Pobierz - Technical Nowa Sól

mgr inż. PEZARSKI Franciszek
mgr inż. SMOLUCHOWSKA Elżbieta
mgr inż. IZDEBSKA- SZANDA Irena
inż. NIZIOŁ Wiesław
- Instytut Odlewnictwa - Kraków
- Instytut Odlewnictwa - Kraków
- Instytut Odlewnictwa - Kraków
- „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
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
mieszarkach.
sporządzania
mas
bentonitowych
w
różnego
typu
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
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.
Tablica nr 1
Właściwości technologiczne mas sporządzonych w warunkach laboratoryjnych
z udziałem regeneratu w mieszarkach różnego typu
Nr
Rodzaj
Czas
W
Rcw
Rmw
Rmp
Pw
Sw
LD
G
Z
masy
mieszarki
mieszania
%
MPa MPa
Pa
j.p
%
%
g/cm3
%
min
1
krążnikowa
2+6
4,12 0,146 0,0210 2450
200
5,28
88,8
0,695
57
2
wstęgowa
1+4
3,98 0,132 0,0136 2075
220
12,12 84,8
0,785
51
3
turbinowa
1+4
4,18 0,148 0,0196 2518
265
10,02 91,8
0,745
54
Tablica nr 2
Właściwości technologiczne mas sporządzonych w warunkach przemysłowych
z udziałem regeneratu w mieszarkach różnego typu
Nr
Rodzaj
Czas
W,
Rcw
Pw
Sw
G
Z
masy
mieszarki
mieszania,
%
MPa
j.p
%
g/cm3
%
min
1
krążnikowa
2+4
3,45
0,165
220
15,9
0,89
41
2
pobocznicowa
2+2
3,55
0,165
260
23,5
0,94
36
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.
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.
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.
3.2. 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 - 240 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.
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,
Rcw
Pw
turbiny
wody), s
%
MPa
j.p
łopatkowa
60
4,1
0,075
270
0,070
250
0,076
280
0,084
270
0,091
270
0,088
280
0,079
300
0,074
300
0,084
260
0,081
300
0,083
280
0,085
300
0,070
300
0,094
280
0,093
290
0,099
290
0,074
300
0,076
300
0,102
290
0,099
290
0,085
300
0,080
310
0,094
290
0,110
300
0,099
290
palcowa
łopatkowa
palcowa
łopatkowa
palcowa
łopatkowa
palcowa
łopatkowa
palcowa
60
90
90
120
120
150
150
180
180
3,5
4,4
3,0
4,1
3,7
4,1
3,5
4,1
3,0
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/dm3, natomiast dla turbiny palcowej 1,0-1,1
kg/dm3
Jednorodność wykonywanych mas była zadowalająca przy zastosowaniu obu rodzajów turbiny.
3.3. 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 - 100 cz. wag. , cement 45 - 10 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.
Tablica nr 4
Właściwości technologiczne mas cementowych sporządzanych
w „Technical” Nowa Sól dla ABB „Zamech” – Elbląg z
zastosowaniem różnego rodzaju turbin i mieszarki krążnikowej.
Czas
Rodzaj
mieszania,
W,
Rm48
zastosowanej
(po dodaniu
%
MPa
mieszarki
wody), min
turbinowa z wirnikiem
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
łopatkowym
turbinowa z wirnikiem
łopatkowym
turbinowa z wirnikiem
palcowym
turbinowa z wirnikiem
palcowym
krążnikowa
laboratoryjna
krążnikowa
laboratoryjna
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 - 100 cz. wag., cement 45 - 10 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.
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.
Czas
Rodzaj
Kierunek
mieszania,
zastosowanej mieszarki obrotu turbiny (po dodaniu
W,
Rc48,
Rm48
%
MPa
MPa
wody), min
turbinowa z wirnikiem
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
-
1
6,3
-
0,21
2
6,3
-
0,27
3
6,3
-
0,28
4
6,3
-
0,29
5
6,3
0,85
0,26
palcowym
turbinowa z wirnikiem
palcowym
turbinowa z wirnikiem
palcowym
turbinowa z wirnikiem
palcowym
turbinowa z wirnikiem przeciwbieżne
palcowym
turbinowa z wirnikiem przeciwbieżne
palcowym
turbinowa z wirnikiem przeciwbieżne
palcowym
turbinowa z wirnikiem przeciwbieżne
palcowym
krążnikowa
laboratoryjna
-
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 palcowym 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
formierskich, jak i do sporządzania mas cementowych.
klasycznych,
bentonitowych
mas