5
STRESZCZENIE
Analiza fazy wstępnej i właściwej cyklu roboczego
uniwersalnego regeneratora wibracyjnego REGMAS
Streszczenie
Problematyka tematyczna dysertacji obejmuje trzy obszary zagadnień naukowych, związanych z analizą procesu regeneracji mas zużytych w uniwersalnych urządzeniach wibracyjnych, reprezentowanych w badaniach przez regenerator Regmas:
I. Teorię i badania modelowe procesu regeneracji wstępnej, ze szczególnym uwzględnieniem aspektów energetycznych rozdrabniania brył masy zużytej na pojedyncze ziarna otoczone zużytym materiałem wiążącym lub aglomeraty takich ziaren, do średniej wielkości nie przekraczającej najmniejszego prześwitu oczka zestawu sit wibracyjnych urządzeń kruszących.
II. Podstawy teoretyczne i badania modelowe procesu regeneracji właściwej związanej z usuwaniem z powierzchni ziaren masy zużytej materiału wiążącego po procesie regeneracji wstępnej. Aspekty te są w pracy poddane analizie na podstawie badań modelowych realizowanych w urządzeniu wibracyjnym umożliwiającym zmianę oraz intensyfikację procesów regeneracyjnych.
III. Opracowanie podstaw do zintegrowanej oceny energetycznej procesu regeneracji mas zużytych, na którą składa się regeneracja wstępna i regeneracja właściwa zużytej osnowy.
W I obszarze tematycznym w rozprawie przedstawiono analizę stanu badań i teorii (hipotez) energetycznych, dotyczących teorii procesu rozdrabniania, które można zaaplikować do analizy regeneracji wstępnej masy zużytej. Szczególną uwagę zwrócono na modele (hipotezy) Rittingera, Bonda, Kicka, Charlesa i Brandta. Na podstawie dokonanej analizy stwierdzono, że najbardziej wskazaną do adaptacji do procesu regeneracji jest hipoteza Rittingera. Badania modelowe tej części pracy przeprowadzono z wykorzystaniem przygotowanego do tego celu stanowiska doświadczalnego składającego się z modelowego zestawu sit rozdrabniających zmontowanych w formie sita wielopokładowego składającego się z czterech rzeszot z siatką o wymiarach 400 x 400mm i prześwicie oczek licząc od góry
6
kolejno: 50 x 50mm (drut ф 4,8 mm, 22,3 x 22,3mm (drut ф 2,46), 5 x 5 mm (drut ф 1mm), 1,80 x 1,8mm (drut 0,4 mm). Zestaw sit umieszczano na stole wibracyjnym o wymiarach 500x500mm, zwanym w pracy platformą, która od spodu miała przymocowane dwa silniki rotodynamiczne o charakterystyce wibracji, która została poddana szczegółowym badaniom zaprezentowanym w pracy. Badania przeprowadzone na modelowym urządzeniu wibracyjnym, zachowującym warunki podobieństwa fizycznego, geometrycznego i procesowego do urządzenia typu Regmas, pozwoliły na jakościowe oraz ilościowe określenie czynników, od których zależy skuteczność procesu rozdrabniania brył masy zużytej oraz na wykazanie roli etapu regeneracji wstępnej w urządzeniach do regeneracji mechanicznej, wykazujących analogiczny tryb obróbki regeneracyjnej do występującego w rozwiązaniu typu Regmas. Opracowana metodyka badań fazy regeneracji wstępnej stwarza podstawy do analizy porównawczej mas zużytych różnych typów pod kątem efektywności uwalniania osnowy z otoczek zużytego materiału wiążącego oraz zapotrzebowana energii niezbędnej do realizacji tego procesu.
II obszar badań jest związany z analizą czynników pod kątem zwiększenia intensywności fazy regeneracji właściwej, realizowanej w uniwersalnych regeneratorach wibracyjnych na efekt końcowy procesu, mierzony jakością odzyskanej osnowy kwarcowej. Analizie poddano następujące elementy konstrukcyjne oraz funkcjonalne urządzenia: wymuszenie (poprzez odpowiednie ukształtowanie elementów konstrukcyjnych urządzenia) właściwej cyrkulacji regenerowanej masy zużytej wewnątrz jego przestrzeni buforowej (roboczej), w której realizowane są procesy ścierania, ocierania i kruszenia, powodujące efekt usuwania zużytego materiału wiążącego z ziaren osnowy; wprowadzenie dodatkowych elementów krusząco-ścierających w przestrzeni buforowej urządzenia, zwiększających dynamikę zjawisk decydujących o intensywności procesu w powiązaniu z odpowiednią częstotliwością zasilania rotodynamicznych silników urządzenia; stymulowanie energii wibracji i związanej z tym intensywności obróbki regeneracyjnej, poprzez odpowiednie ustawienie mas niewyważonych silników rotodynamicznych. W tym etapie badań skupiono się również na określeniu dopuszczalnych wartości parametrów umożliwiających poprawę bez degradacji samej osnowy. Dla rozpoznania tego zagadnienia przeprowadzono serię badań, w których oddziaływaniu urządzenia poddano świeży piasek kwarcowy w tych samych warunkach procesowych, jak dla fazy regeneracji właściwej masy zużytej z żywicą furfurylową. Uzyskane wyniki upoważniają do stwierdzenia, że w przypadku świeżego piasku proces polegający na przesunięciu się wielkości ziaren w stronę mniejszych wartości klas ziarnowych zachodzi bardziej intensywnie dla czystych ziaren piasku pozbawionych otoczki
7
materiału wiążącego, która dla tych oddziaływań stanowi warstwę quasiochronną. Do oceny energetycznych aspektów procesu regeneracji właściwej posłużono się w pracy badaniami składu granulometrycznego materiału przed oraz po procesie regeneracji. O ile w badaniach fazy regeneracji wstępnej korzystano z danych klasycznej analizy sitowej, to w przypadku regeneracji właściwej oraz efektu degradacji osnowy kwarcowej korzystano z laserowego aparatu do pomiaru wielkości cząstki Analysette 22NanoTec, dzięki czemu uzyskano możliwość znacznego rozszerzenia analizy wielkości pyłowych produktów realizowanej obróbki, a także ich powierzchni właściwej teoretycznej, stanowiących podstawy stosowania obliczeń według wybranych hipotez energetycznych. Uzyskanie do 512 klas ziarnowych materiału w zakresie wielkości cząstki 0,01μm-2000μm umożliwiła szczegółową ocenę wpływu parametrów regeneracji właściwej na ilość i strukturę granulometryczną pyłów powstałych z usuwanego z powierzchni ziarna zużytego materiału wiążącego, co w połączeniu z określanym wskaźnikiem kształtu pozwoliło na stymulowanie intensywności obróbki regeneracyjnej ograniczając degradację samej osnowy.
W III obszarze tematycznym przedstawiono jeden z aspektów wykorzystania przeprowadzonych badań procesowych oraz uzupełniających do stworzenia procedur obliczania zintegrowanej energergochłonności procesu regeneracji, na którą składa się faza wstępna (regeneracja wstępna) oraz faza właściwa (regeneracja właściwa). Wykazano, że uzyskane wartości obliczeń różniące się założeniami pozwalają uzyskać zbliżone wzajemnie wyniki i wnoszą ważne dla całościowej oceny stopnia uwolnienia osnowy ze zużytego materiału wiążącego, dane odnośnie do efektów wnoszonych przez regenerację wstępną oraz właściwą do ogólnego bilansu regeneracji i do energochłonności procesu.
Zaprezentowane w pracy podejście do tego zagadnienia stanowi nowość i nie znajduje odniesień w aktualnie dostępnej literaturze przedmiotu.
8
Analysis of the primary and secondary phases of the
work cycle of the universal vibratory reclaimer
REGMAS
Abstract
The subject problem of the dissertation encompasses three scientific fields related to the analysis of the reclamation process of spent moulding sands in universal vibratory devices, represented in investigations by the Regmas reclaimer.
IV. Theory and model investigations of the primary reclamation process with a special consideration of energy aspects of the spent moulding sands fragmentation into individual grains surrounded by a spent binding material, or into agglomerates of such grains, up to the average size not exceeding the smallest mesh clearance of the set of sieves of vibratory crushing devices.
V. Theoretical bases and model investigations of the secondary reclamation related to the removal from surfaces of spent moulding sand grains the binding material left after the primary reclamation process. These aspects are analysed in the dissertation on the bases of model investigations realised in the vibratory device allowing changing and intensifying of the reclamation processes.
VI. Development of bases of the integrated assessing energy aspects of the spent moulding sands reclamation process, consisting of the primary and secondary reclamations. The analysis of the research state and energy theories (hypothesis) concerning the refinement process theory, which can be applied in the analysis of the primary reclamation of spent moulding sands, is presented in the Ist scientific field of the work. Special attention was directed towards models (hypothesis) of Rittinger, Bond, Kick, Charles and Brandt. On the basis of the performed analysis it was found that the Rittinger’s hypothesis is the best suitable for the adaptation to the reclamation process. The model tests of this part of the work were carried out with using the research stand prepared specially for this aim. The stand consisted of the model set of crushing sieves mounted in a form of the multiplatform mesh consisting of four riddles with a net of dimensions 400 x 400mm and the mesh clearance, counted from the top successively: 50 x 50mm (wire ф 4.8 mm), 22.3 x 22.3mm (wire ф 2.46), 5 x 5 mm (wire ф 1mm), 1.80 x 1.8mm (wire ф 0.4 mm). This set of sieves was placed on the vibratory table of dimensions 500 x 500mm, called - in the paper - the platform, which had two rotodynamic
9
motors attached at its bottom. The vibration characteristics of these motors was subjected to accurate investigations in the work. Investigations performed in the model vibratory device, of physical, geometric and process similarity to the Regmas type device, allowed for the qualified and quantified determination of factors, from which the efficiency of fragmentation of spent moulding sands depends. They also enabled to show the role of the primary reclamation stage in devices for the mechanical reclamation of the analogical mechanical working mode as the one occurring in the Regmas type device. The developed investigation method of the primary reclamation creates bases for the comparative analysis of spent moulding sands with regard to the efficiency of the matrix releasing from coatings of spent binding material as well as with regard to the energy demand, necessary for this process realisation.
The IInd research field is related to the analysis of the influence of factors increasing the secondary reclamation intensity, realised in universal vibratory reclaimers, on the final effect of the process, assessed by the quality of the reclaimed quartz matrix. The following constructional and functional elements of the device were analysed: forcing (by shaping of construction elements) the proper circulation of the reclaimed spent moulding sand inside the work space of the device where processes of rubbing, grinding and crushing are realised to remove spent binders from matrix grains; introduction of additional crushing-grinding elements into the buffer space, increasing the dynamics of effects deciding on the process intensity in coordination with the proper frequency of the rotodynamic motors of the device; stimulation the vibration energy and related to it the intensity of the reclamation treatment, by the suitable placement of unbalanced masses of rotodynamic motors. During this research stage the attention was also directed towards determining the allowable values of parameters enabling the reclamation process improvement without the matrix degradation. To recognise this problem, the series of investigations was performed in which fresh quartz sand was subjected to the device operation under the same process conditions as for the secondary reclamation of the spent moulding sand with furfuryl resin. The obtained results entitle to state that in case of a fresh sand the process based on shifting grain sizes in the direction of lower values occurs more intensely for pure sand grains without binder coatings, which constitutes the quasiprotective layer for these influences. Investigations of the material grain size composition, before and after the reclamation process, were used for assessing the energy aspects of this process. As long as in investigations of the primary reclamation the classic sieve analysis data were used, in case of the secondary reclamation and the quartz matrix degradation effect the laser apparatus for the particle size measurement Analysette
10
22NanoTec was applied. Due to that, a significant widening of dust products analysis of the performed treatment was possible. The analysis of theoretical specific surfaces of these products, constituting the bases for calculations according to the selected energy hypothesis, was also possible. Obtaining 512 grain sizes of the material within the particle size range 0.01μm-2000 μm enabled the detailed assessing of the influence of the secondary reclamation parameters on the amount and grain size structure of dusts generated by the spent binding material removed from the grain surfaces. This information combined with the determined shape coefficient allowed to stimulate the reclamation treatment intensity, while limiting the matrix degradation.
In the IIIrd research field one of the aspects of utilising the performed investigations for the development of the calculation procedures of the reclamation process integrated energy-consuming, consisting of the preliminary phase (primary reclamation) and of the main phase (secondary reclamation). It was proved that the obtained calculation values - differing in assumptions - allow to obtain mutually similar results. They introduce - important for the complete estimation of the degree of the matrix releasing from the spent binding material - data concerning effects of the primary and secondary reclamation to the total reclamation balance and to the process energy consumption.
The presented in the hereby dissertation approach to this problem is a novelty, which has no references in the currently available subject literature.
