Aleksander Fedoryszyn

Solidification of Metals and Alloys,
Year 1999, Volume 1, Book No. 39
Krzepnięcie Metali i Stopów,
Rok 1999, Rocznik 1, Nr 39
PAN – Katowice PL ISSN 0208-9386
5/39
CHARAKTERYSTYKA PRZECIWPRĄDOWYCH
KLASYFIKATORÓW PNEUMATYCZNO-GRAWITACYJNYCH
FEDORYSZYN Aleksander
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa
Kraków, ul. Reymonta 23
STRESZCZENIE
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.
WPROWADZENIE
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. Natężenie podawanego materiału regulowane było poprzez obroty wału ślimaka.
ZAKRES BADAŃ ROZDZIAŁU ZIAREN MATERIAŁÓW W KLASYFIKATORACH
KASKADOWYCH
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 m2 i 0.0841m2).
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 G i drobnoziarnistego D w porównaniu ze składem ziarnowym nadawy
N. 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].
Dokładność rozdziału charakteryzowano szeregiem parametrów, w tym również wskaźnikiem
rozrzutu:
K
d3/ 4
d1 / 4
(1)
Występujące w powyższej zależności wielkości ziaren wyznaczano z przebiegu funkcji rozdziału.
Określa się je też mianem wielkości ziarna 75% i 25%.
46
CHARAKTERYSTYKA PROCESU ROZDZIAŁU
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 d50 = 0.292 mm; jednorodność: GG = 50.91 % oraz S 0 = 1.41. Skład ziarnowy piasku
opisano funkcją RRB w postaci:
d 

F(d)  100 exp 
 0.339 
3.2974
przy R2 = 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
Wielkość ziarna podziałowego dp, mm
2
Rez = f (Ar)
0.2
1
0.1
3
0
0.5
1.0
1.5
2.0
Prędkość powietrza u, m/s
2.5
3.0
3.5
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
Wielkość ziarna podziałowego dp, mm
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
1
2
3
0.05
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. Dependence 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 dp = 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
ZD 
q dD
q dN
q gD
q gN
,S 
G
, SG 
q Gg
q gN
q Gd
q dN
,
(1)
,
(2)
E  SD  ZD  SG  ZG ,
w których: q dD
(3)
– masa ziarn drobnych (o d < dp) w produkcie drobnoziarnistym w kg,
q dN
– masa ziarn drobnych w nadawie w kg,
q Gg
– masa ziarn grubych (o d > dp) w produkcie gruboziarnistym w kg,
q gN
– masa ziarn grubych w nadawie w kg,
q Gd
– masa ziarn drobnych w produkcie gruboziarnistym w kg,
q gD
– masa ziarn grubych w produkcie drobnoziarnistym w kg,
Przykładowe wyniki obliczeń, przeprowadzonych dla jednakowej granicy rozdziału d p = 0,13
mm, to:

SD = 91.093.4 %, ZD = 28.634.1 %, E = 57.864.8 % przy u = 1.73 m/s oraz
 = 1.2923.635,

SD = 91.492.9 %, ZD = 38.139.9 %, E = 51.054.7 % przy u = 2.06 m/s oraz
 = 1.0883.061.
PODSUMOWANIE
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 SD zawierała się w granicach
49
67.999.1 %. Dla stałej granicy rozdziału ziaren wraz ze wzrostem prędkości powietrza następuje
nieznaczny wzrost skuteczności wydzielania produktu drobnoziarnistego. Natomiast przy wzroście
masowego natężenia przepływu materiału oraz wzroście koncentracji skuteczność maleje.
Stopień zanieczyszczenia ZD produktu drobnoziarnistego dla badanego procesu klasyfikacji
zawierał się w granicach 12.945 %. Dla 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 ED = EG przy badanym zakresie parametrów procesu
klasyfikacji zawierała się w granicach 47.676.6 %. Dla stałej granicy rozdziału przy wzroście
prędkości powietrza oraz przy wzroście masowego natężenia przepływu materiału obserwuje się
spadek efektywności. Natomiast wzrost koncentracji powoduje zwiększenie efektywności.
Najwyższą 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. AGH, Kraków,
[4]
Fedoryszyn A.: Przykład obliczeń parametrów pracy powietrznych klasyfikatorów
kaskadowych. Materiały XIII Sympozjum Naukowego z okazji Dnia Odlewnika w IT i MO
AGH, Kraków 1987, s. 217 - 225.
[5]
Fedoryszyn A.: Wyniki badań rozdziału frakcji piasków kwarcowych w klasyfikatorze
kaskadowym. Materiały XIX Sympozjum Naukowego Wydziału Odlewnictwa AGH,
Kraków 1993, s. 235 - 243.
50
[6]
Fedoryszyn
A.:
Charakterystyka
procesu
rozdziału
polidyspersyjnych
materiałów
w przepływowych urządzeniach fluidyzacyjnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej.
Mechanika z. 128. Gliwice, 1997, s. 27-35.
[7]
Fedoryszyn A.: Analiza rozdziału ziarn materiałów w odlewniczych urządzeniach
fluidyzacyjnych. Praca naukowo-badawcza AGH nr. 10.170.98. Kraków, 1999.
[8]
Fedoryszyn A., Ziółkowski E.: Programy komputerowe do określania charakterystyk
granulometrycznych nosiw oraz produktów klasyfikacji. Materiały Konferencji Naukowej z
okazji Dnia Odlewnika'97, Kraków, 1997, s. 103- 104.
[9]
Orzechowski Z.: Przepływy dwufazowe, jednowymiarowe, ustalone, adiabatyczne. PWN,
Warszawa, 1990.
A CHARACTERISTIC OF COUNTERFLOW CLASSIFIERS OF PNEUMATIC GRAVITATIONAL 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.