowaną turbiną intensyfikującą proces mieszania tyou TIM. Widać to wyraźnie na zamieszczonych wykresach - rysunki 1 do 3.

9 I tak: średnia wytrzymałość na ściskanie masy z mieszarki z turbiną wynosi 0,193 MPa, a z mieszarki bez turbiny 0,186 MPa. Podobnie średnia wytrzymałość na rozrywanie wynosi odpowiednio: 0,0219 MPa i 0,0209 MPa, a przepuszczalność: 145,6 i 136,4 j.p. Wpływu na pozostałe parametry masy, z powodu większych rozbieżności wyników nie brano pod uwagę. Podsumowując przeprowadzone badania, można stwierdzić, że zamontowanie turbiny w mieszarce spowodowało wzrost parametrów technologicznych sporządzanej masy: w przypadku wytrzymałości na ściskanie średnio o 3,5%, wytrzymałości na rozrywanie średnio o 4,4%, a przepuszczalności średnio o 6,7%. W trakcie prób zauważono mniejszą ilość zbrylonej masy (lepsze spulchnienie) wychodzącej z mieszarki z zamontowaną turbiną Próby mieszania mas bentonitowych w mieszarce typ MTI z różnymi turbinami - próby u wykonawcy W ramach prowadzonych prac badawczych nad optymalizacją konstrukcji układów wirnikowych mieszarki typu MTI/E-250 w firmie TECHNICAL - Nowa Sól przeprowadzono szereg prób sporządzania różnego rodzaju mieszanek. M. in. przeprowadzono próby wykonywania sypkich mas cementowych, mas na szkle wodnym z przeznaczeniem na otuliny elektrod spawalniczych, mieszanek piasku magnezytowego z celulozą etc. Ponieważ mieszarka typu MTI/E-250 jest odmiennej konstrukcji od typoszeregu proponowanych przez TECHNICAL mieszarek turbinowych przeprowadzono również próby sporządzania klasycznych mas bentonitowych, porównawczo, przy użyciu turbiny palcowej oraz łopatkowej. Skład masy przedstawiał się następująco: piasek suchy kg, bentonit S - 22,5 kg, woda - 9 kg Pobierano próbki do badań wilgotności, wytrzymałości na ściskanie w stanie wilgotnym i przepuszczalności w stanie wilgotnym. Badania prowadzono dla masy wykonywanej w mieszarce z turbiną łopatkową i z turbiną palcową, przy różnych czasach mieszania Wyniki badań technologicznych zamieszczono w tablicy 3.

10

11 Tablica nr 3 Właściwości technologiczne mas bentonitowych sporządzonych w warunkach Technical Nowa Sól z zastosowaniem różnego rodzaju turbin. Rodzaj Czas mieszania, zastosowanej (po dodaniu W, turbiny wody), s % R c w MPa łopatkowa 60 4,1 0,075 0,070 0,076 palcowa 60 3,5 0,084 0,091 0,088 łopatkowa 90 4,4 0,079 0,074 palcowa 90 3,0 0,084 0,081 0,083 łopatkowa 120 4,1 0,085 0,070 palcowa 120 3,7 0,094 0,093 0,099 łopatkowa 150 4,1 0,074 0,076 palcowa 150 3,5 0,102 0,099 łopatkowa 180 4,1 0,085 0,080 palcowa 180 3,0 0,094 0,110 0,099 P w j.p

12 Analizując wyniki przeprowadzonych badań można zauważyć, że przy tym samym składzie masy i czasach mieszania rozrzut wilgotności uzyskiwanych mas jest niższy przy zastosowaniu turbiny łopatkowej, a właściwości wytrzymałościowe są wyższe o około 15% w przypadku turbiny palcowej. Przepuszczalność mas w stanie wilgotnym jest zbliżona przy zastosowaniu obu turbin. Stopień spulchnienia, wyrażony gęstością masy po mieszaniu, w przypadku turbiny łopatkowej wynosił 0,85-0,95kg/dm 3, natomiast dla turbiny palcowej 1,0-1,1 kg/dm 3 Jednorodność wykonywanych mas była zadowalająca przy zastosowaniu obu rodzajów turbiny Próby mieszania mas cementowych w mieszarce typ MTI z różnymi turbinami - dla ABB Zamech Elbląg. W związku z planowaną modernizacją stacji przygotowania mas formierskich w odlewni ABB Zamech Elbląg niezbędne było sprawdzenie przydatności mieszarek turbinowych do sporządzania mas cementowych. Pierwszą serię próbną sporządzania mas cementowych wykonano w lutym 97 w Technical Nowa Sól z wykorzystaniem mieszarki MTI-250. Próby prowadzono z masą o składzie: piasek Krzeszówek cz. wag., cement cz. wag., woda - do wilgotności ~ 6,0%. Próbki do badań pobierano po 2 i 3 minutach mieszania od momentu dodania wody do mieszarki i badano na rozrywanie po 48 h. Badania prowadzono dla masy wykonywanej w mieszarce z turbiną łopatkową i z turbiną trzpieniową. Dla porównania w laboratorium ABB wykonywano masę o składzie o tych samych proporcjach i badano po czasie mieszania 2 i 6 min (od momentu dodania wody). Wyniki badań przeprowadzonych w Technical - Nowa Sól i ABB Zamech - Elbląg zamieszczono w tablicy 4.

13 Tablica nr 4 Właściwości technologiczne mas cementowych sporządzanych w Technical Nowa Sól dla ABB Zamech Elbląg z zastosowaniem różnego rodzaju turbin i mieszarki krążnikowej. Rodzaj zastosowanej mieszarki łopatkowym łopatkowym krążnikowa laboratoryjna krążnikowa laboratoryjna Czas mieszania, W, (po dodaniu % wody), min R m 48 MPa 2 5,75 0,15 3 5,75 0,24 2 5,8 0,22 3 5,8 0,22 3 5,7 0,23 5 5,7 0,30

14 Porównując jakość uzyskiwanej masy z mieszarki MTI z różnymi turbinami można zauważyć, że wyższą efektywność mieszania uzyskuje się przy zastosowaniu wirnika palcowego. Mimo wysokiej intensywności mieszania (600 obr./min.) przy zastosowaniu wirnika łopatkowego, dopiero wydłużenie czasu mieszania powoduje uzyskanie masy o wyższej wytrzymałości. Ponieważ uzyskiwane w warunkach laboratoryjnych ABB Zamech wyniki są wyższe od uzyskanych podczas próby w Technical Nowa Sól, w marcu 97 roku przeprowadzono próby uzupełniające sporządzania mas cementowych w tej samej mieszarce ale już tylko z zastosowaniem wirnika palcowego, o wyższej efektywności mieszania. Modyfikacji poddano sposób mieszania - zastosowano dwojaki kierunek obrotów wirnika: współbieżny z obrotami misy (opcja) i przeciwbieżny z obrotami misy (standard). Próby prowadzono dla masy o składzie: piasek kwarcowy cz. wag., cement cz. wag., woda - do wilgotności ~ 6,5%. Próbki do badań, za względu na warunki sporządzano na wstrząsarce, pomimo że ten sposób zagęszczania nie jest wystarczająco efektywny w przypadku mas cementowych. Uzyskane wyniki badań zamieszczono w tablicy 5.

15 Tablica nr 5 Właściwości technologiczne mas cementowych sporządzanych w Technical Nowa Sól dla ABB Zamech z zastosowaniem turbiny palcowej (o różnym kierunku obrotów) i mieszarki krążnikowej. Rodzaj zastosowanej mieszarki krążnikowa laboratoryjna Kierunek obrotu turbiny Czas mieszania, (po dodaniu wody), min W, R 48 c, % MPa R m 48 MPa współbieżne 1 6,5 0,63 0,22 współbieżne 2 6,5 0,76 0,23 współbieżne 3 6,5 0,77 0,28 współbieżne 4 6,5 0,85 - przeciwbieżne 1 6,3-0,21 przeciwbieżne 2 6,3-0,27 przeciwbieżne 3 6,3-0,28 przeciwbieżne 4 6,3-0,29-5 6,3 0,85 0,26

16 Z zachowaniem tych samych warunków sporządzania próbek przeprowadzono w ABB Zamech własne badania porównawcze w laboratoryjnej mieszarce krążnikowej. Wyniki tych badań zamieszczono również w tablicy 5. Uzyskane podczas drugiej próby wyniki badań wskazują, że zastosowanie mieszarki turbinowej z wirnikiem pozwala na uzyskanie przy czasie mieszania 2 do 3 minut masy cementowej o zadowalających właściwościach wytrzymałościowych. 4. Podsumowanie Opierając się na wynikach badań prowadzonych w laboratorium i w przemyśle oraz w oparciu o charakterystyki techniczne i zasadę działania produkowanych w kraju i za granicą mieszarek, można przyjąć, że najlepsze parametry masy formierskiej uzyskamy przy zastosowaniu mieszarki turbinowej (dynamicznej). Ważną zaletą tych mieszarek, poza intensywnością mieszania (wyższą niż mogliśmy uzyskać w warunkach laboratoryjnych), jest ich wysoka wydajność przy krótkim (i z możliwością płynnej regulacji) czasie mieszania porcji masy. Ma to duże znaczenie gdy produkcja jest duża, a linie technologiczne zautomatyzowane. Ważnym czynnikiem jest również eliminacja dodatkowego spulchniania masy (w masach sporządzanych w laboratorium tylko po mieszarce turbinowej nie trzeba było dodatkowo przesiewać - spulchniać - masy). Przeprowadzone w kilku zakładach badania potwierdzają skuteczność i efektywność mieszarek turbinowych zarówno do wykonywania klasycznych, bentonitowych mas formierskich, jak i do sporządzania mas cementowych.