Сушка форм

Содержание.

1.Введение.

2.1. Сущность процесса  сушки.

2.2  Сушка форм

2.3  Поверхностная  подсушка форм

3.1  Расчеты. Задание

3.2 Газодинамический и  температурный режимы.

3.3 Расчет газопроницаемости  смеси в полуформе.

4. Расчет пропускной способности  полуформы.

5. Расчет мощности теплового  агрегата.

6. Список литературы

1.Введение.

Сушка - один из самых сложных, важных и энергоемких процессов. Поэтому  важно правильно выбрать режим сушки, подобрать топливо и разобраться с конструкцией агрегата для сушки. В данной работе рассматривается процесс проектирования установки для сушки полуформ при фильтрации газов через сушимое изделие. На первом этапе выбирается топливо. Затем производиться выбор газодинамического и температурного режимов. Далее для выбранного состава высушиваемой смеси рассчитывается газопроницаемость, которая оказывает решающее влияние на пропускную способность формы, что в свою очередь влияет на процесс сушки. В конечном итоге мы определяем КПД установки ,оцениваем эффективность его работы на основе результатов теплового баланса.

2.1. Сущность процесса сушки.

Современное развитие науки  и техники литейного производства страны, и в частности достижения в области разработки высококачественных формовочных смесей, позволяет значительный удельный объем производимых отливок  изготовлять в сырых формах. При  этом сокращаются затраты рабочего времени на транспортирование форм в сушило и доставку их после сушки, на обслуживание сушил; отпадает надобность в сушильных печах и экономится значительное количество топлива. Даже в самых совершенных сушильных  печах удельный расход тепла на сушку  форм в 1,5 раза выше, чем требуется  на выплавку 1 т стали.

Весь процесс изготовления отливок ускоряется, повышаются производительность труда и общий выпуск цеха, снижается  себестоимость отливок. Однако при  изготовлении крупных по массе отливок  большой высоты и сложной конфигурации с выступающими частями сырая  форма не в состоянии противостоять  влиянию большого количества заливаемого  расплава, поэтому приходится применять  сухие формы. Однако сухие формы, как следует из изложенного, неэкономичны, и в настоящее время их заменяют подсушиваемыми и химически твердеющими формами.

Основной целью сушки  является удаление влаги из форм и  стержней. Для этого необходимо обеспечить подвод тепла к высушиваемым формам или стержням от какого-нибудь источника. Действию тепла подвергаются прежде всего поверхности, из которых начинает испаряться влага и удаляться в виде паров.

По мере испарения влаги  и удаления ее с поверхностных  слоев новые порции влаги поступают  из внутренних слоев к наружным почти до полного ее испарения. Для того чтобы процесс испарения и удаления влаги происходил непрерывно, необходимо, чтобы водяные пары все время поглощались окружающей средой. В сушилах продукты горения топлива — газы — являются той средой, которая поглощает выделяющиеся водяные пары. Настанет момент, когда газы насытятся водяными парами и не смогут их больше поглощать. И поэтому необходимо, чтобы свежие порции газа все время поступали в камеру сушила, а насыщенные удалялись бы из него. Это происходит при помощи тяги дымовой трубы или дымососа, устанавливаемыми на сушиле. Благодаря тяге горячие газы омывают со всех сторон загруженные в сушило формы и стержни и отдают им большое количество тепла. Влага испаряется, и водяные пары вместе с газами принудительно удаляются из ночи. На место ушедших поступают новые порции газа из топки, и процесс испарения непрерывно продолжается. Чтобы облегчить и ускорить процесс сушки, полуформы устанавливают па чугунные кирпичи — подкладки, а в стенках опок выполняют круглые или овальные отверстия. В неблагоприятных условиях находится низ стержней, лежащий на сушильной плите, поэтому для равномерной сушки в плитах выполняют отверстия.

При загрузке, форм и стержней в сушило следует соблюдать однообразие  смесей, из которых изготовлены формы  и стержни. Наряду с этим рекомендуется подбирать для загрузки в сушило однородные по размерам опоки и стержни. При разнообразии размеров форм и стержней их следует располагать на выкатной тележке сушила таким образом, чтобы наиболее крупные располагались в местах, где циркулируют более горячие газы.

2.2 Сушка форм

При формообразовании средних  и крупных отливок основным связующим  в смеси является глина. При добавлении в смесь воды глина благодаря  связующей способности придает  необходимую прочность сырой  форме. В процессе сушки после  испарения влаги получаются прочные  формы, в которых отдельные зерна  песка скреплены между собой  высохшей глиной. Одновременно с повышением прочности возрастает газопроницаемость  вследствие образования пор после  удаления влаги и усадки глины.

В некоторые песчано-глинистые смеси для повышения газопроницаемости вводят органические вещества — древесные опилки, торф и др. Во время сушки из них испаряется влага и удаляются летучие вещества, в результате чего газопроницаемость также повышается.

Первичную сушку форм для  отливок из сплавов цветных металлов производят при температуре 350—375°С, а подсушку после ремонта — при температуре 180—200 °С в течение 60— 75 мин.

2.3  Поверхностная подсушка форм

Разработка быстросохнущих смесей, в состав которых вводят связующее марки СП или СБ, дала возможность не только сократить продолжительность цикла сушки средних и крупных форм, но и позволила в ряде случаев отказаться от применения камерных сушил. Формы, изготовленные из быстросохнущих смесей, не нуждаются в сквозной просушке — достаточно просушить лишь облицовочный слой смеси, нанесенный на модель.

Поверхностную подсушку форм осуществляют инфракрасными лучами. Для выполнения этого процесса применяют  инфракрасные лампы мощностью 250—500 Вт. Лампы представляют собой стеклянную колбу, имеющую параболическую форму, внутренняя поверхность которой  покрыта тонким слоем серебра  и служит отражателем. В фокусе зеркала  помещена вольфрамовая нить, температура  накала которой составляет 2200°С. Средняя температура обогрева поверхности форм при этом способе подсушки составляет 120 -170 °С, ее регулируют расстоянием между лампами, поверхностью формы и числом ламп. Подсушка слоя формовочной смеси на глубину 15—20 мм происходит за 40—50 мин. Для сушки больших форм и стержней лампы монтируют в переносных рамах, выполненных в виде деревянной решетки, на которой смонтированы патроны типа «Голиаф».

При изготовлении форм с  применением быстросохнущих смесей и поверхностной подсушкой следует  придерживаться следующих положений: облицовочную смесь необходимо наносить равномерным слоем и уплотнять; вентиляционные каналы выполнять в  шахматном порядке душником диаметром 5-7 мм шесть — восемь наколов на 100 см² площади формы; перед сушкой поверхность формы покрывать противопригарной краской; мелкие формы после сборки могут простаивать до заливки не более 6 ч, средние - до 8 ч и крупные - до 12 ч.

Для поверхностной подсушки форм применяют переносные сушила, работающие на твердом или газообразном топливе. К существенным недостаткам  переносных сушил, работающих на твердом  топливе, относится выделение в  атмосферу цеха значительного количества дымовых газов. Наиболее рациональным видом топлива для переносных печей является природный газ. При этом возможно уменьшить габаритные размеры установки и упростить обслуживание печи.

 Схема сушила, работающего  на газообразном топливе, приведена  на (Рис. 2.3).

На коробе распределительной  камеры 6 смонтирован газовый смеситель 5, в котором расположена топка 1. Горючие газы поступают в горелку 3 по гибкому шлангу 4, а воздух нагнетается  в топку вентилятором 9 по трубопроводу через сопло 2. Сжигание газовой смеси  происходит в топке, и горячие  газы через смеситель поступают  в распределительную камеру и  из нее в полость формы 8. Охлажденные  газы выходят из формы через зазоры между опокой и распределительной  камерой.  Температура газов в  камере определяется термопарой 7.

Рис. 2.3.1 Переносное сушило, работающее на газообразном топливе.

Для просушки полуформ применяются установки для сушки с фильтрацией газов через сушимое изделие. Пример агрегата такого типа приведен на (Рис. 2.3.2).

Рис. 2.3.4  «Установка для  сушки полуформ при фильтрации газов»

Высушиваемая полуформа подается в опоке на выкатную тележку 3,которая по рельсовым путям 2 подкатывается под рабочую камеру 1. Рабочая камера 1 перемещается по направляющим колоннам 4 механизмом 15. По гибкому рукаву 5 из цехового газопровода на скоростные горелки 7 подают природный газ. Воздух для горения газа подают при помощи вентилятора высокого давления 11 через разделительный короб 12 и гибкие рукава 13 в разделительный коллектор. Сушильный агент нагнетается в рабочую камеру, где из-за разности давлений приходит через сушимое изделие, затем отсасываясь через окна платформы 6 через дымоотводящий трубопровод 8 в боров. При этом сушильный агент фильтруется через полуформу, обеспечивая объемную сушку.

Преимуществом установок  с фильтрацией газов через  высушиваемые изделия является их высокая  производительность, высокое качество сушки и возможность сушить изделия  различных конфигураций и размеров. И в отличии от обычных сушильных печей данный тип установок имеет более компактные габариты.

3.1 Расчеты. Задание:

Рассчитать основные параметры  установки для сушки полуформ в газовом потоке, фильтрующегося через смесь за счет перепада давления между верхней рабочей и нижней нерабочей поверхностями полуформы: перепад давления; мощность теплового источника; производительность системы, создающей разряжение.

Исходные данные:

1. Сушка производится продуктами сгорания природного газа с теплотой сгорания Q_H^P= 33500 Кдж/м³.
2. Размер высушиваемой полуформы 1600*1200*500 мм; полуформа  двухслойная, т.е. изготовлена с применением облицовочной смеси.
3. В качестве облицовочной смеси используется пластичная формовочная смесь с жидким стеклом.

Свойства смеси:

(W_обл.1)=4% - исходная влажность;

(g_см) = 160 (см⁴/(г*мин))- газопроницаемость смеси, уплотненной стандартным методом;

(ρ_ж)=1,5 г/см³ – объемная масса стандартного образца.

4. Толщина облицовочного слоя смеси (h₁)= 40 мм.
5. В качестве наполнительной применяется песчано-глинястая смесь.

Свойства смеси:

(W_нап.1)= 7% - исходная влажность;

(g_см) = 20 (см⁴/(г*мин))- газопроницаемость смеси, уплотненной стандартным методом;

(ρ_ж)=1,6 г/см³ – объемная масса стандартного образца.

6. Требуемая толщина сухого слоя (h_сух) = 40 мм, т.е. на толщину облицовочного слоя.
7. Сушка полуформ осуществляется на поточной линии с производительностью 18 песчаных форм (36 полуформ ) в час.
8. Полуформы изготавливаются на встряхивающей формовочной машине.

3.1.2Расчет топлива не производим, пользуемся уже известными характеристиками топлива.

3.2 Газодинамический  и температурный режимы.

Расчет газодинамического  режима сводится к определению количества воздуха при разбавлении воздуха  при разбавлении продуктов горения  от температуры (t_ф) да температуры (t₁) с учетом потерь теплоты в камере нагнетания, где сжигается природный газ (η_пир = 0,85).

Количество воздуха с  температурой (t_в) =20 ⁰С, необходимое для разбавления продуктов горения, при кДж/ по формуле (3.2.1) составит:

3.3 Расчет газопроницаемости  смеси в полуформе.

В общем случае газопроницаемость  многослойного образца рассчитывается по уравнению (3.3.1).

 
                                                                                                                                            (3.3.1)

где g_i и h_{i –} Газопроницаемость и толщина отдельного слоя

Газопроницаемость смеси  в готовой форме будет зависеть от степени уплотнения смеси, которая  определяется способом уплотнения смеси  и характеристиками формообразующего агрегата и зависит так же от свойств  и состава смеси.

Известно, что при уплотнении на встряхивающих машинах объемная масса пластичной жидко-стекольной смеси составляет (ρ_сжс)=1,5 г/см³, а наполнительной смеси (ρ_н.см)=1,6 г/см³ . Следовательно что для расчета общей газопроницаемости уплотненной смеси в опоке необходимо внести  поправки в значения газопроницаемости смеси, полученной при стандартном уплотнении. Газопроницаемость смеси в зависимости от пористости определим по формуле:

                                                                                                                        (3.3.2)

Используя уравнение, по значениям  газопроницаемости, пористости стандартных  образцов и значениям пористости уплотненных смесей можно рассчитать газопроницаемость жидко-стекольной и наполнительной смесей из соотношения:

где

Пористость уплотненной  жидко-стекольной и песчано-глинистой  смесей:

Пористость песчано-глинистой  смеси при стандартном уплотнении и уплотнении на встряхивающей машине будет соответственно:

Газопроницаемость уплотненной  жидко-стекольной и песчано-глинистой  смесей, (см⁴/(г*мин)):

Учитывая, что параметры  процесса должны быть рассчитаны на наиболее неблагоприятные условия, принимаем, что опока полностью заполнена  смесью и длина пути фильтрации (L) составляет 500 мм.

Рассчитаем газопроницаемость  смеси двухслойной формы подставив значения толщин и газопроницаемости облицовочной и наполнительной смесей в формулу (3.3.8).

Полученное значение характеризует аэродинамическое свойства смеси при фильтрации воздуха с температурой 20 ⁰С.

Изменение температуры потока газа, фильтрующегося через смесь  в процессе сушки, сопровождается изменением газопроницаемости смеси в форме, которую можно рассчитать по формуле (3.3.9).

где К – проницаемость смеси, зависящая только от ее строения; - динамическая вязкость продуктов горения природного газа с учетом разбавления воздухом и их температуры.

Динамическая вязкость смеси  газов рассчитывается по уравнению  аддитивного сложения:

где  - массовая доля составляющих газа. Состав продуктов горения приведен в (Таблице 3.1)

Состав продуктов горения.                                       (Таблица 3.1)

Значения  динамической вязкости воздуха и продуктов горения  газообразного топлива µ, г/(см*с),в зависимости от температуры приведены в (Таблице 3.2).

  Динамическая вязкость, г/см*с.                                    (Таблица 3.2)

Рассчитаем среднюю динамическую вязкость продуктов горения топлива, фильтрующихся через смесь в  конце сушки, приняв температуру  сушки 350 ⁰С. Тогда средняя температура газа в сухом слое составит:

В сыром слое смеси:

Вначале определим динамическую вязкость продуктов горения природного газа, исходя из состава и значений µ_г.

С учетом степени разбавления  продуктов горения воздухом и  коэффициента пересчета объемного  соотношения в весовые (0,95) получим:

Значение равнозначной динамической  вязкости для всего слоя смеси  получим из формулы (3.3.16):

По значениям газопроницаемости  смеси при комнатной температуре  и динамической вязкости воздуха (µ₀= 1,82 г/см*с) находим газопроницаемость формы:

4. Расчет пропускной  способности полуформы.

Точный расчет пропускной способности реальных полуформ при сушке представляет очень сложную задачу, так как движение газа за счет перепада  давления носит двух- и трехмерный характер и в процессе сушки постоянно изменяется температура газового потока в смеси.

С достаточным приближением количества газа, проходящего в единицу  времени через полуформу в зависимости от газопроницаемости смеси и характеристики полуформы, можно рассчитать по уравнению изотермической фильтрации газа через недеформированную пористую среду:

где F и L - площадь сечения  и длина пути фильтрации; М_г и R – молекулярная масса и универсальная газовая постоянная; Т_г  и ρ_г  -  температура и плотность газа; P₁ и Р₂ – давление со стороны рабочей и не рабочей поверхностей полуформы, создаваемое за счет разряжения со стороны рабочей и за счет  избыточного давления со стороны рабочей поверхности полуформы.

Формулу (4.1.1) одномерной изотермической фильтрации газа с учетом размерности  газопроницаемости, можно преобразовать  в уравнение Дарси (4.1.2):

Где V_{1 –} объем газа, см³, проходящего через слой смеси за 1 минуту, приведенный к среднему давлению газа, г/см², в смеси .Подставив в уравнение g_ф , F и L, см³/мин

В (табл.4.1) приводятся расчетные  данные по объему газа, фильтрующегося через смесь при создании перепада давления по двум вариантам: за счет разряжения и за счет избыточного давления.

(Таблица 4.1)

Продолжительность сушки  до требуемой толщины сухого слоя определяем из уравнения теплового  баланса. Объем газа, приведенный к атмосферному давлению (V_д), рассчитывали по уравнению PV=const.

Приход теплоты:

где  τ-  продолжительность сушки.

Расход теплоты на нагрев и сушку смеси:

где  -тепло, затраченное на нагрев связующего до 100 и испарения влаги.

где - масса высушиваемой смеси; - массовая доля влаги в смеси; -теплоемкость воды – 4,19 кДж/(кг*К); - скрытая теплота парообразования – 2675 кДж/кг; =100-20=80 .

где - теплота затраченная на нагрев высушиваемого слоя смеси до средней температуры (t_ср); – теплоемкость сухой смеси, 0,93 кДж/(кг*К); =225-20 = 205.

Потери теплоты с газами, покинувшими форму:

где _{= 160 кДж/м}³.

По экспериментальным  данным можно принять t₂ =100. Подставим в уравнение (4.1.9) значения параметров  и найдем продолжительность сушки при создании разряжения P_{2 =} 0,8 кг/см²:

 Расчетные значения по продолжительности сушки для других значений разряжения и избыточного давления приведены в (Таблице 4.1). Там же приводятся агрегаты для создания перепадов давления. Цикл работы линии, исходя из требуемой производительности, составляет  2-4 минуты. Следовательно, при использовании воздуходувок (типа ВР 126) создающих разряжение до 50 кПа, достаточно одного устройства.

Пропускная способность  полуформы при таком разряжении составит приблизительно 2200 м³/ч.

Максимальная производительность воздуходувки типа ВР 126 составляет 92 м³/мин. Для обеспечения требуемой производительности формовочной линии требуется размещение двух установок для сушки. Исходя из пропускной способности полуформ и производительности выбранного типа воздуходувок, один агрегата для создания разряжения может работать на две установки для сушки. При случае, когда на линии не могут быть смонтированы две установки для сушки, возможен вариант и с однопозиционной сушкой.

5. Расчет мощности  теплового агрегата.

Количество газов, проходящих через смесь при использовании  воздуходувок, составляет 2200 м³/ч. Производительность газовой горелки для каждой установки сушки может быть рассчитана по формуле:

Расход природного газа на сушку одной полуформы (В₁) составляет:

Коэффициент полезного действия агрегата:

Таким образом, определены следующие  параметры для двух установок  сушки форм на поточной линии: температура  сушки 350 , перепад давления 0,2 кг/см² создается за счет воздуходувки, производительность газовой горелки на каждой установке -. Две установки обеспечат за 2,8 минуты просушку формы на 40мм.

6. Список литературы.