Оборудование и процессы приготовления песчано-

глинистых смесей*

Наиболее распространенным и традиционно применяемым в литейном производст­ве является смеситель с неподвижной чашей и катками, вращающимися вокруг гори­зонтальных осей. Эти смесители известны под названием Simpson, по названию фирмы-производителя. По центру чаши через дно проходит приводной вал, на котором разме­щена траверса. Два катка связаны с траверсой через подвеску, обеспечивающую переме­щение катков в вертикальном направлении, что необходимо при наезде катка на препят­ствие в виде комков или подъема уровня смеси в ходе перемешивания. Катки прижимают­ся к смеси пружиной или только силой тяжести. Зазор между катком и дном чаши обеспе­чивается регулятором высоты. На траверсе расположены кронштейны, удерживающие плужки, один из которых отбрасывает смесь от вертикального вала, другой - от стенки чаши, оба плужка направляют смесь под катки. Смесители используют для приготовления нормальных и высокопрочных песчано-глинистых смесей. Исходные компоненты для приготовления смеси поступают в чашу сверху, готовая формовочная смесь разгружается через люк в днище. Паспортное время цикла -120...200 с, которое подбирается в зависи­мости от частоты вращения вертикального вала. Данный тип смесителя относится к тихо­ходным аппаратам, частота вращения вертикального вала - 20...50 об/мин, причем мень­шая частота вращения соответствует большим размерам аппарата. При работе смеситель уплотняет смесь катком и разрыхляет уплотненные объемы плужком. В результате пооче­редных актов уплотнения и разрыхления происходит сближение и расхождение зерен кварцевого песка и формирование глиняных оболочек на поверхности песчинок.

Сближение песчинок может происходить и под действием плужков, однако усилие прижатия будет меньше, чем при воздействии катком. Каток оказывает также перетираю­щее воздействие на смесь из-за различия переносной и относительной скоростей его дви­жения. Ближняя к приводному валу часть катка пробуксовывает, а удаленная - про­скальзывает юзом. Относительное перемещение катка по смеси приводит к перетиранию песчинок, в результате которого также формируются оболочки.

В катковом сдвоенном смесителе - восьмерке чаша и траектория движения смеси имеют форму восьмерки. Через дно чаши проходят два вертикальных приводных вала. Вращение валов происходит в противоположные стороны. На валах установлены травер­сы, к которым через подвески прикреплены катки. Плужки смонтированы на траверсах. Прижатие катков к смеси происходит под действием их собственной массы и дополни­тельного усилия, создаваемого пружиной. Привод смесителя синхронизирован.

Свежие объемы смеси, поданные первоначально на периферию первой половины чаши, перемещаются затем в центр второй половины, а выйдя из нее, снова попадают на периферию первой. В результате многократных проходов радиус траектории движения смеси в первой половине чаши уменьшается, а во второй - увеличивается, и смесь в конце цикла перемешивания движется в центре первой половины и по периферии второй, где происходит ее разгрузка. Смесители этого типа, как правило, работают в непрерывном режиме, при этом имеют наибольшую из всех смесителей производительность. Конструк­ция этих аппаратов позволяет реализовать и периодический рабочий процесс. Настройка на различные рабочие процессы зависит от взаимного положения наружных и внутренних скребков в обеих чашах. При непрерывном рабочем процессе скребки второй половины забирают из первой больше смеси, чем возвращают ее обратно, что создает направленный поток смеси в сторону второй половины. Баланс в этом случае достигается за счет выдачи смеси из второй половины и поступления свежих компонентов в первую. При периодиче­ском режиме работы наружные скребки обеих половин забирают столько же смеси, сколь­ко ее выводят за пределы внутренние.

Стремление интенсифицировать рабочий процесс в катковом смесителе привело к увеличению частоты вращения приводного вала и замене тяжелых металлических каткой на легкие обрезиненные.

Центробежные, или маятниковые, смесители имеют цилиндрическую чашу, в цен­тре которой проходит вертикальный вал с ротором в виде диска, с размещенными на нем на кривошипах двумя или тремя катками. Оси кривошипов ориентированы вертикально, при этом катки вращаются в горизонтальной плоскости на разных уровнях и образуют за­зор с боковой поверхностью чаши. По периферии ротора расположены плужки, число ко­торых соответствует числу катков. Формовочные материалы загружаются в смеситель сверху, попадают на ротор и центробежной силой отбрасываются к периферии чаши в кольцевой зазор между ротором и боковой поверхностью чаши. Из зазора смесь под­гребается плужками и отбрасывается на боковую поверхность чаши, которая покрыта сло­ем резины. Катки и плужки установлены таким образом, чтобы при работе смесителя смесь направлялась в зазор между боковой поверхностью чаши и катком. При этом каток, прокатываясь по смеси, уплотняет ее. Таким образом, здесь, как и в катковом смесителе, рабочий процесс включает акты уплотнения и разрыхления смеси. Однако главную роль играет процесс, происходящий при торможении струи смеси о боковую поверхность чаши. Торможение смеси происходит послойно: тормозится слой, контактирующий с чашей, а удаленный от нее - продолжает движение. Скорости слоев будут тем больше, чем дальше они находятся от чаши. Таким образом, в смеси происходит относительное перемещение слоев или ее перетирание. Главенствующая роль процесса перетирания доказана. Качест­во смеси, приготовленной на смесителе со снятыми катками, не ухудшается. В центро­бежных смесителях рабочий процесс сопровождается переводом смеси в псевдоожиженное состояние, при этом увеличивается роль динамического воздействия песчинок. В рабо­чем цикле смесь не только подбрасывается плужками, но и продувается воздухом, оба эти процесса формируют псевдоожиженное состояние. Для продувки воздухом в роторе вы­полнены радиальные каналы, связанные с воздуходувкой, продувка вызывает также испа­рение влаги и охлаждение смеси и приводят к уносу мелких частичек, в том числе и ак­тивной глины, которую целесообразно использовать в виде суспензии. Цикл смесеприготовления в центробежных смесителях короче, чем в Катковых и составляет 60... 120 с. Этого времени достаточно для равномерного распределения компонентов смеси по ее объ­ему, однако оно может оказаться недостаточным для формирования оболочек смеси. Со­кращение цикла перемешивания связано с продувкой воздухом, приводящей к уносу вла­ги и высыханию смеси.

В последнее десятилетие в литейном производстве идет обновление парка смесеприготовительного оборудования. На смену Катковым смесителям, длитель­ное время успешно работавшим в литейных цехах, приходят новые смесители бескаткового, вихревого и роторного типов.

Бескатковые, или вихревые, смесители имеют цилиндрическую чашу, в центре ко­торой проходит приводной вертикальный вал. На нем установлен S-образный скребок, на конце которого выполнена наклонная пластина. В некоторых модификациях смесителей скребок имеет три искривленных части, что увеличивает число актов воздействия на смесь за один оборот приводного вала. Рабочий процесс в значительной степени зависит от частоты вращения скребка. При небольшой частоте процесс близок к катковому и со­стоит в поочередном уплотнении и разрыхлении смеси. Скребком смесь придавливается к стенке чаши и уплотняется. Около стенки чаши она подхватывается наклонной пластиной и перебрасывается через скребок, при этом смесь сваливается под углом естественного от­коса на свободное место за скребком. При вращении вала с увеличенной частотой принцип работы смесителя идентичен центробежному. Бескатковые смесители чаще применяются для приготовления стержневых смесей с

жидкими связующими, однако известны примеры чаще применяются для приготовления стержневых смесей с жидкими связующими, одна­ко известны примеры их успешного использования для песчано-глинистых смесей. Время рабочего цикла в таких аппаратах - 3...6 мин, что указывает на длительность процесса об­волакивания.

В начале 70-х гг. швейцарская фирма Georg Fisher (GF) и западногерманская Eirich начали выпускать бескатковые роторные смесители, которые имеют общие конструк­тивные черты. По сравнению с Катковыми, чаша имеет большую высоту по отношению к диаметру, опирается на подшипник и связана с приводом, обеспечивающим ее вращение. Внутри чаши на вертикальном валу размещен ротор с множеством радиально ориентиро­ванных лопастей. Ротор имеет самостоятельный привод, обеспечивающий его вращение с частотой до 1000 об/мин. На другом вертикальном валу размещены скребки и мешалки, вращающиеся с меньшей, чем ротор, частотой. Смесители указанных фирм не имеют принципиальных конструктивных отличий. В смесителе GF вращается не вся чаша, а только ее дно, что является вполне достаточным для приведения во вращение всей нахо­дящейся в ней смеси. Скребок в этом смесителе связан с неподвижной рамой и очищает только днище, стенки чаши очищаются вращающейся смесью. Время цикла в роторных смесителях - 30... 120 с. Величину его выбирают в зависимости от требований, предъяв­ляемых к приготовляемой смеси. Нижний предел времени цикла указывает на высокую интенсивность процесса перемешивания и достаточен для равномерного распределения компонентов смеси.

Объем чаши разделен на три зоны: разгона, полета и покоя. Зона разгона занимает периферийную часть ротора, в ней смесь захватывается лопастью, разгоняется, переме­щаясь по ее поверхности, и выбрасывается за пределы лопасти. В зоне полета движение частичек смеси происходит веером. В зоне покоя смесь не перемещается относительно чаши. Динамическое воздействие на смесь осуществляется в зоне разгона и при остановке смеси на границе зон полета и покоя, когда под действием инерционных сил песчинки взаимодействуют с увлажненной глиной и образуют оболочки. Оболочки оказывают большее сопротивление динамическим нагрузкам, чем статическим, и слабо уплотняются. В результате, при роторном приготовлении формируются рыхлые глинистые оболочки.

Следует учитывать, как показали исследования, что при увеличении цикла перемешивания в роторном смесителе у смеси произошло ухудшение всех параметров. Что объясняется оттиркой глинистых оболочек с зерен песка.

Удаленная с поверхности песчинок глина не наносилась обратно на зерна песка, а собиралась в виде отдельных конгломератов, которые закупоривали поры, снижая газо­проницаемость. Потеря зерном глинистой оболочки приводила к увеличению коэффици­ента внутреннего трения, что вызывало уменьшение уплотняемости и текучести.

Таким образом в смесеприготовлении происходит постепенный переход от тихо­ходных к скоростным смесителям. При этом изменяются технология смесеприготовления, свойства глиняных оболочек на зернах песка и свойства формовочной смеси.

Примечание:* Из анализа оборудования и техпроцессов смесеприготовления, выполненного М.Ю. Ершовым.