29.11.2010 12:15
УДК 621.74.06
К. Х. Бердыев, инж., В.С. Дорошенко, к.т.н., dorosh@inbox.ru, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев.
Опыт конструирования оборудования институтом ФТИМС НАН Украины (г. Киев) для литейного производства, металлургии и горнорудной промышленности свидетельствует, что больше всего нестандартных решений требует оборудование для переработки сыпучих материалов, в частности, для оборота песка и других сыпучих смесей при операциях их сепарации, охлаждения и регенерации с целью получения стабильного качества этих материалов (включая уровень вторичного использования не менее 95%), с учетом компактности, простоты изготовления и обслуживания установок, понижения их энергоемкости, а также при предотвращении таких ухудшений условий труда в цехе, как пыле- и шумовыделения. По техническим решениям такое оборудование часто не имеет аналогов в литейном производстве и металлургической и горнорудной промышленности. Оно запатентовано ФТИМС как изобретения или полезные модели, а его описанные ниже примеры могут быть использованы для многих переделов, включающих операции с использованием песка, песчаных смесей и других сыпучих материалов в ряде отраслей промышленности, например, в горнорудной или строительных материалов. К тому же, описания конструкций и принципов работы подобного оборудования практически не публикуются в отечественной технической литературе, что не способствует распространению прогрессивных технологических процессов.
Рассмотрим подробнее принципиальные схемы производимого институтом ФТИМС оборудования, в частности созданного специалистами научно-технической школы под рук. проф. Шинского О. И., которое по методу обработки сыпучего материала относится к проходному типу или к оборудованию непрерывного действия. Для участков с использованием сыпучих формовочных смесей, в частности, для литья по газифицируемым моделям широко применяют способ охлаждения в псевдожиженном слое. Этот слой, еще называемый «кипящим» слоем, представляет собой гетерогенную систему, состоящую из слоя частиц кварцевого песка и потока воздуха, проходящего сквозь слой частиц и создающего интенсивное их перемешивание, напоминающее «вязкую кипящую жидкость». При соответствующих температурах и газовых составляющих кипящий или псевдоожиженный слой имитирует теплопроводные, изотермические и диффузионные свойства жидких сред, создавая в установках проходного типа условия для получения равномерного охлаждения теплообменом с воздушным потоком главным образом за счет принудительной конвекции.
На рис. 1 показан технологичный элемент охладителя в псевдоожиженном слое производительностью от 1 до 6 м3/ч., в котором в качестве хладагентов применяется воздух и вода. Установка состоит из трех отсеков секторов, нижний - воздушный, средний – охлаждающий, верхний – сепарирующий. Тепло от горячего песка отбирается охлажденным воздухом, подаваемым в установку вентилятором по трубопроводу 1 с регулируемыми затворами 2. А охлаждение воздуха происходит за счет прохождения его между трубами 3 в виде змеевика, через которые протекает вода, подаваемая из водопроводной или водооборотной системы. Охлажденный воздух через патрубки-грибки 4 восходящим потоком при определенной (называемой в гидродинамике этого процесса критической) скорости подается в зону охлаждения и переводит слой подаваемого песка в полувзвешенное состояние, которое приобретает свойства текучести. В промежутке между двумя стенками отсека (с одной торцевой стенки горячий песок подается, а с другой – отводится) за счет поступающего из отверстий грибков 4 холодного воздуха в нижней стенке отсека создается псевдожиженный слой. Для задержания песка от уноса с восходящим потоком воздуха в верхней части отсека, установлена "отбивная" решетка 5, через которую очищенный воздух отводится в вентиляционную систему цеха.
Особенностями кипящего слоя являются его большая теплоемкость и теплопроводность. Интенсивная циркуляция частиц, объемная теплоемкость которых на порядки превышает объемную теплоемкость воздуха, иногда не позволяет обеспечить требуемую скорость охлаждения, ведет к удлинению установок свыше 5-6 м и к увеличению их энергоемкости. Поэтому ниже приведены две конструкции установок комбинированного охлаждения путем сочетания двух хладагентов, воздуха и воды. Причем в воздухе перед его соприкосновением с сыпучим материалом дозировано распыляется вода (создается водо-воздушная дисперсия) в количестве, не препятствующем сохранению сыпучести песка.
На рис. 2. показана установка охлаждения сыпучего формовочного материала, которая представляет собой сварную металлическую конструкцию, состоящую из внутреннего водоохлаждаемого корпуса 2 и наружного корпуса 5 внутри которого расположены отражающие пыль кольца 3 и воздухоподводящий патрубок 4 с конусными экранами на разных уровнях. На верх внутреннего корпуса устанавливается сетчатый колпак 1, отсеивающий крупные включения из формовочного материала.
Водоохлаждаемый корпус 2 сварен в виде трубы, к верхней части которой приваривается коническая воронка, а нижняя стенка выполнена плоской. Между ними приварено ряд вертикальных труб. Внутренняя часть корпуса поделена на секции перегородками из листового материала для создания турбулентных потоков воды, омывающей трубы. Вода, подаваемая в нижнюю подводящую трубу, проходит между трубами и отводится через верхнюю боковую трубу.
Песок через сетку 1 попадает в воронку, делится на потоки и проходит через многочисленные водоохлаждаемые трубы корпуса 2. Для увеличения пути и продолжительности контакта горячего сыпучего материала со стенками труб в них вложены спирали из листового материала, служащие склизом для песка. Шаг спирали выбран таким, чтобы песок по ним скатывался под углом, превышающим угол его естественного откоса. За счет приобретения тангенциальной составляющей песчинки, скользя и перекатываясь по спирали, всегда контактируют с металлом трубы и спирали, таким образом охлаждаясь. Просыпаясь через трубки водоохлаждаемого корпуса, песок попадает в наружный корпус, в котором навстречу песка подается увлажненный воздух через воздухоподводящий патрубок 4. Воздух от вентилятора подается в патрубок и в него же подается струйка воды из расчета 50-100 мм3 на 1 м3 воздуха. Верхний отводящий патрубок наружного корпуса соединяется с циклоном и вытяжкой цеховой вентиляционной системы.
Таким образом, песок, охлажденный первоначально в водоохлаждаемых трубах, дополнительно охлаждается встречным потоком увлажненного воздуха. Частично уносимый объем песка отбивается отражательными кольцами 3, а пылевидные частицы осаждаются в циклоне. Песок в установке кроме охлаждения очищается от нежелательной пылевидной части для литья по газифицируемым моделям. Описанная установка отличается компактностью и рекомендуется для небольших формовочных участков.
Установка охлаждения барабанного типа, показанная на рис. 3, состоит из цилиндрического вращаемого полого корпуса 9, в полость которого с одного конца по питателю 11 подается горячий песок (сыпучий формовочный материал), а на другом конце имеется разгрузочное отверстие. Из него охлажденный песок попадает в приемный бункер 2. Перемешивание и подача охлаждаемого материала осуществляется спиральной лопастью с лопатками 10, которые изготовлены из листового металла. Наружная поверхность внутреннего корпуса 9 охлаждается водой, которая находится между ним и водяной рубашкой 8. Вода подается по водоподводящему каналу 6, а сливается в бак 7. Внутренний корпус 9 и водяная рубашка представляет собой цельную конструкцию, расположенную под углом. Такое расположение, а так же конструкция слива обеспечивает заполнение более 50 % промежуточного пространства водой между стенками корпуса и водяной рубашки, обычно в технике называемых двумя барабанами с одной осью вращения. Дополнительно предусмотрена система подачи водо-воздушной смеси через канал 1 с распылителем. Вода подается из расчета 50-100 мм3 на 1 м3 воздуха для сухого песка, а также в большем количестве, если барабанная установка применяется для сырых формовочных смесей. Барабанный корпус с водяной рубашкой установки через опорную систему 3 с роликами установлены на станине 4 и приводятся во вращение (5-10 об./мин.) приводом 5. Изменяя диаметр и длину водяной рубашки 8 и внутреннего корпуса, а также их наклон и скорость вращения получают производительность охлаждения формовочной смеси от 2 до 6 м3/ч. Для предотвращения замерзания воды имеется водоспускная система.
В линиях регенерации песка описанным установкам предшествует вибросито, разработанная конструкция которого показана на рис. 4 и состоит из следующих частей: корпуса 1 из листового материала, вибродеки 2 с одной или двумя сеточными полотнами и фартуком. На вибродеку устанавливается электровибратор 3. Дека имеет заднюю эластичную опору 4 и переднюю шарнирную 7. Ниже фартука деки находится воронка 6, из которой подается просеянный песок. Все вышеперечисленные элементы крепятся к станине 5. Отходы по лотку 8 отводятся в сторону. Сверху кожуха 1 имеется два отверстия. Через отверстие, показанное слева на рис. 4, подается на сетчатые полотна деки песок, а другое отверстие (справа) присоединяется к вытяжной вентиляционной системе для отсоса пылевидных частиц, которые из-за вибрации деки и удара частиц песка о воронку поднимаются вверх и уходят в систему отсоса и осаждения. Очищенный песок через отверстие воронки 6 высыпается вниз в тару или в приемное отверстие следующей установки проходной линии регенерации. Амплитуда и усилие вибрации регулируются разводкой (взаимным расположением) грузов дебалансов вибратора. Отличительным достоинством конструкции вибросита является то, что одновременно с удалением крупных включений из просеиваемого песка осуществляется вентилирование с удалением пылевидной составляющей без попадания ее в атмосферу цеха.
Отработанный воздух, отходящий от установок линии охлаждения песка, нуждается в очистке, для чего сконструирован осадитель жидкостный, показанный на рис. 5. В нем используется принцип разности кинетической энергии молекул газа и пылевидных включений в движущемся потоке. Загрязненный газовый поток через трубу 3 крышки попадает в полость корпуса 4. Дефлектор на конце трубы направляет поступающий поток на воду, залитую в донную часть 6 осадителя через систему 1 циркуляции воды. За счет разности энергий включения и пылевидная часть при повороте газового потока оседают в воде и скапливаются. Накопившийся шлам спускается через сливную трубу дна 6 осадителя. Уровень воды при заливке контролируется по контрольной трубке 5 и должен быть ниже уровня дефлектора. Захваченные потоком газа капельки воды отбиваются сетчатым с водоотражателем 2 верхним экраном и верхним дефлектором трубы крышки 3. Осажденная вода через систему водоциркуляции вновь попадает в дно. Очищенный газ через боковое отверстие в верхней части корпуса 4 отводится к следующему технологическому оборудованию: к насосу, расширителю и т.д.
Перед подачей песка на операции просеивания и охлаждения его подвергают магнитной сепарации. Магнитный сепаратор, показанный на рис. 6, предназначен для улавливания магнитных металлов из формовочного материала. Он состоит из корпуса 1 прямоугольной формы с бортами сверху и снизу. В корпусе на опорах 6 и 7 крепятся внутренние части 4 и 5. Барабан 4 через подшипники установлен в корпусе 1. Один конец барабана через муфту соединен с приводом 8, при помощи которого вращается. Внутри барабана на подшипниковых узлах установлена магнитная система 5. Между барабаном 4 и магнитной системой 5 имеется воздушный зазор. Угловое положение магнитной системы относительно стенки А корпуса 1 вращением вокруг горизонтальной оси регулируется установочным узлом 9. Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами в секторе 130-150, притягивает к поверхности вращающегося барабана металлические магнитные частицы. Перегородка 2 делит нижнюю часть корпуса на 2 канала – Б и В. В нижней части скребок 3 отделяет удерживаемые магнитным полем на барабане частицы и сбрасывает в канал В, а очищенный песок проходит через канал Б.
Конструкция опорных узлов предотвращает контакт стенки барабана с магнитной системой. Воздушный зазор S между ними и путем уменьшения теплопередачи защищает магнитную систему от перегрева при сепарировании нагретого формовочного материала и предохраняет от размагничивания, что позволяет подвергать магнитной сепарации сразу высыпанный из формы песок при высокой температуре на этапе операции выбивки формы.
Таким образом, описанное оборудование имеет ряд новых технических решений на уровне изобретений, отличается многофункциональностью с точки зрения возможности изолирования пылящих процессов от рабочей зоны цеха, монтирования в линии непрерывного действия даже вне помещения цеха, а также рекомендовано для переработки других кроме песка сыпучих материалов.
Все оборудование, поставляемое ФТИМС, сравнительно несложное в изготовлении и обслуживании, легко комплектуется в линии различной производительности и степени автоматизации, что позволяет его поставить и смонтировать при организации литейных участков в течение нескольких месяцев. Оно вместе с постоянно совершенствуемыми технологиями литейного производства, отрабатываемыми на своей опытной базе и в цехах заводов-заказчиков, представляет собой высокотехнологичный законченный инновационный продукт как значительное достижение научно-технической литейной школы ученых технологов и конструкторов, сложившейся во ФТИМС в течение последних десятилетий.
Примером одной их таких прогрессивных технологий может служить литье по газифицируемым моделям, относящейся к конкурентным отечественным технологиям и пригодным для экспортирования как интеллектуального товара в комплекте с сопутствующим оборудованием, так и для обеспечения поставок на экспорт производимых по ней высококачественных металлозаготовок при расширении внедрения этой технологии в странах СНГ. Это позволит эффективнее использовать то наше преимущество, что Россия и Украина относятся к немногочисленным странам с замкнутым металлургическим циклом производства металлов из собственных руд и могут успешно конкурировать в сфере производства наукоемкой металлопродукции на базе собственных технологий.
Рис. 1. Установка охлаждения песка в псевдоожиженном слое. Состоит из трех отсеков секторов, І - нижний воздушный, ІІ - средний охлаждающий, ІІІ – верхний сепарирующий: 1 трубопровод, 2 – затворы, 3 - трубы в виде змеевика, 4 - патрубки-грибки, 5 -"отбивная" решетка.
Фантастика ячеистых литых металлоконструкций.
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.