W OCZYSZCZARKACH WIRNIKOWYCH

Tadeusz PIOSIK 1 P.P.P. TECHNICAL Sp. z o.o., Nowa Sól Piotr ZYZAK 2 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1. Streszczenie. W artykule omówiono właciwoci rutu uywanego w oczyszczarkach wirnikowych. Przedstawiono charakterystyki ziarnowe rutu oraz podano zalecenia dotyczce doboru wielkoci ziaren. Omówiono metod oceny trwałoci rutu. Przedstawiono wyniki analizy granulometrycznej rutu stosowanego do oczyszczania powierzchni odlewów z rónych tworzyw. 2. Wstp. Podstawow metod oczyszczania i przygotowania powierzchni jest obróbka strumieniowocierna [1 3]. Do prowadzenia tej obróbki s stosowane głównie oczyszczarki wirnikowe miotajce, odpowiednio dobrany, rut. Zagadnienie jakoci i właciwego doboru rutu ma istotne znaczenie ze wzgldu na korelacj uzyskiwanych efektów jakoci powierzchni wyrobów z zuyciem rutu z kosztami oczyszczania odlewów. 3. Charakterystyka stosowanego rutu, zasady doboru. W odlewnictwie stopów elaza podstawowym cierniwem jest rut metalowy. Wymagania techniczne dotyczce metalowych cierniw stosowanych w obróbce strumieniowociernej okrela Polska Norma PNEN ISO 111241. Powszechnie stosowane cierniwa okrelone wyej podan norm zawiera tablica 1: Tablica 1. Powszechnie stosowane cierniwa w obróbce strumieniowociernej [12]. Typ Skrót Wyjciowy kształt ziarna eliwo utwardzone M/CI G (ostroktny ktowy, nieregularny) Staliwo wysokowglowe M/HCS S lub G (kulisty lub ostroktny ktowy nieregularny) Staliwo niskowglowe M/LCS S (kulisty) rut city z drutu M/CW C (cylindryczny ostrokrawdziowy) 1 in. Vce Prezes TECHNICAL, t.piosik@technical.com.pl 2 mgr in.; pzyzak@agh.edu.pl 53

Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Zgodnie z norm oznaczenie cierniwa powinno zawiera informacje okrelajce jego podstawowe parametry. Dla przykładu, oznaczenie: cierniwo PNISO11124M/HCS/G140710HV oznacza cierniwo metalowe, z wysokowglowego staliwa odpowiadajce wymaganiom odpowiedniego arkusza ISO11124 o wyjciowym ostroktnym kształcie ziarna, granulacji nominalnej ziaren ciernych 1,40 mm i twardoci w zakresie od 570 HV do 710 HV. Szczegółowe wymagania dotyczce poszczególnych rodzajów podanych cierniw zawieraj odpowiednie arkusze PNEN ISO 11124. Okrelaj one midzy innymi: minimaln twardo ziaren, rodzaje wad i ich dopuszczalny udział, wymagan struktur ziaren, skład chemiczny. Charakterystyk stosowanych rutów zamieszczono w tablicy 2. Podana w tablicy 2 trwało jest wartoci zmienn i uzaleniona jest głównie od granulacji wyjciowej rutu, oraz od zakresu separacji. Dokonujc doboru gatunku, rodzaju i granulacji rutu, naley bra pod uwag nastpujce czynniki: rodzaj i kształt przedmiotu, w tym jego podatno na deformacj, rodzaj i wielko zanieczyszczenia przedmiotu, wymagany stopie czystoci powierzchni po oczyszczeniu, wymagan chropowato powierzchni po oczyszczeniu, wymagany profil chropowatoci, wymagan wydajno oczyszczania, wpływ uytego rutu na koszty oczyszczania. Doboru rodzaju i granulacji rutu dokonuje si najczciej na zasadzie kompromisu, na przykład dokonujc wyboru pomidzy energi rutu i zwizan z ni wydajnoci, a chropowatoci powierzchni. Dla uzyskania dobrego efektu oczyszczania istotnym jest, aby rut bdcy w obiegu oczyszczarki tworzył odpowiedni mieszanin rónych granulacji (rys. 5). W mieszaninie zadaniem rutu o duej granulacji jest zgrubne oczyszczenie powierzchni i usunicie nadmiaru masy. rut o granulacji redniej i małej ma za zadanie dokładne oczyszczenie powierzchni, a w szczególnoci wgłbie w powierzchni przedmiotów. Std te przy pierwszym napełnieniu oczyszczarki naley wsypa rut w nastpujcej proporcji: 60% rutu o przyjtej najwikszej granulacji, 20% rutu o granulacji niszej o jeden stopie i 10% rutu o granulacji niszej o kolejny stopie. Przy pierwszym uzupełnianiu rutu w obiegu oczyszczarki zaleca si poda mieszank w nastpujcej proporcji: 70% rutu o najwikszej przyjtej granulacji i 30% rutu o granulacji niszej o jeden stopie. W trakcie dalszej eksploatacji odpowiednia mieszanina powstaje w sposób samoczynny i dalsze uzupełnienia powinny polega na podawaniu do obiegu oczyszczarki rutu o najwikszej przyjtej granulacji. 54 Nowa Sól 0809.06.2006 r.

Tablica 2. Charakterystyka najczciej stosowanych rutów w oczyszczarkach wirnikowych i komorowych pneumatycznych [12]. PRZECITNA TRWAŁO RODZAJ KSZTAŁT SKŁAD MIKROSTRUKTURA TWARDO (liczba RUTU ZIAREN CHEMICZNY (HRC) obiegów) eliwny łamany utwardzony Niskowglowy Wysokowglowy Wysokowglowy City z drutu ze stali wglowej lub nierdzewnej Nierdzewny Do kulowania ostroktny kulisty kulisty ostroktny cylindryczny kulisty kulisty C 2,7 3,0% Si 1,0 2,2% Mn 0.30 1,0% P 0,16 0,60% S 0,07 0,17% C 0,08 0,20% Si 0,1 2,0% Mn 0.35 1,5% P do 0,05% S do 0,05% C 0,8 1,2% Si max 0,05% Mn 0.35 1,2% P 0 max 0,05% S min. 0,4% C 0,8 1,2% Si max 0,05% Mn 0.35 1,2% P 0 max 0,05% S min. 0,4% Odpowiednio do wymaganej twardoci i zastosowania C 0,20 Cr 18,0 Ni 8,0 Si 2,0 Mn 1,0 C 0,8 1,2% Si max 0,05% Mn 0.35 1,2% P 0 max 0,05% S min. 0,4% Cementyt z osnow martenzytyczn 61 64 150 550 Bainit bd martenzyt 42 54 1700 2200 Drobny martenzyt i bainit 48 52 1800 2200 Drobny martenzyt max 64 1700 1900 Odpowiednio do wymaganej twardoci i zastosowania Austenit bez obecnoci niklu Martenzyt / Ferryt Normalny martenzyt odpuszczony Specjalny martenzyt max 62 do 2500 w zalenoci od składu chemicznego stali i obróbki cieplej max 52 1700 2000 normalny 45 50 specjalny 55 62 1200 1400 55

Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze Oferowany rut charakteryzuje si granulacj [7]: rut, odlewany kulisty d 90 = 0,3; 0,5; 0,6; 0,71; 0,85; 1; 1,18; 1,4; 1,7; 2; 2,36; 2,83 mm, rut, odlewany łamany d 80 = 0,33; 0,71; 0,85; 1,0; 1,18; 1,4 mm, rut eliwny, odlewany kulisty d i = 0,5 1,0; 1,0 1,5; 1,5 2,0; 1,6 2,5; 2,0 2,5; 2,0 2,8; mm, rut eliwny odlewany łamany d i = 0,1 0,4; 0,4 0,8; 0,8 1,2; 1,0 1,2; 1,0 1,4; 1,2 1,6; 1,6 2,0 mm. Problematyk rozrzutu czstek rutu w swojej pracy [10] zajmował si Aksjonow. Jak wynika z przedstawionego rysunku 1 rozrzut rzeczywisty jest znacznie wikszy od rozrzutu obliczonego teoretycznie. Mona przypuszcza, e jedn z przyczyn tego jest odbijanie si od powierzchni roboczych łopatek rutu padajcego na nie pod duymi ktami. Czsteczki rutu, które odbiły si od łopatki, przemieszczaj si skokowo wzdłu niej i dochodz do wylotu oczyszczarki majc inne parametry w porównaniu z rozpatrywanym lizganiem si ich wzdłu łopatki. Najwaniejsz przyczyn zwikszenia si rozrzutu jest prawdopodobnie wzajemne zderzanie si czstek rutu, przemieszczajcych si wzdłu łopatki, do punktów zetknicia si z czstkami rutu przemieszczajcymi si po odbiciu si od niej w kierunku przeciwnym. Podczas tych wzajemnych zderze czstek rutu ich prdkoci oraz kierunek ruchu znacznie si zmieniaj, wskutek czego strumie rutu rozprasza si i zwiksza si jego rozrzut. Rozpraszaniu rutu sprzyjaj nierówno i chropowato powierzchni łopatki wskutek zuycia oraz nieprawidłowy kształt ziaren rutu. Rys.1. Ciar rozrzutu rutu (w % całkowitej iloci wyrzucanego rutu). Koło rzutowe o rednicy 500 mm, 8 promieniowych łopatek, łopatki robocze cofnite o 15 wzgldem łopatek wirnika, ilo doprowadzanego rutu 90 kg/min [10] 4. Ilo i zuycie rutu. W aktualnie eksploatowanych oczyszczarkach s instalowane wirniki napdzane silnikami o mocy 3 110 kw i wydajnoci 40 1300 kg rutu/min. Wartoci rednie wydajnoci zestawiono na rysunku 4. Dane te dotycz rutu staliwnego, kulistego o ziarnistoci rzeczywistej d 90 = 0,6mm i 0,71 mm i twardoci 46 51 HRC [8]. 56 Nowa Sól 0809.06.2006 r.

700 600 Wydajno wirnika W, kg/min 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Moc silnika P, kw Rys.2. Wydajno wirnika rzutowego w zalenoci od mocy silnika napdzajcego [11] Parametry strumienia rutu, miotanego przez wirnik rzutowy zale m. in. od iloci podawanego rutu na łopatki, prdkoci wylotowej rutu, rednicy koła rzutowego, szerokoci łopatek rzutowych, wielkoci okna w tulei regulacyjnej. Przede wszystkim jednak zaley od rodzaju i granulacji rutu. Obieg rutu w oczyszczarce [9] przedstawiono na rysunku 3. Rys.3. Obieg rutu w oczyszczarce:1wirnik rzutowy, 2komora robocza, 3podajnik kubełkowy, 4separator rutu, 5wyłapywanie z powietrza dobrych ziaren rutu (z ang. abrasive trap), 6zespół filtrów, 7odprowadzenie z poz.5 do pojemnika Duy wpływ na jako powierzchni odlewów, maj właciwoci rutu, który ponownie trafia do obiegu z separatora zanieczyszcze. Obok wirników rzutowych separatory rutu s zespołami decydujcymi o wydajnoci i jakoci oczyszczania, a take w znaczcym stopniu o strukturze oczyszczanych powierzchni [8]. Sprawno separacji decyduje te o trwałoci elementów oczyszczarki, głównie czci roboczych wirnika rzutowego Ogólnie stosowane s trzy rodzaje separatorów rutu: separator powietrzny jednostopniowy, separator powietrzny dwustopniowy, separator magnetycznopowietrzny. Stosowane s one odpowiednio do wielkoci oczyszczarki i jej przeznaczenia. Na rysunku 4 przedstawiono schematy stosowanych w oczyszczarkach separatorów zanieczyszcze [9]. 57

Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze a) b) c) Rys.4. Schemat pracy separatorów zanieczyszcze: a)separator rutu powietrzny jednostopniowy, b)separator rutu powietrzny dwustopniowy, c)separator magnetycznopowietrzny[8] Separatory przedstawione na rysunku 4 składaj si z nastpujcych elementów. Separator rysunek a): 1 sito, 2kurtyna powietrzna, 3zbiornik rutu, 4zbiornik zanieczyszcze, 5ssawa. Separator rysunek b): 1sito, 2 limak, 3przesłona spitrzajca, 4zbiornik czystego rutu, 5zbiornik warstwy poredniej, 6 zbiornik zanieczyszcze, 7 ssawa. Separator rysunek c): 1bben przesiewajcy, 2limak, 3regulowana przysłona, 4bben magnetyczny, 5przenonik rubowy, 6klapa spitrzajca, 7kurtyna powietrzna, 8zbiornik, 9zbiornik zanieczyszcze, 10ssawa, 11bben magnetyczny, 12zbiornik na rut do ponownej separacji, 13 zbiornik zanieczyszcze. Rys.5. Wpływ granulacji rutu na jako obróbki strumieniowociernej[9] Poziom zuycia rutu w zalenoci od zakresu separacji, uziarnienia rutu i mocy napdu wirnika rzutowego przedstawia si nastpujco: 58 Nowa Sól 0809.06.2006 r.

Tablica 3. Poziom zuycia rutu w zalenoci od zakresu separacji, uziarnienia rutu i mocy napdu wirnika Nomi nalne Mieszanka Uziarnienie rednie Drobne Zakres separacji Poziom zuycia Zuycie w kg/wirnikogodzin przy max. obcieniu silników wirnika (wielko prdu = pełnej mocy przy 380V), dla silników o rónej mocy znamionowej w kw 7 kw 11 kw 15 kw 18 kw 22 kw 37 kw [%] [%] [%] [mm] 14A 21A 28A 35A 42 A 70A 70 20 25 ~5 0,4 0,6 3,0 4,0 4,5 5,5 5,0 6,0 8,0 10,0 60 25 30 ~5 0,4 0,6 3,0 4,0 4,5 5,5 5,0 6,0 8,0 10,0 70 20 25 ~5 0,5 0,8 4,0 5,0 5,0 6,0 6,0 7,0 8,0 10,0 60 25 35 ~5 0,5 0,6 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0 6,0 6,0 7,0 8,0 10,0 55 0,3 0,5 2,0 2,5 3,5 4,5 4,5 5,5 50 35 10 15 0,3 0,4 1,5 2,0 3,0 4,0 4,0 5,0 55 35 0,3 0,5 2,0 2,5 3,0 4,0 3,5 4,5 60 35 10 15 0,2 0,3 1,5 2,0 50 35 10 15 0,2 0,4 2,0 3,5 2,5 4,0 60 25 35 ~5 0,5 0,6 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0 6,0 6,0 7,0 8,0 10,0 55 0,2 0,5 3,0 4,0 3,5 4,5 55 10 0,2 0,3 1,0 2,0 45 55 55 50 50 50 45 45 50 50 65 65 35 45 35 45 35 45 25 35 20 30 ~5 0,16 0,20 0,20 0,30 0,20 30 0,16 0,20 0,10 0,16 0,16 0,20 0,10 0,16 0,10 0,16 0,2 0,3 0,2 0,3 0,3 0,5 0,2 0,4 1,0 2,0 1,0 2,5 1,0 2,0 1,0 1,5 1,0 1,5 1,0 1,5 1,0 1,5 1,0 1,5 1,5 2,0 1,5 2,0 1,5 2,0 1,5 2,0 1,5 2,0 2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 3,0 4,0 3,0 4,0 3,0 4,0 2,5 3,0 2,5 3,0 3,0 4,0 3,0 4,0 3,5 4,5 5,0 7,0 5,0 7,0 4,0 6,0 3,0 5,0 3,0 5,0 5,0 7,0 5,0 7,0 Wirniki oczyszczarek maj okrelon wydajno wyraon w masie rutu wyrzucanego z wirnika w jednostce czasu. Jeli ma si do czynienia ze stosunkowo mało zanieczyszczonymi powierzchniami odlewów wówczas energia kinetyczna pojedynczego ziarna nie ma takiego znaczenia, natomiast istotniejszym czynnikiem przyspieszajcym proces oczyszczania jest liczba uderze rutu w jednostce czasu. Ten ostatni czynnik jest zwizany bezporednio z ziarnistoci rutu. Przy stałej masowej wydajnoci wirnika liczba uderze rutu w jednostce czasu ronie ze zmniejszajc si rednic ziaren. Przy doborze naley równie uwzgldni fakt, e: rut o dobrych własnociach skrawajcych decydujcych o duej wydajnoci i skutecznoci oczyszczania, jest jednoczenie bardzo agresywny w stosunku do czci roboczych oczyszczarki szczególnie do elementów zespołów rzutowych, rut o dobrych własnociach skrawajcych posiada mniejsz trwało, wyraon iloci przej przez wirnik rzutowy oczyszczarki, kształt ziarna rutu decyduje o profilu chropowatoci oczyszczonej powierzchni: rut kulisty powoduje powstawanie czasz, natomiast rut łamany tworzy powierzchni o ostrych zbach czsto podcitych [1 3, 5,6]. 59

Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze 5. Badania właciwoci rutu. Zakres bada obejmuje: trwało, wielko i kształt ziaren, twardo i gsto właciw [2, 4, 5, 8]. Jedn z podstawowych cech eksploatacyjnych jest trwało rutu. Wska nik trwałoci rutu okrela ilo przej rutu przez wirnik dowiadczalnej oczyszczarki a do osignicia okrelonej kocowej frakcji ziarna. Badany rut wyrzucany z wirnika oczyszczarki uderza o płyt wykonan zwykle z hartowanej stali i wraca do ponownego obiegu. Wska nik trwałoci rutu bywa zwykle okrelany jako ilo przej rutu przez wirnik do momentu, w którym ziarnisto rzeczywist ma 50% badanej iloci rutu. Badania ziarnistoci sprowadzaj si do okrelenia wymiarów i zawartoci frakcji na drodze analizy sitowej. Wyznacza si ziarnisto rzeczywist, okrelon jako wymiar oczka sita, na którym pozostaje minimum 80, 85% lub 90% badanej próbki rutu. Badanie ziarnistoci przeprowadza si zwykle na próbce o masie min. 100 g, przy czasie przesiewania wynoszcym 5 minut. Badania twardoci prowadzi si najczciej metod Vickersa, a niekiedy Rockwella lub Knoppa. Badanie gstoci rutu odlewanego ma na celu okrelenie udziału tzw. pustych ziaren. Gsto właciw ziarn rutu mona okreli przez waenie i pomiar objtoci ziaren przez wyparcie cieczy np. alkoholu metylowego. Badanie struktury przeprowadza si normalnymi metodami metalograficznymi, inkludujc ziarna rutu w ywicy. Efekty rutowania ocenia si na podstawie oceny powierzchni oczyszczanych wyrobów, ubytkiem masy czyszczonych próbek oraz na podstawie próby Almena. Próba ta polega na poddawaniu działaniu rutu znormalizowanych pasków blachy. Pod wpływem uderze rutu pasek blachy ulega odkształceniu. Wysoko ugicia blachy jest miar efektu rutowania. 6. Analiza zmian składu ziarnowego. W ramach własnych prac, dotyczcych procesu oczyszczania, przeprowadzono analiz granulometryczn czyciwa (rutu) uywanego przy oczyszczaniu odlewów i blach stalowych przy uyciu oczyszczarek wirnikowych (tablica 4). Tablica 4. Dane dotyczce warunków prowadzonych bada [11] Oznaczenie próby Tworzywo wyrobu Technologia wykonania odlewów Rodzaj oczyszczarki Liczba wirników Ilo wyrzucanego rutu Rodzaj rutu Ziarnisto rzeczywista rutu rutu Gsto właciwa rutu Metoda oczyszczania rutu i, szt W, kg/min d 90, mm ρ r, kg/m 3 1 stal formy z masy syntetycznej z bentonitem OWS1000 2 300 kulisty 1,18 7900 klasyfikacja pneumatyczna 2 staliwo 3 staliwo formy z masy syntetycznej z bentonitem formy OWT400A 1 150 ceramicznewytapiane modele OWH1.0 1.5 2 300 eliwny kulisty >2 7750 kulisty 0,71 7800 przesiewanie, klasyfikacja pneumatyczna przesiewanie, klasyfikacja pneumatyczna Wyniki analizy ziarnowej rutu uywanego przy oczyszczaniu zamieszczono na rysunkach 6 i 7. 60 Nowa Sól 0809.06.2006 r.

Rys.6. Zmiana składu ziarnowego rutu uywanego; po próbach 1,2,3 (tablica 4);1,2,3 wyjciowy skład ziarnowy rutu [11] 1,000 0,900 3'' Funkcja składu ziarnowego 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 2'' 1'' 1" d 50 =0,09 mm 2" d 50 =0,4 mm 3" d 50 =0,056 mm 0,100 0,000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Wielko ziaren d i, mm Rys.7. Skład ziarnowy materiału z separatorów rutu stosowanych w oczyszczarkach; 1,2,3oznaczenia warunków prób (tablica 4) [11] 7. Podsumowanie. Badania zmian składu ziarnowego rutu by moe pozwol na powizanie efektu z wykonan prac z hipotezami. Wybór rutu do oczyszczania powierzchni odlewów jest istotnym zagadnieniem. Poza decyzj co do rodzaju i gatunku rutu wymagana jest znajomoci jego cech eksploatacyjnych. Ekonomika procesu oczyszczania wymaga, aby stosowa rut charakteryzujcy si jak najwysz trwałoci. Trwało jest podstawow cech eksploatacyjn. Przedstawione orientacyjne wartoci trwałoci stosowanych odmian rutu oraz zakresy właciwoci pozwalaj na ocen efektywnoci procesu. Analiza zmian składu granulometrycznego rutu stosowanego w rónych warunkach pozwoli, po kompleksowym opracowaniu, na ocen trwałoci w warunkach przemysłowych. Trwało w tych warunkach zaley nie tylko od parametrów strumienia 61

Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze rutu, tworzywa rutu i odlewów, właciwoci rutu itp. ale równie od stopnia jego oczyszczenia w separatorach oczyszczarek. 8. Literatura. 1. Piosik T.: Wybrane zagadnienia obróbki strumieniowociernej powierzchni. 2. Piosik T.; Zyzak P.: Wybrane zagadnienia obróbki strumieniowo ciernej. VII Konferencja Odlewnicza TECHNICAL 2004 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urzdzenia odlewnicze. Biuletyn Konferencyjny. Nowa Sól 03.06 04.06 2004 r., s.23 3. Piosik T.: Wirnikowe oczyszczarki strumieniowo cierne. Materiały Sympozjum Metody i rodki do strumieniowociernego przygotowania podłoy metali pod powłoki ochronne. Instytut Mechaniki Precyzyjnej. Hajnówka, 2001, s. 89. 4. Katalogi i prospekty producentów maszyn i urzdze odlewniczych: TECHNICAL, Georg Fischer Disa, Tilghman Wheelabrator, Wheelabrator Allevard oraz producentów rutu. 5. Łempicki J., Paradysz J.: Oczyszczanie i wykaczanie odlewów eliwnych i stalowych. WNT. Warszawa, 1979. 6. Praca zbiorowa.: Poradnik Inyniera Odlewnictwo. Wydawnictwa Naukowo Techniczne. Warszawa, 7. www.ipd.com.pl 8. Piosik T.: Wirnikowe oczyszczarki strumieniowo cierne. Biuletyn Konferencji TECHNICAL 02. Nowa Sól, 2002, s.62 9. www.bestofblasting.com 10. Aksjonow P.N.: Wybrane zagadnienia z teorii maszyn odlewniczych. Wydawnictwo lsk. Katowice 1965 11. Zyzak P.: Cechy uytkowe rutu stosowanego w oczyszczarkach wirnikowych. W druku. 12. PNEN ISO 111241 62 Nowa Sól 0809.06.2006 r.