153/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocnik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 MODEL PROCESU REGENERACJI MECHANICZNEJ SUCHEJ OPRACOWANY W OPARCIU O DANE Z ANALIZY GRANU- LOMETRYCZNEJ R. DAŃKO 1 Wydiał Odlewnictwa AGH, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W artykule predstawiono model teoretycny procesu regeneracji mechanicnej suchej użytych mas formierskich oparty na hipoteie deterministycnej procesu krusenia materiału podanej pre Rittingera i wykorystaniem danych analiy sitowej. Podobieństwo fiycne procesu uwalniania iaren osnowy otocki materiału wiążącego do procesów krusenia ora seroko stosowana w odlewnictwie analia sitowa składu iarnowego do oceny jakości regeneratu pod wględem granulometrycnym są głównym argumentem premawiającym a astosowaniem modyfikowanej hipotey Rittingera do modelowania procesów odysku osnowy użytych mas formierskich. Key words: Foundry sand reclamation,, used foundry sand, Rittinger theory 1. WPROWADZENIE Badania mierające do ponania mechanimu uwalniania iaren osnowy otocek użytego materiału wiążącego w procesach regeneracji suchej (mechanicnej i pneumatycnej), apocątkowane pre H.W. Zimnawoda [1], były w późniejsym okresie podejmowane w wielu ośrodkach. Publikacje D. Boenischa [2], W. Tilcha [3], D. Leidela [4] ora innych [5], traktują procesy regeneracji mechanicnej jako procesy preróbce, realiujące elementarne operacje ścierania, ocierania i krusenia mające na celu uwolnienie osnowy masy otocki użytego materiału wiążącego, nieależnie od rodaju obróbki regeneracyjnej. 1 Mgr inż., rd@agh.edu.pl 429
2. ZAŁOŻENIA MODELU TEORETYCZNEGO Model teoretycny procesu uwalniania iaren osnowy e użytego materiału wiążącego ostał opracowany pry uwględnieniu kilku, ważniejsych ałożeń: Założenie 1: Regenerowalność (ang. reclaimability), jest roumiana jako espół cech danej masy użytej, decydujących o jej podatności do uwolnienia osnowy otocek 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. Założenie 2: Cynnościom towarysącym regeneracji wstępnej, w której dominują procesy rodrabniania i krusenia lepków iaren bardiej odpowiadają 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. Za koheyjnym charakterem destrukcji wiąań premawia w tym prypadku osłabienie mostków pre wceśniejse, cęściowe ich uskodenie i mniejsa wartość pracy potrebnej do pełnej destrukcji połąceń, w porównaniu nakładem energii na usunięcie warstwy użytego materiału wiążącego powierchni iarna osnowy. Założenie 3: Właściwy proces regeneracji mechanicnej suchej jest realiowany w trakcie trech wyodrębnionych operacji elementarnych cyli ścierania, ocierania i krusenia. Zadaniem urądeń regenerujących jest w procesie regeneracji właściwej, pokonanie głównie sił adheji, decydujących o trwałości połąceń otocki materiału wiążącego iarnem osnowy. W wyniku obróbki regeneracyjnej średnica cąstki masy ( ewentualną otocką oolitycną) powinna ostatecnie uyskać wymiary odpowiadające średnicy iaren świeżej osnowy piaskowej, pred poddaniem jej w formie diałaniu wysokiej temperatury. Założenie 4: 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. Warunkiem prawidłowej pracy urądenia do regeneracji jest całkowite pobawienie kulistych iaren osnowy poostałości użytego spoiwa, be krusenia samej osnowy. 3. MODEL PROCESU REGENERACJI Model regeneracji mechanicnej, godnie teorią Rittingera [6], opiera się na proporcjonalności wykonanej pracy regeneracji jej skutkiem, cyli stopniem rodrobnienia regenerowanej masy użytej, odwierciedlonym pre mianę wartości powierchni właściwej produktu, ocenianą na podstawie wyników analiy sitowej. Znajomość wielkości pryrostu teoretycnej powierchni właściwej osnowy w wyniku 430
obróbki ( F m ) ora jej masy pocątkowej (m m ) umożliwia oblicenie całkowitej pracy regeneracji e woru: L = m L0 F [J]. (1) R m m L 0 jest odwrotnością nanych w mechanice rodrabniania licb materiałowych R- Rittingera, które określają w prybliżeniu wartość powierchni danego materiału wytworoną na skutek wydatkowania jednostki energii [1]. 1 R =, [cm 2 /J]. (2) L0 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 ): 3 π d Z m V A = V + Vg ; V = =. (3) 6 Pryjmując, że wajemny udiał masowy użytego materiału wiążącego ora samego iarna osnowy wynosi: mg Vg g g L = = stąd Vg = L V, (4) m V Grubość otocki g użytego materiału wiążącego określa wór: g = d ( 1+ = (1 + 1 Z 3 L d Z d Z 3 L, (5) g 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 ), g gęstość otocki użytego materiału wiążącego; kg/m 3 (g/mm 3 ), 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 (diesiętny ułamek jedności). W modelu pryjęto, że jednej cąstki użytego materiału wiążącego o średnicy d A uyskuje się w wyniku procesu regeneracji właściwej; regenerowaną osnowę, pobawioną otocki użytego materiału wiążącego, 431
otockę użytego materiału wiążącego poostającą w regeneracie w postaci frakcji pyłowej. Frakcja pyłowa, będąca produktem ubocnym regeneracji, jest usuwana w procesie klasyfikacji pneumatycnej regeneratu, wceśniej jednak dolica się ją do ogólnego wrostu powierchni właściwej obrabianego materiału. Powierchnia ta, godnie pryjętą hipoteą Rittingera, jest proporcjonalna do pracy wydatkowanej na elementarny proces krusenia otocki użytego materiału wiążącego. można ją oblicyć e woru: 12 g Fm =. (6) d d + 2 g ( ) Mając obliconą mianę powierchni właściwej materiału, która achodi podcas prowadonego procesu odysku osnowy e użytej masy odlewnicej, można wynacyć e woru (1) pracę usunięcia powierchni iarna użytego materiału wiążącego. 4. METODYKA OKREŚLANIA LICZB R-RITTINGERA DLA 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 kwarc, dla którego wartość licby Rittingera wynosi 17,56 [cm 2 /J]. Predstawiony model procesu regeneracji, baujący na hipoteie Rittingera, wymaga eksperymentalnego określenia stałych materiałowych, w oparciu o funkcje składu iarnowego. Zgodnie teorią Rittingera [6], miarą wartości pracy wydatkowanej na rodrobnienie materiału do postaci uiarnionej, która w prypadku predstawionego modelu regeneracji mechanicnej jest używana na krusenie alegającego na osnowie użytego materiału wiążącego, jest pole awarte międy krywymi całkowymi składu iarnowego nadawy i produktu wykreślonymi w układie (1/d, Φ(d)). Krywa Φ(1/d) na wykresie (rys. 1) onaca wartość całkowej funkcji składu iarnowego dla iaren o średnicy d, oś rędnych wyskalowano w wartościach odwrotności wielkości iaren o średniej średnicy d, cyli 1/d. Nadawą jest w tym prypadku masa użyta o średniej średnicy d N, a produktem regenerat o średniej średnicy d p. Podcas procesu regeneracji właściwej pracę wiąaną usuwaniem użytej otocki materiału wiążącego powierchni iarn osnowy (L RMW ) wyraża równość: L = (7) R L R MW Określenie efektu obróbki regeneracyjnej achodącej w urądeniu mechanicnym polega na porównywaniu danych, uyskanych w bliżonych warunkach regeneracji pryrostu pola powierchni, awartego pomiędy krywymi całkowymi składu iarnowego nadawy i produktu wykreślonymi w układie (1/d, Φ(d)) dla: 432
piasku kwarcowego stanowiącego osnowę masy i jednoceśnie traktowanego jako materiał odniesienia o nanej, stałej wartości licby Rittingera wynosącej 17,56 cm 2 /J, użytej masy formierskiej lub uyskanego regeneratu awierających badany materiał wiążący o nienanej wartości licby Rittingera. Sposób wynacania stałej R dla użytych materiałów wiążących ostał scegółowo predstawiony w pracy [7]. Uasadniony technicnie proces uwalniania osnowy otocki użytego materiału wiążącego nie powinien trwać dłużej niż pre cas, gdy mniejsająca się grubość otocki osiągnie wartość ero (g = 0). Zachowana jest pry tym proporcjonalność pracy dla obydwu materiałów, co wyraża wór: = α L (8) L0MW 0Z gdie: L 0MW praca wydatkowana na jednostkowy pryrost teoretycnej powierchni właściwej użytego materiału wiążącego; J/m 2 (J/cm 2 ), L 0Z praca wydatkowana na jednostkowy pryrost teoretycnej powierchni właściwej osnowy kwarcowej ; J/m 2 (J/cm 2 ), α - współcynnik określony na podstawie stosunku pól awartych międy krywymi całkowymi składu iarnowego nadawy i produktu, wykreślonymi w układie (1/d, Φ(d)) dla cystego piasku kwarcowego ora masy użytej określonym materiałem wiążącym. Rys. 1. Interpretacja pracy wydatkowanej na rodrobnienie materiału nadawy o średnicy d N do produktu o średnicy d p według teorii Rittingera [6] 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 [6] 5. PODSUMOWANIE Predstawiony model energetycny procesu regeneracji powala określić pracę wymaganą do ocyscenia iaren osnowy otocki użytego materiału wiążącego, a także niebędny poiom poboru mocy urądenia regenerującego pry nanej jego 433
sprawności energetycnej. Doświadcalna weryfikacja modelu teoretycnego predstawiona w pracy [7], wskauje na dużą godność wyników roważań teoretycnych danymi preprowadonych badań doświadcalnych. Praca wykonana w ramach pracy własnej nr 10.10.170.187 LITERATURA [1]. Zimnawoda H.W.: Dry reclamation of foundry Sand. Foundry vol. 84, nr 3, 1956, pp. 114-120. [2]. Boenisch D.: Reclamation of spent sands containing bentonite. Guidelines for an economical leading to minimied waste. Giesserei 77, nr 19, 1990, pp. 602-609, a także AFS International Sand Reclamation Conference, Conference Proceedings, Novi/MI, March 1991, p. 211. [3]. Tilch W.: Mechanicna regeneracja piasku e użytych mas awierających bentonit. Międynarodowa Konferencja Nowocesne technologie odlewnice - ochrona środowiska, Kraków 6-8 wreśnia 1995, s. 24 36. [4]. Leidel D.S.: The influence of sand and binders on reclamability. Foundry Trade Journal, Issue 3497, v. 168, 1994, pp. 384-387. [5]. Bodon L., Dańko J., Żurawski L.: Elements of the process of waste sand dry reclamation. Archives of Metallurgy, vol. 34, issue 3, 1989, pp. 405 416 [6]. Rittinger P.: Lehrbuch der Aufbereitungskunde. Ernst uns Korn Berlin 1867 [7]. Dańko R.: Podstawy teoretycne i technologicne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej użytych mas odlewnicych. Manuskrypt roprawy doktorskiej, Wydiał Odlewnictwa, Kraków 2006. MODEL OF DRY MECHANICAL RECLAMATION PROCESS ELABORATED ON THE BASIS OF SIEVE ANALYSIS DATA SUMMARY The article presents theoretical model of dry mechanical reclamation of used foundry sand process based on Rittinger deterministic hypothesis of material crushing and on the basis of sieve analysis data. Physical similarity existing between the sand grains liberation process from the residual cover of used bond material and the crushing processes combined with widely applied sieve analysis in foundry engineering for assessment of sand sie dimensions are the main arguments confirmed correct implementation of Rittinger hypothesis to modelling process of mechanical recovery of silica grains by means of reclamation of used moulding sands. Recenował: Prof. Aleksander Fedorysyn 434