5/39 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book o. 39 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, r 39 PA Katowice PL ISS 0208-9386 CHARAKTERYSTYKA PRZECIWPRĄOWYCH KLASYFIKATORÓW PEUMATYCZO-RAWITACYJYCH FEORYSZY Aleksander Akademia órniczo-hutnicza, Wydział Odlewnictwa Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZEIE Proces regeneracji osnowy piaskowej zużytych mas formierskich wymaga również wyodrębnienia ziaren o określonej wielkości. Realizacja rozdziału ziaren w przeciwprądowych klasyfikatorach pneumatyczno-grawitacyjnych jest szczególnie korzystna. Klasyfikatory te charakteryzują się prostą budową, łatwą eksploatacją i możliwością uzyskiwania założonych, wysokich efektów. Efekty te w porównaniu z wynikami pracy innych klasyfikatorów pneumatycznograwitacyjnych np. o przepływie krzyżowym, wynikają z możliwości uzyskiwania korzystniejszego zakresu stężenia masowego mieszaniny piaskowo-powietrznej. WPROWAZEIE Przygotowanie piasków odlewniczych oraz osnowy piaskowej masy zużytej wymaga przeprowadzenia operacji oddzielenia drobnoziarnistych frakcji w ramach klasyfikacji. Klasyfikacja prowadzi do uzyskiwania produktów o określonych składach ziarnowych. W tworzonych liniach regeneracji (w tym głównie pneumatycznej), mogą być instalowane klasyfikatory przepływowe, w tym przeciwprądowe, kaskadowe [1]. Podstawową zaletą określającą wyższość klasyfikacji przepływowej nad przesiewaniem, jest objętościowy charakter przebiegu procesu. Sprzyja to uzyskiwaniu relatywnie wyższych wydajności przy odpowiednio dobrej jakości uzyskiwanych produktów rozdziału [2].
44 Podział klasyfikatorów pneumatycznych dokonuje się w oparciu o szereg kryteriów, w tym w zależności od kierunku przepływu strumienia klasyfikującego (poziomy, pionowy lub zmienny, wynikający z ruchu wirowego), kierunku przepływu strumieni (współprądowy, przeciwprądowy oraz krzyżowy). Ponadto wyróżnia się: klasyfikatory przepływowe, w których wprowadzany strumień piaskowo-powietrzny zmniejsza swoją prędkość przepływu, powodując wytrącanie cięższych cząstek; cyrkulacyjne, w których wskutek zmiany prędkości i kierunku przepływu powietrza następuje osadzanie się cząstek; wirnikowe, w których wywołuje się ruch powodujący oddziaływanie siły promieniowej na cząstki [3]. Omawiane klasyfikatory kaskadowe zaliczyć należy do grupy przepływowych, typu komór grawitacyjnych o przeciwprądowym przepływie strumieni. Schemat klasyfikatora kaskadowego wraz z klasyfikatorami fluidyzacyjnymi, w których ma miejsce krzyżowy przepływ strumieni przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Schematy stanowisk do badań procesu klasyfikacji: 1 - klasyfikator grawitacyjny, kaskadowy; 2,3 - klasyfikatory pneumatyczno-grawitacyjne (fluidyzacyjne) Fig.1. The layout of experimental installations for the pneumatic classification: 1 - installations of cascade classifier; 2,3 - airslide classifiers
45 Badania rozdziału materiałów ziarnistych przeprowadzono w ten sposób, że przy określonej ilości przepływającego powietrza wprowadzano poprzez podajnik ślimakowy określone porcje materiału. atężenie podawanego materiału regulowane było poprzez obroty wału ślimaka. ZAKRES BAAŃ ROZZIAŁU ZIARE MATERIAŁÓW W KLASYFIKATORACH KASKAOWYCH Badania dotyczyły szeregu materiałów ziarnistych: piasków odlewniczych o zróżnicowanych gęstościach oraz wielkościach ziaren, rudy chromowej, masy formierskiej kierowanej do regeneracji osnowy oraz zregenerowanej osnowy [4,5,7]. Zakres badań obejmował wyznaczanie charakterystyk badanych materiałów tj. funkcji składu ziarnowego oraz wielkości charakteryzujących proces klasyfikacji w tym granice i dokładność, wyznaczane z funkcji rozdziału [2,6,9]. Badania przeprowadzono przy użyciu własnych klasyfikatorów kaskadowych o wymiarach 0.16 x 0.16 m i 0.29 x 0.29 m (powierzchnia przekroju odpowiednio 0.0256 m 2 i 0.0841m 2 ). Konstrukcja klasyfikatorów i ich oprzyrządowanie umożliwiają realizację rozdziału ziaren ze względu na ich masę oraz ocenę jakości produktów w zależności od: prędkości strumienia powietrza, składu granulometrycznego materiału wyjściowego, natężenia podawania materiału oraz miejsca jego wprowadzenia do klasyfikatora. Charakterystykę procesu klasyfikacji dokonywano poprzez ocenę składu ziarnowego produktów: gruboziarnistego i drobnoziarnistego w porównaniu ze składem ziarnowym nadawy. Skład ziarnowy wyznaczano w oparciu o wyniki analizy sitowej, korzystając z odpowiednich programów komputerowych [8]. Wyznaczano przebieg funkcji rozdziału, podających w jakim stosunku, pierwotne ilości ziaren nadawy rozdzielają się pomiędzy produkty. Z przebiegu tych funkcji wyznaczano charakterystyczną wielkość ziarna podziałowego d p, określającą granicę klasyfikacji oraz dokładność (ostrość) podziału [2,6]. okładność rozdziału charakteryzowano szeregiem parametrów, w tym również wskaźnikiem rozrzutu: d3/ 4 K (1) d 1/ 4 Występujące w powyższej zależności wielkości ziaren wyznaczano z przebiegu funkcji rozdziału. Określa się je też mianem wielkości ziarna 75% i 25%.
Wielkość ziarna podziałowego d p, mm 46 CHARAKTERYSTYKA PROCESU ROZZIAŁU Proces rozdziału scharakteryzowano wynikami klasyfikacji piasku kwarcowego Szczakowa, które przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Parametry piasku to: średnie wielkości ziaren d h = 0.263 mm oraz d 50 = 0.292 mm; jednorodność: = 50.91 % oraz S 0 = 1.41. Skład ziarnowy piasku opisano funkcją RRB w postaci: 3.2974 d F(d) 100 exp 0.339 przy R 2 = 95.83 %. Wyniki rozdziału opracowano w taki sposób, aby zilustrować zmiany wartości wielkości ziarna podziałowego w zależności od prędkości powietrza oraz ilości podawanego piasku do klasyfikatora; dla porównania przedstawiono wartości wyznaczone z zależności kryterialnej Re z = f (Ar), przy czym do obliczeń przyjęto parametry powietrza w warunkach technicznych, normalnych. Badania prowadzono przy różnych ilościach podawanego piasku. Ilość ta wynika z prędkości obrotowej wału ślimaka zastosowanego podajnika; 1 - n = 253.4 obr/min, 2 - n = = 416.3 obr/min, n = 579.2 obr/min. 0.3 2 0.2 Re z = f (Ar) 0.1 1 3 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Prędkość powietrza u, m/s
Wielkość ziarna podziałowego d p, mm 47 Rys.2. Wpływ prędkości powietrza procesu na ustalającą się granicę rozdziału ziaren Fig. 2. Influence of the air velocity on the limits of grains division 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 1 2 3 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Wartość koncentracji masowej c, kg/kg Rys.3. Zależność granicy rozdziału od koncentracji strumienia piaskowo-powietrznego; w zakresie prędkości powietrza u = 1.08 3.04 m/s Fig.3. ependence of grains division limits on the mixture concentration; velocity range u = 1.08 3.04 m/s Badania rozdziału piasku Szczakowa prowadzono w zakresie prędkości strumienia powietrza u = 1.08 3.04 m/s. Uzyskiwano przy tym koncentrację strumienia piaskowo-powietrznego w zakresie = 0.738 5.816. W badanym zakresie wielkość ziarna podziałowego, wyznaczająca granicę rozdziału, zmieniała się w granicach d p = 0.062 0.29 mm. Zakres zmian wartości wskaźnika rozrzutu wynosił K = 1.29 1.99. Im wartość wskaźnika rozrzutu jest bliższa jedności, tym proces rozdziału ziaren jest bardziej zbliżony do idealnego. Stwierdzono, że dla tej samej wartości granicy rozdziału, przy wzroście masowego natężenia przepływu materiału pogarsza się jakość produktów. Jakość procesu klasyfikacji wyznaczano każdorazowo poprzez wskaźniki: skuteczności wydzielania produktów, stopnia ich zanieczyszczenia oraz wynikowej efektywności [2,7].
48 Skuteczność wydzielania produktów, stopień ich zanieczyszczenia oraz efektywność wyznaczano z zależności: S d d g g q q, S, (1) q q Z q g qd,s, (2) qg qd E S Z S Z, (3) d w których: q masa ziarn drobnych (o d < d p ) w produkcie drobnoziarnistym w kg, mm, to: q d masa ziarn drobnych w nadawie w kg, q g masa ziarn grubych (o d > d p ) w produkcie gruboziarnistym w kg, q g masa ziarn grubych w nadawie w kg, q d masa ziarn drobnych w produkcie gruboziarnistym w kg, q g masa ziarn grubych w produkcie drobnoziarnistym w kg, Przykładowe wyniki obliczeń, przeprowadzonych dla jednakowej granicy rozdziału d p = 0,13 S = 91.0 93.4 %, Z = 28.6 34.1 %, E = 57.8 64.8 % przy u = 1.73 m/s oraz = 1.292 3.635, S = 91.4 92.9 %, Z = 38.1 39.9 %, E = 51.0 54.7 % przy u = 2.06 m/s oraz = 1.088 3.061. POSUMOWAIE Uzyskiwane w szerokim zakresie wartości parametrów klasyfikacji, a przede wszystkim granice i ostrości rozdziału wskazują na duże możliwości klasyfikatorów kaskadowych. Wielkość ziarna podziałowego, wyznaczająca granicę rozdziału rośnie wraz ze wzrostem prędkości powietrza, natomiast maleje przy wzroście masowego natężenia przepływu materiału oraz koncentracji strumienia piaskowo-powietrznego. Przy tej samej wartości prędkości powietrza wielkość ziarna podziałowego w badanym procesie klasyfikacji jest mniejsza od wielkości ziarna zawisającego w strumieniu powietrza. Skuteczność wydzielania produktu drobnoziarnistego z rozdzielanego piasku można dowolnie kształtować. Przy stosowanych prędkościach powietrza skuteczność S zawierała się w granicach
49 67.9 99.1 %. la stałej granicy rozdziału ziaren wraz ze wzrostem prędkości powietrza następuje nieznaczny wzrost skuteczności wydzielania produktu drobnoziarnistego. atomiast przy wzroście masowego natężenia przepływu materiału oraz wzroście koncentracji skuteczność maleje. Stopień zanieczyszczenia Z produktu drobnoziarnistego dla badanego procesu klasyfikacji zawierał się w granicach 12.9 45 %. la stałej granicy rozdziału ziaren wraz ze wzrostem prędkości powietrza następuje wzrost zanieczyszczenia produktu drobnoziarnistego. natomiast wzrost ilości przepływającego materiału oraz wzrost koncentracji strumienia piaskowo-powietrznego powoduje mniejsze zanieczyszczenie ziarnami zaliczanymi do produktu gruboziarnistego. Efektywność wydzielania obu produktów E = E przy badanym zakresie parametrów procesu klasyfikacji zawierała się w granicach 47.6 76.6 %. la stałej granicy rozdziału przy wzroście prędkości powietrza oraz przy wzroście masowego natężenia przepływu materiału obserwuje się spadek efektywności. atomiast wzrost koncentracji powoduje zwiększenie efektywności. ajwyższą efektywność uzyskano przy mniejszych wartościach prędkości powietrza i natężenia przepływu materiału, co odpowiada uzyskiwaniu większych wartości koncentracji. Klasyfikatory kaskadowe ze względu na prostą budowę i skuteczną pracę powinny powszechnie być stosowane przy obróbce granulometrycznej materiałów ziarnistych, a zwłaszcza zregenerowanej osnowy piaskowej z zużytych mas formierskich. LITERATURA [1] Osipow M.A., Stachorskij A.W., Kozjukow W.I.: Klassifikacija pieskow w processie pnewmoregeneracji otrabotannych smiesiej. Litiejnoe Proizvodstvo, nr.4, 1987, s.5. [2] Sztaba K.: Przesiewanie. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1993. [3] Materiały Konferencji z zakresu klasyfikacji materiałów ziarnistych. AH, Kraków, [4] Fedoryszyn A.: Przykład obliczeń parametrów pracy powietrznych klasyfikatorów kaskadowych. Materiały XIII Sympozjum aukowego z okazji nia Odlewnika w IT i MO AH, Kraków 1987, s. 217-225. [5] Fedoryszyn A.: Wyniki badań rozdziału frakcji piasków kwarcowych w klasyfikatorze kaskadowym. Materiały XIX Sympozjum aukowego Wydziału Odlewnictwa AH, Kraków 1993, s. 235-243.
50 [6] Fedoryszyn A.: Charakterystyka procesu rozdziału polidyspersyjnych materiałów w przepływowych urządzeniach fluidyzacyjnych. Zeszyty aukowe Politechniki Śląskiej. Mechanika z. 128. liwice, 1997, s. 27-35. [7] Fedoryszyn A.: Analiza rozdziału ziarn materiałów w odlewniczych urządzeniach fluidyzacyjnych. Praca naukowo-badawcza AH nr. 10.170.98. Kraków, 1999. [8] Fedoryszyn A., Ziółkowski E.: Programy komputerowe do określania charakterystyk granulometrycznych nosiw oraz produktów klasyfikacji. Materiały Konferencji aukowej z okazji nia Odlewnika'97, Kraków, 1997, s. 103-104. [9] Orzechowski Z.: Przepływy dwufazowe, jednowymiarowe, ustalone, adiabatyczne. PW, Warszawa, 1990. A CHARACTERISTIC OF COUTERFLOW CLASSIFIERS OF PEUMATIC - RAVITATIOAL TYPE SUMMARY The reclamation process of return sand requires also grain size classifications. Sand grain distribution process occurred in counterflow classifiers of pneumatic - gravitational type is especially useful. These classifiers are characterised by simple construction, easy exploitation demands and possibilities of obtaining of planned high distribution effects. In comparison with operation results of another type classifiers (e.g. with cross flow type) the advantages of described devices are resulted from obtaining possibilities of more suitable range of mass concentration in sand-air stream.