Исследование технологии приготовления формовочных и стержневых смесей в центробежно-лопаточном смесителе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Березина, Людмила Васильевна

• Березина, Людмила Васильевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Березина, Людмила Васильевна

ВВЕДЕНИЕ.:.

1. СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

1.1. Влияние свойств стержневых и формовочных смесей на качество отливок.

1.2. Определение гранулометрического состава смеси.

1.3. Прочность формовочных и стержневых смесей и методы ее обеспечения.

1.4. Оценка качества смесеприготовления.

1.5. Методы анализа рабочих процессов в смесителях.

1.6. Сравнение различных способов смесеприготовления.

1.7. Задачи исследований.

V * *• ■ - * V * -у»

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНО - ЛОПАТОЧНОМ СМЕСИТЕЛЕ.

2.1. Установка для исследования взаимодействия смеси и неподвижной лопатки ЦЛС.

2.2. Смеситель для выполнения опытных работ.

2.3. Анализ структуры материала по электронным микрофотографиям.

2.4. Выводы.

3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЦЕНТРОБЕЖНО - ЛОПАТОЧНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ.

3.1. Анализ движения потока смеси в ЦЛС.

3.2. Расчет сил действующих на лопатку в ЦЛС.

3.3. Модель послойного движения смеси по лопатке в ЦЛС.

3.4. Определение кратности обработки смеси в ЦЛС.

3.5. Анализ процесса обработки смеси в бегунах.

3.6. Программное обеспечение анализа обработки смеси в смесеприготовительных агрегатах.

3.6.1. Программа для расчета параметров движения смеси по лопатке ЦЛС.

3.6.2. Программа для расчета параметров обработки смеси в бегунах.

3.7. Выводы.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЦЛ -СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Тарировка силоизмерительной установки.

4.2. Обработка кварцевого песка в ЦЛС.

4.2.1. Исследование влияния количества жидкости на процесс обработки песка в ЦЛС.

4.2.2. Исследование влияния режимов смешивания на структуру песка

4.2.3. Регрессионный анализ распределения зерен песка по фракциям.

4.2.4. Сравнение методов определения гранулометрического состава песка.

4.3. Исследование силы, действующей на лопатку в ЦЛС.

4.4. Приготовление формовочных и стержневых смесей в ЦЛС.

4.4.1. Приготовление смесей на основе рецептур АО

Рыбинские моторы".

4.4.2. Экспериментальное определение оптимального состава и режима приготовления формовочной смеси для магниевого литья.

4.4.3. Статистическая обработка результатов приготовления смеси для магниевого литья.

4.4.4. Приготовление формовочных и стержневых смесей на базе АОВМЗ.

4.4.5. Приготовление формовочных смесей в ЦЛС.

4.4.6. Анализ структуры экспериментальных смесей.

4.5. Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Промышленные испытания центробежно-лопаточного смесителя в цехе цветного литья АО «Рыбинские моторы».

5.2. Промышленные испытания центробежно-лопаточного смесителя на АО ВМЗ.

5.3. Применение результатов работы в учебном процессе.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование технологии приготовления формовочных и стержневых смесей в центробежно-лопаточном смесителе»

Актуальность проблемы. Развитие литейного производства во многом связана с повышением эффективности использования формовочных материалов в процессе приготовлении смесей. Применяемые в настоящее время в действующих литейных цехах способы смесеприготовления не в полной мере отвечают требованиям современного производства, которое требует получения смесей с высоким комплексом технологических и прочностных свойств и содержащих минимальное количество связующих материалов.

Повышение качества и эффективности работы литейного смесеприго-товительного оборудования связано с совмещением операций активации компонентов, их смешивания, создания структур смесей гранульного типа; улучшение адгезионно-когезионных свойств смесей. Такие эффекты достигаются при применении современных энергоемких видов смешивания: вихревого, центробежно-планетарного, центробежно-лопаточного.

В настоящее время центробежно-лопаточные смесители на практике не используются и отсутствуют технологические рекомендации по их применению. Во многом это связано с отсутствием теоретической концепции на процесс центробежно-лопаточного смешивания при приготовлении смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Актуальность данной диссертационной работы подтверждается тем, что в настоящее время центробежно-лопаточные смесители на практике не используются и отсутствуют технологические рекомендации по их применению. Во многом это связано с отсутствием теоретической концепции на процесс центробежно-лопаточного смешивания при приготовлении смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Цель работы. Разработка научно обоснованных технологических рекомендаций по приготовлению формовочных и стержневых смесей в центро-бежно-лопаточном смесителе, обеспечивающих повышение эффективности использования формовочных материалов в литейном производстве и получение смесей с заданным уровнем структуры и свойств.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана и исследована физическая модель движения смеси по лопатке в центробежно-лопаточном смесителе.

2. Разработана методика анализа параметров структуры формовочных смесей и зернистых материалов.

3. Разработаны и опробованы в производстве технологические режимы приготовления в центробежно-лопаточном смесителе базовых видов стержневых и формовочных смесей.

Научная новизна:

- получено аналитическое уравнение движения потока смеси по лопатке;

- установлено, что основной вклад в процесс смесеприготовления в ЦЛС вносит движение смеси по лопатке;

- разработана методика определения зерновой структуры синтетических смесей на основе анализа фотографий смеси с использованием средств ППП AutoCAD и Excel.

Практическая ценность

1. На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработаны инженерные методики определения сил, действующих на рабочую лопатку центробежно-лопаточного смесителя, по величине которых однозначно определяются свойства смесей по ходу приготовления.

2. Спроектирован, изготовлен и опробован в промышленных условиях образец центробежно-лопаточного смесителя полупроходного типа.

3. Разработаны технологические режимы приготовления смесей с минеральными и синтетическими связующими, позволяющие: сократить расход связующих на 20%; получить заданный уровень свойств смесей; сократить брак литья и улучшить экологическую обстановку в производстве. Суммарный расчетный экономический эффект составил: для цеха цветного литья АО "Рыбинские моторы" 55 млн. руб./год (по ценам 1995 года); для литейного цеха АО ВМЗ 175 млн. руб./год (по ценам 1996 года).

4. Разработаны пакеты прикладных программ для расчета параметров процесса смесеприготовления в бегунах и ЦЛС, в том числе для расчета критерия кратности обработки смеси, и оценки характеристик зерновой структуры смеси.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях в Рыбинске (1995 г., 1996 г., 1997, 1999 г.), Москве (1994 г.), Череповце (1999 г.).

По теме работы выполнялись промышленные эксперименты совместно с ОАО "Рыбинские моторы" и АО ВМЗ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи, 1 информационный листок, 4 тезиса докладов.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит:

- в разработке методик определения силовых и технологических характеристик ЦЛС, определения параметров зерновой структуры приготавливаемых смесей;

- в выполнении теоретического анализа движения потока смеси по лопатке, получении аналитического уравнения и разработке программы его численного решения;

- в разработке пакета прикладных программ для расчета параметров структуры смесей и критерия качества смеси;

- в разработке конструкции лабораторного центробежно-лопаточного смесителя полупроходного типа;

- в разработке технологических режимов приготовления смесей в цен-тробежно-лопаточном смесителе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, 54 рисунка, 33 таблицы, библиографию из 93 позиций.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Березина, Людмила Васильевна

Основные выводы.

1. Получены аналитические уравнения движения смеси по лопатке центробежно-лопаточного смесителя. Результаты численного решение на ПК уравнения сил, действующих на лопатку, соответствуют экспериментам. Установлено, что движение смеси по лопатке вносит основной вклад в процесс смешивания в ЦЛС и формирования структуры смеси.

2. Разработана методика и прикладной пакет программ для определения параметров структуры литейных смесей и зернистых материалов, включающая расчет распределения зерен материала по стандартным размерам и определение критерия гладкости поверхности зерен, среднего размера зерен и коэффициента однородности смеси. Показано, что смесепри-готовление в ЦЛС позволяет получать смеси с размером зерен в 1,1. 1,3 раз больше, чем в бегунах.

3. Разработан и использован на практике лабораторный центробеж-но-лопаточный смеситель полупроходного типа, повышающий эффективность смесеприготовления.

4. Выявлено, что процесс приготовления смесей в ЦЛС сопровождается следующими эффектами:

- распределение гранул смеси по фракциям становится более однородным;

- уменьшается шероховатость поверхности зерен;

- формируются гранулы смеси с равномерным покрытием поверхности зерен, без отдельных включений пыли и связующего.

5. Приготовление смесей в ЦЛС по отработанным режимам позволяет получать смеси с высоким уровнем технологических свойств при снижении расхода связующего в среднем на 20%.

6. Результаты исследований и практических разработок использованы при изготовлении форм и стержней из смесей центробежно-лопаточного смесеприготовления. Расчетный экономический эффект составил более 200 млн. руб./год (по ценам 1995-96 года).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Березина, Людмила Васильевна, 1999 год

1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977. 510 с.

2. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 с.

3. Баловнев В. И. Физическое моделирование резания грунтов. М.,1969.

4. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение, 1971.286 с.

5. Богомолова Н. А. Практическая металлография. М.: Высшая школа. 1978. 272 с.

6. Богуславский А.Ш. и др. Исследование процессов структурооб-разования в формовочных массах //Физико-химическая механика и лио-фильность дисперсных систем. Киев: Наук, думка, 1974. № 6. С. 156-161.

7. Борисов В.Н. и др. A.C. СССР № 501520 МКИ В 22 С 5/00. Устройство для регенерации формовочных и стержневых смесей и обогащения кварцевых песков.

8. Бречко A.A., Великанов Г.Ф. Формовочные и стержневые смеси с заданными свойствами. Л.: Машиностроение, 1982. 216 с.

9. Валисовский И.В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение, 1983.192 с.

10. Васин Ю.П., Александров В.М., Кулаков Б.А. Химико-термическая активация формовочных песков//Литейное производство. 1979. № 1.С. 14-15.

11. Великанов Г.Ф., Примак H.H., Бречко A.A. Прочность формовочных смесей // Литейное производство. 1986. № 3. С. 10-12.

12. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. М. ,1971.

13. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М., 1972.

14. Горский А.И. Расчет машин и автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978. 551 с.

15. Гуляев Б.Б., Корнюшкин O.A., Кузин A.B. Формовочные процессы. JL: Машиностроение, 1987. 264 с.

16. Джерси А. Уточнение механизма приготовления песчано-глинистых смесей в роторном смесителе с целью экономии материалов. Кандид, дисс. М.: МАМИ. 1991. 160 с.

17. Длезек И. Зависимость свойств стержневых смесей от состояния поверхности зерен кварцевых песков//Литейное производство. 1977. № 12. С. 12-14.

18. Дорошенко С.П. Совершенствование контроля свойств формовочных смесей, форм и стержней/УЛитейное производство. 1987. № 11. С. 14-16.

19. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1044408 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель-активатор.

20. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1091980 МКИ В 22 С 5/00. Барабанный смеситель.

21. Дьяконов Н.Г. A.C. СССР № 1447523 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель-активатор .

22. Ершов М.Ю. Приготовление песчано-глинистых смесей// Литейное производство, 1998. № 2 3 С. 17-21.

23. Ершов М.Ю., Веневцев И.А., Зимирев С.А. A.C. СССР № 1360875 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель.

24. Ершов М.Ю., Королев В.В., Зоз В.А. Патент РФ № 2002546 МКИ В 22 С 5/00. Каток смесителя формовочных материалов.

25. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М.: Машиностроение, 1989. 288 с.

26. Злыгостев С.Н. Разработка и моделирование методов анализа и управления технологическими процессами литейного производства в нестандартных ситуациях. Автореф. дис. к. т. н. Екатеринбург, УГТУ, 1999. 19 с.

27. Ивакин Р.И. О рабочем процессе смешивающих бегу-нов//Литейное производство. 1963. № 7. С. 20-21.

28. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары. Изд-во Чувашек, ун-та, 1992. Ч. 1. 223 с.

29. Каганов В.Ю., Блинов О.М., Глинков Г.М. Автоматизация металлургических печей. М.: Металлургия. 1975. 376 с.

30. Козлов В.И., Козырев С.А., Редькин О.Ф. Модернизация планетарных мельниц с целью их применения в механохимической технологии и создание специальных мельниц-активаторов//Изв. СО АН СССР, 1983 № 12. Сер. хим. наук, вып. 5. С. 25-30.

31. Комиссаров В.А., Кузьмин H.H., Завальнюк Н.П. Повышение связующей способности низкосортных глин//Литейное производство, 1983. №3. С. 16-18.

32. Корнюшкин O.A., Иоффе М.А. Исследование характеристик механических свойств формовочных смесей//Известия ВУЗов. Машиностроение, 1976. № 6. С. 126-130.

33. Косте Ж., Санглера Т. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1981.456 с.

34. Кузин Э.Н. Строительные машины. Справочник. М.: Машиностроение, 1991. 4.1. 496 с.

35. Лосев С.А. Давление катка на смесь в бегунах//Литейное производство, 1970. № 9. С. 25-26.

36. Магницкий О.Н. Литейные свойства титановых сплавов. М-Л.: Машиностроение. 1969. 248 с.

37. Мамина Л.И. Теория механоактивации формовочных материалов и разработка ресурсосберегающих технологических прцессов в литейном производстве/Дисс. Красноярск, 1989. 352 с.

38. Марков В.А. Разработка концепции интегрального механизма формирования свойств, состава песчано-глинистых смесей (ПГС) и смесе-приготовительного оборудования. Автореф. дис. д. т. н. С-П, СПбГТУ, 1997. 38 с.

39. Марков В .А. A.C. СССР № 1577908 МКИ В 22 С 5/00. Барабанный смеситель.

40. Марков В.А. A.C. СССР № 1650324 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель чашечный.

41. Матвеенко И.В., Бельчук B.C. Реологические основы испытаний формовочных смесей импульсного уплотнения. М.: ВТУЗ, ЗИЛ, 1991. 87 с.

42. Медведев Я.И. Газовые процессы в литейной форме. М.: Машиностроение. 1972. 258 с.

43. Медведев Я.И., Валисовский И. В. Технологические испытания формовочных материалов. М.: Машиностроение. 1973. 308 с.

44. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

45. Островерхов В.Ю., Ярута A.M., Горушкина Л.П. Математическая обработка результатов исследования свойств формовочных сме-сей//Литейное производство. 1988. № 1. С. 35.

46. Пинкин В.Ф., Титов Л.В. A.C. СССР №> 1572687 МКИ В 22 С 5/00. Ротационный смеситель.

47. Примак И.Н., Бречко A.A., Гриценко А.Я. и др. Производство отливок для энергомашиностроения. Л.: Машиностроение. 1976. 256 с.

48. Рабинович Б. В. Введение в литейную гидравлику. М.: Машиностроение. 1996. 424 с.

49. Рыжиков A.A. Теоретические основы литейного производства. М.: Машиностроение. 1965. 454 с.

50. Серебряков С.П. Разработка теории, технологии и машин цен-тробежно-планетарного приготовления формовочных и стержневых смесей. Автореф. дис. д. т. н. Москва, 1996. 30с.

51. Серебряков С.П. A.C. СССР № 1562020 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель непрерывного действия.

52. Серебряков С.П. Приготовление формовочных смесей. Учебное пособие. РГАТА, Рыбинск, 1998 г. 32 е., 7 ил., 7 табл., библ. 13 наим.

53. Серебряков С.П., Афанасьев А.Г. Параметры приготовления формовочных смесей//Литейное производство. 1994. № 8. С. 28-29.

54. Серебряков С. П., Лебедев А. С., Бойко Л. В. Технология плакирования песчано-смоляных смесей// Информ. Листок № 139-94. ЦНТК, Ярословль. 1994. 3 с.

55. Серебряков С. П., Афанасьев А. Г., Березина Л. В. Центробежно-лопаточный смеситель//Литейное производство, 1997. № 1.С. 22.

56. Серебряков С.П., Березина Л.В. Информационное обеспечение анализа структуры формовочных смесей//Материалы конференции ИНФОТЕХ 99. Череповец: ЧГУ, 1999. С.80 - 81.

57. Серебряков С.П., Лебедев A.C., Бойко Л.В. Технология плакирования песчано-смоляных смесей//Информ. листок № 139-94, серия Р. 55.15.21. Ярославль, ЦНТИ, 1994. 4 с.

58. Афанасьев А.Г., Березина JI.B., Серебряков С.П. Тепловые процессы при центробежно-лопаточном смесеприготовлении.// Теплофизика технологических процессов. Тез. докл. IX конф. Рыбинск, 1996. с. 89-90.

59. Бойко JI.B. Технологические особенности центробежно-лопаточного смесеприготовления.//ХХ1 Гагаринские чтения. Тез. докл. молодежи. научно-технич. конф. Москва: МГАТУ, 1995. с. 97.

60. Березина JI.B., Ремнев Д.В. Приготовление смесей в центробежно-лопаточном смесителе//ХХШ Гагаринские чтения. Тез. докл. молодежи, научно-технич. конф. Москва: МГАТУ, 1997. с. 83.

61. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М., 1960.

62. Токарев А.И. Причины возникновения ужимин на плоских поверхностях отливок//Технология машиностроения. Рыбинск, РАТИ, 1966. С. 167-176.

63. Формовочные материалы и технология литейной формы. Спра-вочник/Ред. Жуковский С.С. М.: Машиностроение, 1993. 432 с.

64. Федоров Д. И. Рабочие органы землеройных машин. М., 1976.

65. Хофман Ф. A.C. СССР № 1055322 МКИ В 22 С 5/00. Смеситель-активатор.

66. Чудновский И.Д., Сухомлинов С.М. A.C. СССР № 1371756 МКИ В 22 С 5/04. Смеситель.

67. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. М.: Мир, 1972.-300 е., ил.

68. Шкурский П.И. A.C. СССР № 1701553 МКИ В 28 С 5/14. Смеситель.

69. Эйтель В. Физическая химия сплавов. М.: 1962. 1055 с.

70. Dietmar Boenisch, Rolf Mollenkott. Einfluss der Luftfenchtgkeit auf die Festgkeit kaltharzgebundener Formteile//Giesserei (1973) № 18, 569-573.

71. Dietmar Boenisch, Norbert Ruhland. New Concepts of Green Sand Technology //Foundry management & technology. № 2, 1988, p.21-27.

72. Continuous Mixer is Basis of Sand Reclamation //Foundry management & technology. № 6, 1982, p.80-81.

73. Continuous Mixer Meets Needs for small Cores, Molds //Modern Casting, № 9,1990.

74. Hans J. Heine. Analizing Treuds in Sand Preparation //Foundry management & technology. P.I 1982, № 2, p.22, P.II 1982 № 9, p.36.

75. Hans J. Heine. Innovative Technignes Spur Green Molding Sand Preparation //Foundry management & technology. № 8, 1987, p.20-25.

76. Hans J. Heine. Technology Changes Affecting Sand Mold Quality //Foundry management & technology. № 6, 1988, p.33-40.

77. Hans J. Heine. Saving Dollars through Sand Reclamation //Foundry management & technology. № 5, 1983, p.22, 1983, № 6 p.90

78. Frans Hoffman und Frans Szatmari. Schaffhausen Hinweise zur Prufung und praktischen Anwendung kalthartender Gissereisande//Gisserei 60 (1973) №5, 112-117.

79. Jaeger J.C. Elasticity, Fracture and Flow, 2nd ed. Methuen, London, 1962, p.193.

80. Patterson W., Schneider Ph. Surface smoothness. Modern castings. 1965, v.47,№ 1.

81. Sand/Binders/Sand Preparation //Foundry management & technology. № 12, 1987, p.3-10.

82. Sand/Binders/Sand Preparation/Coremakin//Foundry management & technology. № 12, 1990, p.D3.D14.

83. Smith R.J. Selecting a Muller for a Green Sand Operation// Modern Casting, 1990, № 6, p.66-68.

84. Sand Mixer //Modern Casting, 1979, № 8, p.92.