Öntödei homok mechanikai regenerálása golyósmalomban Szakdolgozat

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Öntödei homok mechanikai regenerálása golyósmalomban Szakdolgozat Ujházi László Környezettechnikai szakirány Dr.Gombkötő Imre Egyetemi docens Rácz Ádám Tudományos segédmunkatárs Miskolc, 2013

2 Eredetiségi Nyilatkozat "Ujházi László, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet / szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalom jegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc,

3 TARTALOMJEGYZÉK MAGYAR ÉS IDEGEN NYELVŰ ÖSSZEFOGLALÓ BEVEZETÉS SZAKIRODALMI ALAPOK ÖNTÉSES HOMOKFORMÁZÁS Műgyanta kötésű homokformázás REGENERÁLÁS REGENERÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK Száraz mechanikai regenerálás Termikus regenerálás Mechanikus-termikus regenerálás A REGENERÁLÁS HATÁSFOKÁT MINŐSÍTŐ TÉNYEZŐK ANYAGOK ALAKVÁLTOZÁSI ÉS TÖRÉSI VISELKEDÉS GOLYÓSMALMOK ELŐZETES MÉRÉSEK ELŐZETES MÉRÉSEK KIÉRTÉKELÉSE ELŐZETES MÉRÉSEK ÖSSZEFOGLALÁSA ÖNTÖDEI HOMOK REGENERÁLÁSÁNAK MECHANIKAI VIZSGÁLATA CÉLKITŰZÉS VIZSGÁLATI ANYAGOK ÉS ELŐKÉSZÍTÉSÜK A VIZSGÁLATI ANYAGOK TERMIKUS REGENERÁLÁSA SZÁRAZ MECHANIKAI REGENERÁLS GOLYÓSMALOMBAN MIKROSZKÓPOS VIZSGÁLAT GOLYÓSMALMI REGENERÁLÁS UTÁN ÖSSZEFOGLALÁS KÖSZÖNETNYÍLVÁNÍTÁS IRODALOMJEGYZÉK MELLÉKLETEK

4 MAGYAR ÉS IDEGEN NYELVŰ ÖSSZEFOGLALÓ Öntödei homok mechanikai regenerálása golyósmalomban Foundry sand s mechanical regeneration in ball mill Az öntészet egy olyan technológia, mely a megolvasztott fémeknek vagy ezek öntvényeinek formák segítségével való alakítását tárgyalja. Öntéssel változatos és bonyolult alakú fémtermékek állíthatók elő. Regenerálás alatt olyan technológia értendő, mely során az öntést és az ürítést követően a használt homokon lévő kötőanyagot és szennyeződéseket mechanikai-termikus eljárások segítségével újrafelhasználhatóvá alakul. Célja, hogy a regenerált homok minősége hasonló legyen az újhomokéhoz képest, így a formázóanyag rendszer számára alapanyag lehet. Munkám során öntéses homokformázásból felhasznált mintákat regeneráltam. Ez a homok kötőanyagként műgyantát tartalmazott, abból a célból, hogy a homokforma szilárdságát fokozza. Ebben az esetben 2 százalék műgyantát adnak a homokhoz, a keményítést melegítéssel, vagy vegyi módszerekkel érik el. A műgyanta teljesen befedi az egyes homokszemcséket, ezért további felhasználásra nem javasolt, tisztításra szorul. A homokforma nagy szemcsemérettel rendelkezik (homokforma teljes méretével) ezért aprításra került, utána koptatással tisztítottam a szemcsékről a műgyantát golyósmalomban. Ezután a regenerálás hatásfokát hőkezeléssel és mikroszkópi felvételek elemzésével határoztam meg. The Foundry is a technology which discussed a molten metal or through the conversion of castings to forms. Varied and complex-shaped metal casting products can be produced. During regeneration technology as understood, which in the used sand binder and impurities develop reusable with using mechanical and thermal processes after the casting and the excretion. The target is that the regenerated sand s quality be similar compared to the new sand, so it can be a raw material for the forming system. In my work, mechanical regeneration was carried out on contaminated sand samples from sand molding. This sand contained polyester resin as a binder in order to increases the strength of the sand molds. In this case, two percent polyester resin added to the sand, the curing reached by heating or chemical methods. The polyester resin 4

5 completely covers the individual grains of sand, it is not recommended for further use, needs cleaning. The sand mold has large grain size (sand mold full size) larger then the grain itself so first it was comminuted and then cleaned with abrasion from the resin in a ball mill. The rate of regeneration was determined with heat treatment and optical microscopy. 5

6 1. BEVEZETÉS Az öntészetben a formák kialakítására műgyantával bevont kvarc szemcséket alkalmaznak, melyeket az öntési folyamat után termikus úton regenerálnak. Szakdolgozatom témája egy valós ipari problémát mutat be, az öntészetben használt formázóhomok mechanikai úton történő regenerálásának lehetőségét. Dolgozatomban ismertetem a fémöntési, formakészítési eljárásokat, azon belül is részletesen a műgyantakötésű homokformázást és bemutatom az egyes regenerálási technológiákat. Az öntéses homokformázás során a termékeket nyers homokból állítják elő és szilárdságát a hozzáadott kötőanyag adja. A homokot az öntés után újrahasznosíthatóvá alakítják, regenerálják és néhány öntési ciklusban újrajáratják. Ezáltal a cégek jelentős megtakarítást tudnak véghezvinni, nem kell új homokot rendelniük, továbbá a használt homokot nem kell deponálniuk. A regenerálás rendszerint két lépcsőben zajlik le, mechanikai majd termikus úton. Dolgozatom célja, hogy megvizsgáljam egy olyan technológia lehetőségét, melynél a regenerálást egy lépcsőben, mechanika úton, golyósmalomban tudják végrehajtani, ezzel is hatékonyabbá téve a regenerálási folyamatot. 2. SZAKIRODALMI ALAPOK 2.1. ÖNTÉSZET A következőekben munkámhoz kapcsolódó regenerálási ismereteket, törésmechanikai alapokat és a malmok típusait és üzemmódjait ismertetem szakirodalom segítségével a technika mai álláspontja szerint. Az öntészet egy olyan technológia, mely a megolvasztott fémeknek vagy ezek öntvényeinek formák segítségével való alakítását tárgyalja. Öntéssel változatos és bonyolult alakú fémtermékek állíthatók elő. Tipikus öntött alkatrészek napjainkban a gépjármű motorok fő részei (motorblokk, főtengely, vezértengely, henger, dugattyú), a vasúti kerekek, a víz-, és gázszelepek, a szivattyúházak, a szivattyú járókerekek. De öntészettel készülnek a repülőgépek gázturbina-házai és a gázturbinák lapátjai is. A különböző öntészeti technológiák nagymértékben eltérnek egymástól a gyártási költségek, a termelékenység, az önthető munkadarab súlya, mérete, pontossága, az öntvény felületi minősége, az adott eljárással elkészíthető minimális falvastagság, és az elkészített öntvény 6

7 megmunkálhatósága szempontjából. Az alkatrészek megfelelő formájának kialakítása érdekében elkészítenek egy olyan üreget, ami a munkadarab negatívját tartalmazza (ezt formának nevezik), az üregbe megolvasztott fémet öntenek, majd hagyják megdermedni. A fémöntés és a formakészítés technológiája szerint a következő eljárásokat különböztetjük meg: öntés homokformázással precíziós öntés keramikus formázás kokillaöntés 2.2. ÖNTÉSES HOMOKFORMÁZÁS Az Öntészeti kézikönyv jó összefoglalást ad a homokformázás rendszeréről, amelynek megfelelően az alábbiak állapíthatóak meg. A homokformázás a legrégibb, de még ma is a legszélesebb körben használt öntészeti technológia. Különböző változatai elsősorban a homok kötésére használt módszerekben és anyagokban térnek el egymástól. A forma és a mag elkészítési módja a formázóanyag tulajdonságaitól függően változik. A formázóanyag helyes megválasztása nagymértében befolyásolja az öntvény méretpontosságát, felületi simaságát, jelentős hatása van a termelés mennyiségére és gazdaságosságára. A tisztítás munkaigénye is leginkább a formázóanyagoktól függ. 1. ábra Homokforma részei [1] 7

8 Az öntészet gyors fejlődése nagy követelményeket támaszt a formázóanyagokkal szemben. Az egyre fokozódó gépesítés állandó minőségű homokot követel. A kötőanyagok vonalán a fejlődés a gyors keményedést és a pontos öntvénygyártást biztosító, kevéssé hőtáguló kötőanyagok létrejöttében jelentkezett. Ilyenek a hidegen szilárduló kötőanyagok, amelyek rövid ideig tartó kezelés után, vagy katalizátorok adagolásával, minden kezelés nélkül keményednek. A formák, magok elkészítéséhez szükséges formázóanyag-keverékek alapanyaga a homok. A homok azáltal lesz formázható, hogy szemcséit általában vizes kötőanyag ragasztja össze. A homokszemcsék közé az öntendő fémtől függően, gázképző anyagot kell juttatni. Az elkészített forma vagy mag, a folyékony fém termikus igénybevételétől függően bevonatot igényel. Ezek alapján a formázóhomok elkészítéséhez a következő anyagok szükségesek: homok, töltőanyag, kötőanyag, bevonó anyag. A mosott, osztályozott homokhoz, de a természetes állapotban felhasználásra kerülő homokokhoz is, a homokelőkészítés során kötőanyagokat kevernek, hogy a megfelelő öntészeti tulajdonságokat biztosítsák. A kötőanyagok képlékenységét, szilárdságot stb. adnak az egyébként formázásra alkalmatlan homoknak [2] Műgyanta kötésű homokformázás A homokhoz kb. 2 % műgyantát kevernek, majd a kötést hevítéssel vagy vegyi hatásokkal (gyorsítók) érik el. A gépesített formázási eljárásoknál mind a homok keverése, mind a formaszekrény mozgatása gépesített. Három különböző műgyanta típus használatos széles körben a homokformázáshoz: Furángyanták: furfurolalkohol és foszforsav keverésével állítják elő őket. A növekvő foszforsav tartalom csökkenti a kötési hőmérsékletet ( C-ról szobahőmérsékletig). A szobahőmérsékleten kötő furángyantákat közvetlenül a formázás előtt keverik a formahomokhoz. Ezzel elkerülik a keverék formaszekrényen kívül történő megkötését. Fenolgyanták: aktiválóként policianátot, katalizátorként (vagy gyorsítóként) trietilamint használnak a fenolgyantás homokformázásnál. Ezek hatására a forma néhány másodperc alatt megköt. Ez az u.n. COLD BOX eljárás. A katalizátort pillanatkeverővel, közvetlenül a homokkeverék formába adagolása előtt keverik a homokhoz. Karbamidgyanták: ammóniumsókkal keverve használatosak. A homokkeverék hőre köt, így több perces kemencében hevítés követi a formázást. Fémmintával használatosak. A kötést kellemetlen szag kíséri. Ez az u.n. HOT BOX eljárás. 8

9 Műgyanta-kötésű homokot használnak a legtöbb gépesített magkészítő eljárásnál is, a magfúvó illetve a maglövő gépekhez. Ezek a gépek fluidizált állapotú műgyantás homokkeveréket juttatnak egy fém magszekrénybe és a keveréket hővel vagy vegyi úton megkötik. Egyidejűleg rendszerint több magot is készítenek. Magas szinten gépesített, automatizált berendezések. A sorozatgyártás napjainkban főleg ilyen magkészítéssel folyik [3] REGENERÁLÁS Az Európai Unió környezetvédelmi irányelvei hatására, az üzemeknek hulladékszegény technológiát fejlesztettek ki, így a gyártás során keletkező hulladék minél nagyobb arányban újrahasznosítsák. Az öntödék így nagy mennyiségben az öntés során keletkezett szennyezett, kötőanyagot tartalmazó homokot regenerálják és ciklikusan körbejáratják az öntödei körfolyamatban. Az öntödék számára előnyös az újrafelhasználás, mivel az újhomok világpiaci ára növekedett az elmúlt években, továbbá csökken a depóniára küldött homok mennyisége, ami minden üzem legfontosabb alapelve. Regenerálás alatt olyan technológia értendő, mely során az öntést és az ürítést követően a használt homokon lévő kötőanyagot és szennyeződéseket mechanikai-termikus eljárások segítségével újrafelhasználhatóvá alakul. Célja, hogy a regenerált homok minősége hasonló legyen az újhomokéhoz képest, így a formázóanyag rendszer számára alapanyag lehet. A regenerálás hatékonysága befolyásolja, a homokszemcséken maradandó kötőanyag-tartalom, ami az öntvény felületi minőségénél játszik szerepet. Ha kis hatékonyságú a homok regenerálása, akkor a szemcséken maradványok maradhatnak, amik rontják az öntvény felületi minőségét, továbbá forma és mag tulajdonságait hátrányosan befolyásolják. A regenerálás szempontjából megkülönböztetünk mono- és keverékrendszereket. A mono rendszer esetében azonos minőségű homokot, míg a keverékben eltérő típusú formázó és maghomokot használnak. Détári Anikó Ph.D. értekezése alapján soroltam be homokregenerálási technológiákat és jellemeztem hatásfokot meghatározó tényezőket [4]. 9

10 2.4. REGENERÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK A formázó és a maghomok keverékek tisztítására az alábbi technológiákat fejlesztettek ki: - Termikus regenerálás - Egylépcsős, száraz eljárás - mechanikus eljárás: törő, daraboló, őrlő, dörzsölő, koptató - pneumatikus eljárás: ütközéses, dörzsöléses - Többlépcsős, termikus-mechanikus eljárás - Nedves úton történő eljárás A mechanikus, pneumatikus és termikus eljárások főként műgyantakötésű homokok regenerálására használhatók, míg a többlépcsős eljárásokat (mechanikus-termikus) leginkább olyan öntödékben használják, ahol nyersformázást alkalmaznak, és műgyantakötésű magokat készítenek. A nedves úton történő regenerálás nem terjedt el nagy vízigénye miatt Száraz mechanikai regenerálás A száraz eljárások mechanikus ütközéssel, koptatással vagy légáramban bontják meg a homokszemcsék felületén lévő erősen tapadó kötőanyaghártyákat. Ez az ütköztetés működhet egyen és ellenáramú rendszerként működhet. A száraz, mechanikus eljárásoknál koptató-őrlő és ütközőlapoknak ütköztető (törő, daraboló) kivitelű gépeket alakítottak ki. Előnyei: - kisebb beruházási költség - a berendezés kihasználhatósága jobb, gazdaságosabb mivel kevesebb a használt homok mennyisége - rugalmas üzemű - a maradékanyag csak részben újrahasznosítható por Hátrányai: - A maradékanyag szervesanyag-tartalomban dúsult (tárolhatósági problémák, semlegesítő eljárás szükséges) 10

11 - Kisebb regenerátum kihozatal, rosszabb regenerátum minőség, nagyobb arányú újhomok felhasználás szükséges a magkészítéshez [5] Termikus regenerálás A termikus regenerálás során a használt homokot különféle típusú izzító kemencékben ºC-ra hevítik. Az izzítás hatására az éghető kötőanyagfilmek leégnek a homokszemcse felületéről és füst, hamu, illetve por formájában az égetés alatt, valamint az azt követő légszérezés és hűtés során, megfelelő porelszívó- és ülepítőrendszerekkel eltávolíthatók a homokból [6]. Előnyei: - jobb minőségű és nagyobb regenerátum kihozatal - a maradékanyag semleges Hátrányai: - nagy beruházási és üzemeltetési költség 2. ábra Termikus homokregeneráló [7] 3. ábra Izzító kemence [8] Mechanikus-termikus regenerálás Az egylépcsős eljárások előnyeinek kihasználására három lépcsős technológiát dolgoztak ki. A legelterjedtebb eljárás lett a termikus-mechanikus regenerálás. A kiinduló anyagok és a felhasználni kívánt regenerátum céljainak ismeretében a különböző eljárásokat megfelelően párosították [6]. 11

12 Előnyei: - nagyobb a regenerátum kihozatal és jobb a minősége - a maradékanyag semleges (deponálhatóság) Hátrányai: - nagyobb beruházási költségek, magas üzemi költségek - folyamatos üzem, kevés beavatkozási, változtatási lehetőséggel - több maradékanyag keletkezik (por), ami nem értékesíthető - nagyobb regenerálási költségek [5] 2.5. A REGENERÁLÁS HATÁSFOKÁT MINŐSÍTŐ TÉNYEZŐK A regenerátum minőségét a regenerálási fokkal jellemezhetjük: ahol a β r a regenerálási fok (minőségi mutató) (1.1.) (1.2.) β r az összes regenerálási fok, egyszeri körfolyamatnál %-ban kifejezve P A a használt homok izzítási vesztesége [%] β r P E izzítási veszteség a regenerátumban [%] β r-a kiégés az öntési hőmérsékleten β r-r károsanyag lebomlás regeneráláskor (1.3.) A: kihozatal (mennyiségi mutató) M 1 : regenerátum mennyisége [kg] M 2 : használt homok mennyisége [kg] Az a gyanta és katalizátor mennyiség, amit a regenerálás során nem tudunk eltávolítani, öntvényhibák kialakulásához vezethet, ráégés, eresség, gázhólyagosság és penetráció aminek okozója a nem megfelelően regenerált formázókeverék. Ezeket a 12

13 hibákat megfelelő formázóanyag összetétel biztosításával lehet kiküszöbölni, és folyamatos minőségellenőrzéssel (nitrogéntartalom, foszfortartalom, izzítási veszteség, granulometria, ph érték) kell kontrollálni [9]. A formázókeverékben lévő kötőanyag maradékok aránya a regenerátumhoz adott újhomok mennyiségétől és az összregenerálási foktól függ. Minél kisebb a regenerálási fok, annál több újhomokot kell a rendszerhez adagolni. A kötőanyag maradékok mennyisége a homokrendszerhez adagolt kötőanyag mennyiségétől és minőségétől függ. A kötőanyag maradékok jelentősen befolyásolják a szilárdsági tulajdonságokat is. A formázóanyag növekvő kén-, nitrogén- és foszfortartalma mellett a szakítószilárdság jelentős mértékben csökken [10]. Az öntvény minőségére kihat a formázókeverék tulajdonsága, amit a regenerálás hatékonysága és regenerálási fok határozza meg. A regenerálási fok a mechanikai eljárásoknál a legkisebb, ezt követi mechanikus-pneumatikus és a termikus eljárás és a legnagyobb a hatásfoka a nedves eljárásnak és a kombinált eljárásnak [6] ANYAGOK ALAKVÁLTOZÁSI ÉS TÖRÉSI VISELKEDÉS A szilárd testeket önálló térfogat és alak jellemzi, ezek megváltozásával szemben ellenállást fejtenek ki. Tehát ha alak vagy térfogatváltozást szeretnénk végrehajtani rajtuk, akkor erőt kell kifejtenünk, azaz munkát kell végeznünk. Az aprítógépekben fellépő erőhatásokat 3 fő csoportba sorolhatjuk: 1) két szilárd felület közötti, 2) egy szilárd felületen és 3) szilárd felülettel való érintkezés nélkül. Az egyes esetekben az igénybevételek a következők lehetnek: 1) nyomás, ütés, nyírás, vágás, dörzsölés, 2) ütközés, 3) szemcse valamely közegben való mozgása létesíti az igénybevételt, vagy az ultrahang, hő. Két felület közötti törésnél a kemény szemcsék a törőfelületekbe benyomódnak. E benyomódás relatív mélysége, a szemnagyság csökkenésével nő. Bizonyos szemnagyság alatt a szemcse teljesen beágyazódik a két felületbe, ekkor a közölt energia nagy része a törőfelületek plasztikus deformációjára fordítódik. Ha sok finom szemcse (< 5 μm) van jelen, ezek a felületekhez tapadva több réteg vastagságú bevonatot képezhetnek. Ebben az 13

14 esetben a szemcsék igénybevételét az e rétegen át közölt erőhatások határozzák meg. Az energia jelentős része súrlódási hőként jelentkezik [11]. A szilárd testek alakja terheléskor (igénybevétel hatására) megváltozik, de az alakváltozással szemben ellenállást fejtenek ki. A terhelés és az alakváltozás kapcsolatát σ- ε fajlagos terhelés relatív alakváltozási diagram szemlélteti. E szerint a szilárd anyagok alakváltozási viselkedésük alapján lehetnek lineárisan és nem lineárisan rugalmasak, rugalmas-képlékenyek és képlékenyek. Az alakváltozás végül is a testek tönkremeneteléhez vezet, azaz a terhelés egy meghatározott értékénél (σt-törési szilárdságnál) a testek makroszkopikusan szétválnak, eltörnek. A töréshez szükséges munka a következő módon számítható: (2.1.) (2.2.) ahol E a Young-modulus és ε pedig a relatív megnyúlás. Lényegében két fő töréstípust különböztetünk meg: rideg- és szívóstörést. A ridegtörést csak kismértékű rugalmas alakváltozás előzi meg, ilyen anyagok pl. az üvegek, kerámiák és kőzetek (nyomószilárdságuk nagyobb, mint húzószilárdságuk). A szívóstörést, pedig a törési hely környezetének makroszkopikus képlékeny alakváltozása előzi meg. Ilyen viselkedést mutatnak pl. a fémek, amorf műanyagok és a nedves agyag [12] GOLYÓSMALMOK A finomőrlés legelterjedtebb berendezései a dobmalmok, golyósmalmok. A dobmalmok nagy teljesítményű, kemény vagy lágy anyagok száraz vagy nedves őrlésére egyaránt alkalmas őrlőgépek. Vízszintes tengelyvonala körül forgó hengeres vagy hengeres- kúpos őrlőterében szabadon mozgó (eső vagy gördülő) őrlőtestek ütéssel, nyomással, dörzsöléssel őrlik a feladott anyagot. 14

15 4. ábra Dobmalom típusok [13] A páncélozott forgó dob belsejében őrlőtestek vannak: rudak (rudasmalmok), golyók (golyósmalmok), esetleg kavics (pebble-malmok) vagy az őrlendő anyag saját darabjai (autogén malmok). Az őrlőtestek ütéssel, dörzsöléssel, nyomással aprítják a feladott anyagot. A feladás a száraz malmoknál rendszerint az üreges csapba benyúló rezgő adagolócsővel vagy csatornával történik. A nedves malmoknál vagy ugyanilyen adagolócsővel, vagy dob- vagy, spirális adagolóval találkozunk. A dobadagoló külső kúpos részébe centrális nyíláson kerül be a zagy, amelyet a dob hengeres részén alkalmazott emelő bordák szállítanak a csapba. A spirális adagolón egy vagy két külső spirális merítő kanál csatlakozik a dob hengeres részéhez, amelyek felkanalazzák a gyűjtő tartályból a mechanikai osztályozó durva termékét A többkamrás csőmalom belseje rácsokkal több kamrára van osztva, s az egymás utáni kamrákat fokozatosan csökkenő nagyságú golyókkal (vagy más őrlőtestekkel töltik). A dobmalmok belsejét rendszerint kopásálló acélötvözet páncélzattal bélelik ki. Lehetséges még továbbá a gumival vagy kemény porcelánnal történő bélelés is. A páncélozás igen sokféle lehet: sima, hullámos, átlapátolt, lépcsős, cikk-cakkos, bordás, stb. A páncélozás módja az őrlőtestek mozgását is befolyásolja. Sima páncélozáson jobban visszacsúszhatnak az őrlőtestek, mint hullámos vagy cikk-cakkos páncélon, ezáltal a sima páncélozásnál a dörzsölő igénybevétel nagyobb szerephez jut. A csúszást akadályozó páncélzatoknál viszont, mivel az őrlőtesteket magasabbra emeli, az ütő igénybevétel érvényesül jobban. A páncélkopás előrehaladtával is megváltozhat a csúszás mérve és ezzel együtt az őrlési munka jellege a malomban. Finomőrlésre a sima, durvább szemű őrlésre a hullámos lépcsős - bordás páncélzat kialakítás választása az előnyösebb. A 15

16 fajlagos páncélkopás hatékonyan csökkenthető, ha a malom belsejének kibélelésében az elkopott őrlőtestek és az aprítandó anyag is részt vesz, erre szűkbordás páncéllemezek, sínek és hasonló hézagokkal rendelkező páncéllemezek alkalmazása ad lehetőséget. 5. ábra Golyók szegregálódása a páncélzat hatására [13] A golyók nagyság szerinti szegregálódása hengeres malmokban elérhető megfelelő páncélzat kialakításával. A malompáncélzat lejtős oldalán leguruló nagyobb golyók kiszorítják maguk elől az apróbb golyókat (4. Ábra F rajz). A malompáncélzat hosszirányú bordáinak kis hajlású spirálisként való kialakítása is az őrlőtestek nagyság szerinti osztályozódását eredményezi. Továbbá a bordázat megfelelő dőlésszögű kialakítása is szegregálódáshoz vezet, annak eredményeképpen, hogy a nagyobb őrlőtestek jobban visszapattannak a falazattól, túlpattannak a bordázaton, míg a kisebbek megakadnak a bordázatban (5. Ábra,). Az őrlőtestek maximális mérete az aprítandó anyag szemnagyságának és szilárdságának függvényében úgy választandó meg, hogy azok a feladás legnagyobb és legkeményebb darabjait is egyetlen ütéssel biztosan eltörjék. Az apróbb szemcsés anyag finomra őrléséhez viszont a nagyobb darabszámot és nagyobb dörzsölő felületet biztosító kis őrlőtestek használata szükséges [13]. A golyósmalmokban az őrlés részben a röppályát leíró őrlőtestek becsapódása, részben a csúszó és forgó őrlőtestek dörzsölő-nyíró hatása révén megy végbe. Az irodalomban az előbbit katarakt-, utóbbit pedig kaszkád hatásnak nevezik. E mozgásviszonyok kialakulásában a nehézségi- és centrifugális erő, valamint a súrlódás mellett az egyes őrlőtestek és a páncélzat kölcsönhatása is közrejátszik. 16

17 Amikor a dobkerület tetőpontján a nehézségi erővel a centrifugális erő egyensúlyt tart, a dobbal együtt mozgó testek a dobfalhoz tapadnak. Ez a kritikus szögsebesség, ill. fordulatszám. Az üzemi fordulatszámot a kritikus fordulatszám százalékában szokás megadni. A dobfal mentén mozgó testre a maximális esési magasságot az n = 32/ D fordulatszám mellett érjük el, ami a kritikus fordulatszám 76 %-a. Közismerten ez a malmok szokásos üzemi fordulatszáma. A golyósmalmok mechanikájából következik, hogy kaszkád működés mindig tapasztalható, a katarakt működés feltétele pedig, a kellő mértékű töltet és megfelelő súrlódási tényező. A két fő működési forma közük a katarakt a durvább (nagyobb töltési fok), a kaszkád pedig, a finomabb őrlési, koptatási fokozatra alkalmas. 6. ábra Golyósmalom üzemmódjai: a) kaszkád, b) katarakt, c) kritikus [14] Az üzemmódok alapján a regeneráláshoz a kaszkád üzemmód javasolt és a méréseket is eszerint végeztem el. A golyósmalom hátrányai finomőrlemények előállításánál a fokozott mértékű részecske kölcsönhatás (lágy anyagok esetében főleg az aggregáció, keményebb anyagok esetében az agglomeráció), mely elsősorban az őrlőtestek által közvetített energia túladagolásnak a következménye. A golyósmalomban ugyanis az őrlőtestek 80% szitaáthulláshoz, illetve a legnagyobb szemcse eltöréséhez igazítják. Ugyanakkor a golyósmalom valamennyi részében a szemcseméret-eloszlás törvényszerűségnek megfelelő eloszlású, tehát finom szemcséket is tartalmazó őrlemény van jelen, így a kisebb szemcsékre vonatkoztatva az energia túladagolt. Ezen túlmenően a golyósmalomban egyéb kedvező feltételek is vannak a részecskék kölcsönhatáshoz, így elsősorban az őrlőtestek által a szemcsékre gyakorolt összenyomó hatás, a szemcsék lokális felmelegedése stb. A hagyományos golyósmalmok hátrányai közé sorolhatók még az alacsony - őrlőtestek és malomméret által korlátozott - energiaközlés (Egolyó=mgolyó g Δh) és a viszonylag nagy 17

18 térigény. Ezek a típusok általában nagy mennyiségű őrlőtestet igényelnek, továbbá a folyamatirányításuk lassú. Mindezekkel szemben számos előnye miatt a mai napig is egy gyakran alkalmazott malomfajta. Az előnyök között megemlíthető a nagy teljesítményű nem érzékeny - üzemelés, a csekély karbantartásigény és a konstrukció egyszerűsége. Továbbá a golyósmalmokkal nagy méretük révén jelentős feldolgozó képesség érhető el és még nagyon koptató anyagok esetében is alacsony kopás tapasztalható [15]. 3. ELŐZETES MÉRÉSEK Előzetes méréseimet 2011-ben kezdtem el, munkáimhoz egy győri öntészeti cégtől kaptam a műgyanta-kötésű homokforma mintákat. Munkám fő célja az volt, hogy száraz mechanikus regenerálás útján a kapott mintákat mennyire tudom megtisztítani a műgyanta kötőanyagtartalmától, illetve szennyeződéseitől. Mintáim két csoportba oszthatóak használat előtti (rögös), illetve használat utáni (öreg) homokmintákra. A kettő közti különbség, hogy az öreg homokminta nagyobb arányban tartalmazott műgyanta kötőanyagtartalmat. Az öreg felhasznált homok már egy mechanikai eljárás során elveszítette a teljes formahomok méretét, így szemcseméretéből kiindulva nem igényelt további előkészítést. A rögös homokmintát kalapácsos törőben készítettem elő a további kísérletekhez. A kalapácsos törőben a rögös homokmintán 5 mm lyuknyílású szitabetétet alkalmaztam, a rotor kerületi sebessége 24,5 m/s volt. 7. ábra Rögös homok aprítás előtt és után 18

19 Az előkészítés után kezdtem el a mechanikai eljárást, ami koptató-őrléses eljárással végeztem el. Mindkét mintát laboratóriumi kerámia golyósmalomban koptató őrlésnek tettem ki 3, 5 és 10 percig. A golyósmalom adatai a következők: D= 200 mm L= 155 mm φg= 15 % φa= 110 % dg= 20 mm (kerámia őrlőtestek) e= 69,5 % n= 66 1/min 8. ábra Kerámia golyósmalom A kapott mintáimat osztályoztam a választott frakcióm szerint és mikroszkóp segítségével határoztam meg a regenerálás hatékonyságát ELŐZETES MÉRÉSEK KIÉRTÉKELÉSE Vizsgálataim során vizsgáltam az eltérő koptatási idő után nyert termékek szemcseméret-eloszlását, annak érdekében, hogy megállapítsam az egyes őrlési idők mennyire csökkentették a szemcseméretet. Ezzel a módszerrel tudtam meghatározni azt, 19

20 hogy a koptató üzemmódban járó dobmalom milyen, egyéb nem kívánatos aprózódást okozott. 1. táblázat Öreg homokminta 3, 5, és 10 perc őrlés utáni és őrlés előtti szemcseméret-eloszlása x [mm] Öreg homokminta őrlés előtt és után F(x) 0 min F(x)3 min F(x)5 min [%] [%] [%] F(x)10 min [%] 3, ,933 99,99 99,987 99,961 0,8 99,848 99,91 99,91 99,883 0,5 93,665 94,933 95,13 95,027 0,315 40,252 56,032 58,918 54,321 0,2 6,191 7,999 7,85 7,664 0,125 0,591 0,941 1,071 1,169 0,08 0,16 0,325 0,386 0,426 0,063 0,057 0,123 0,169 0,173 <0, ábra Öreg homokminta szemcseméret-eloszlása őrlés előtt és után 20

21 A 1. táblázat és 9. ábra adatain látható az öreg homok regenerálás utáni szemcseméreteloszlása, mely szerint a minta kis mértékben aprózódott és kopott. A feladott anyag x 80 értékei csekély mértékben változtak (X 80 = 0,45 mm; x 80 = 0,43 mm) amely arra utal, hogy a malomban jelentős túlőrlés nem történt. 2. táblázat Rögös homokminta 3,5 és 10 perc őrlés utáni és előtti szemcseméret-eloszlása x [mm] Rögös homokminta őrlés előtt és után F(x)0 min F(x)3 min F(x)5 min [%] [%] [%] F(x)10 min [%] 3, ,576 99,896 99,941 99,934 0,8 99,44 99,815 99,847 99,898 0,5 90,846 92,129 92,777 94,776 0,315 31,045 50,991 53,112 55,975 0,2 3,116 4,906 5,452 7,252 0,125 0,008 0,237 0,359 0,911 0,08 0,004 0,007 0,016 0, ,001 0,002 0,002 0,034 <63 21

22 10. ábra Rögös homokminta szemcseméret-eloszlása őrlés előtt és után A 2. táblázat és 10. ábra adatain látható a rögös homok regenerálás utáni szemcseméreteloszlása, mely szerint az öreg homokhoz viszonyítva szintén minta kis mértékben aprózódott és kopott. A feladott anyag x 80 értékei kis mértékben változtak (X 80 = 0,47 mm; x 80 = 0,44 mm), a malomban itt sem történt túlőrlés. A regenerálás után szemcseméret osztályokra bontottam (63-125, , , , , µm) a mintákat mikroszkópos képelemzésre. A megtisztított és szennyezetten maradt homokszemcséket felületarányosan hasonlítottam össze, mérve az összenövési és feltártsági fokot. A vizsgálatokhoz a Zeis Axio - Vision nevű szoftvert alkalmaztam. A rögös és öreg homok képei közt a különbség, hogy az öreg homok képein több a fekete felületű homokszemcse. Ennek magyarázata, hogy mivel ez öntés utáni minta, ráégett a gyanta a homokszemcsékre. A képelemzés során, megállapítható volt mindkét esetben (képekkel alátámasztva): 22

23 11. ábra x > 800 µm-es rögös homok mikroszkópiai képe 800 mikron felett nem estek szét a homokszemcsék, gyantás kötésben maradtak. 12. ábra µm-es rögös homok frakció mikroszkópiai képe 23

24 mikron között az egyes homokszemcsék felületéről a gyanta teljesen, vagy csekély mennyiségben lekopott. A megmaradt gyanta vastagságát nem lehet meghatározni. 13. ábra µm-es öreg homok mikroszkópiai képe µm között maradt olyan szemcse, amin a gyanta egyáltalán nem kopott le, de feltételezhető, hogy a gyantaréteg vastagsága csökkent 14. ábra x < 125 µm-es öreg homok mikroszkópiai képe 24

25 125 mikron alatti képen a gyantás töretek feldúsultak illetve, teljesen tiszta felületek vehetők ki ELŐZETES MÉRÉSEK ÖSSZEFOGLALÁSA Mindkét minta esetében bebizonyosodott, hogy a golyósmalomban történő koptató vizsgálatok során az alkalmazott őrlési idő nem csökkentette a feladott homokszemcsék szemcseméretét káros mértékben. Az őrlési idő és a feltárás között egyértelmű összefüggést nem találtam, de mindenképpen értelmezhető eredményeket kaptam. A szubjektív mikroszkópos képeken megállapítottam, hogy a tisztított homokszemcsék a szennyezetthez képest körülbelül 50 százalék, de a 315 µm 60 százalék is lehet. A szubjektív mérés nem ad pontos eredményt, így másik pontosabb ellenőrzési módszert kell használni. Az esetleges jobb mechanikai regenerálás eléréséhez több malomtípussal és a dobmalom paraméterinek változtatásával is kell mérni. 4. ÖNTÖDEI HOMOK REGENERÁLÁSÁNAK MECHANIKAI VIZSGÁLATA 4.1. CÉLKITŰZÉS Az előzetes mérésekhez hasonlóan ugyanaz a cél, azaz száraz mechanikus regenerálás során minél jobb regenerálási hatásfok elérése. Célszerűnek láttam az öntés előtti állapotot is vizsgálni, pontosítani mekkora a gyanta-tartalom formákban. Az öntészeti cég adatait felhasználva a homokformákat 80% közepes homok ( µm) és 20 % finom homokból ( µm) állítják elő. A regenerált homok újrafelhasználáshoz, így µm tartományba kell esnie. A formákat vegyi kötésű úgynevezett COLD BOX és HOT BOX eljárással készítik. A COLD BOX 0,55-0,8% százalékban tartalmaz gyantát, míg a HOT BOX 1,6-2%. Előkészítés során fontos meghatározni a kezdeti szemcseméret eloszlásukat, tömegszázalékban meghatározni a használható és nem használta frakciók nagyságát. Egyik 25

26 részről nem szabad aprózódnia a mintáknak a regenerálás során, másik részről a regenerált homok felhasználásának egyik kritériuma a homok szemcseméret tartománya, szabvány mérete, így az eljárások után szükséges meghatározni hány százalékát tudják újrafelhasználni. A regenerálást golyósmalomban végeztem, törekedve arra, hogy a malom kaszkád üzemmódban működjön. Az őrlőberendezés használata során nem az őrlés a kitűzött cél, hanem a homokszemcsék felületén lévő kötőanyag leválasztása, koptatása. A malom paramétereit (golyótöltési fok, kritikus fordulatszám viszony, őrlési idő és őrlőtest méret) változtatom a mérések során, ezzel meghatározva melyik az ideális beállítás, ami megfelel aprózódás mértékének és a regenerálás hatékonyságnak. A koptatás során kapott mintákat, használható és nem használható frakcióra választom szét szitával, a szita mérete 125 µm. A 125 µm-tól nagyobb regenerált homokmintákat egy termikus eljárás alá vetem, mellyel meghatározom mekkora arányban csökkent gyanta-tartalom az újrafelhasználható frakcióban. Ezen felül mikroszkópos vizsgálattal elemzem a kötőanyag-tartalom változását a mechanikusan regenerált osztályokban és a termikusan regenerált homokban. A vizsgálathoz frakciókra bontom a mintákat, és felületarányosan összehasonlítom a megtisztított és nem megtisztított szemcsék arányát. A kezdeti és mérések utáni használható frakciót összehasonlítom. Ezen adatok szerint megkapom, hogy mik az ideális malom paramétereket a formahomok golyósmalomban történő mechanikai regenerálásához VIZSGÁLATI ANYAGOK ÉS ELŐKÉSZÍTÉSÜK A mintát, ugyanaz a győri cég szolgáltatta és a mintavétel közvetlen az öntés utáni állapotból történt meg. Az öreg felhasznált homokforma nagy része szétesett, de nagyobb darabok (Fmax= 15,7 cm; 18. ábra) egybe maradtak (16. ábra). A minták tartalmaztak csekély mennyiségű öntvény nagyobb és egész apróbb darabokat, ezeket 1,25 mm-es szitával sikeresen el tudtam választani a homoktól, mindössze egy-kettő agglomerálódott homokszemcse maradt még fenn (16. ábra). A nagyobb forma darabokat kézzel válogattam ki, és kalapácsos törőben (19. ábra), 10 mm-es lyuknyílású szitabetét alkalmazva készítettem elő. A kalapácsos törőben a forma elvesztette szilárdságát és a szemcsék agglomerálódása megszűnt. A kapott homokot szintén 1,25 mm-es szitán átengedtem, az áthullás az összes mennyiség volt, így a leaprított formát összeönthettem a homokkal. 26

27 15. ábra Előkezetlen homokminta 16. ábra Öntvény darabok 1,25 mm felett 16. ábra Homokforma darabok 17. ábra Legnagyobb átmérőjű homokforma 27

28 18. ábra Kalapácsos törőgép Ezt követően meghatároztam a szemcseméret eloszlást, egy kisebb mennyiségű mintából, melyet mintakisebbítés útján kaptam. 3. táblázat Öntödei homok szemcseeloszlása X(mm) m(g) dm(%) Fx (%) deltax f(x) x<0,106 0,360 0,106 0,106 0,106 1,001 0,106-0,2 34,870 10,278 10,384 0, ,343 0,2-0, ,500 36,992 47,377 0, ,672 0,315-0,5 160,130 47,200 94,576 0, ,134 0,5-0,8 17,850 5,261 99,838 0,300 17,538 0,8-1 0,400 0,118 99,956 0,200 0,590 x>1 0,150 0, ,000 0,250 0, , ,000 A szemcse eloszlás igazolja, hogy körülbelül 80 százalék a közepes homok és 20 százalék a finom homok arány ebben a mintában is. 0,5 mm felett lehetnek nagyobb méretű szemcsék, de agglomerálódás is feltételezhető. 125 mikron alatt nagyon csekély a tömegmennyiség, ehhez viszonyítom mennyivel fog dúsulni a mechanikai regenerálás során a káros, nem használható mennyiség. Újabb mintavételből meghatároztam, hogy 125 mikron felett és alatt mekkora a tömegszázalék a homokban. 146,04 grammnyi mintában 125 mikron alatt 0,9 gramm minta volt, ami 0,62 tömegszázalék, így 125 mikron felett 99,38 a tömegszázalék. 28

29 4.3. A VIZSGÁLATI ANYAGOK TERMIKUS REGENERÁLÁSA A rögös és öreg homokmintákat termikus regenerálás alá vetettem, melyből megállapítható volt a minták gyanta-tartalma. A mintáknak először a nedvesség-tartalmát határoztam meg, hogy esetleg vettek e fel némi folyadékot. A nedvességmérést a szabványoknak megfelelően 105 C -on végeztem el, tömegállandóságig mérve. 4. táblázat A minta nedvességtartalma edényszám edény (g) minta (g) edény+minta mérés után nedvesség tart. (%) 40 37,41 10,07 47,48 0, ,38 10,74 49,12 0,00 A táblázat eredménye szerint a nedvességet nem vett fel a homokforma. A termikus regenerálás hőfokát 600,900 és 1100 C állítottam és a regenerálás időtartama 10,20,40 és 60 perc volt. A méréshez kerámia csónakot használtam és az izzítást Nabertherm kemencében végeztem el. Az eredményeket grafikonon ábrázoltam (1.sz. melléklet). 19. ábra Tanszéki Nabertherm kemence 29

30 20. ábra Izzítási veszteség mérése csónakban 21. ábra 600 C-os izzítás rögös és öreg homokkal A diagram jól mutatja, hogy az öreg és rögös homok közti gyanta-tartalom különbséget az idő és izzítási veszteség függvényében. 30

31 22. ábra 900 C-os izzítás rögös és öreg homokkal A diagramon szintén jól kivehető a rögös homok több gyantát tartalmaz az idő és izzítási veszteség függvényében. A termikus regenerálás konklúziói: - A 600 C és 900 C os regenerálás közt nincs nagy különbség, a homokszemcsékről egy vékony gyantás réteg illant el, a regenerálás hatásfoka % - Az időtartam növelése se növelte a veszteséget, 10 és 20 percnél is már megkaptam a maximális izzítási veszteséget - A rögös homok több gyantát tartalmaz, ennek oka, hogy a homokforma még az öntés előtti állapotból van. Az öntés során a kettő közti különbség, azaz körülbelül 0,4 % gyanta tömegszázalék illan el. - A rögös homok gyanta-tartalmából következtetve mindkét formák HOT BOX eljárással készültek, a hozzáadott gyanta tartalom 1,6-2 %. Ezt az értéket azért nem éri el a regenerálás, mert a homokformákat hevítés útján állítják elő és itt is egy csekély pár tized százalék gyanta elillan. 31

32 - a mechanikai regenerálás eredményeit izzítás útján 900 C-on és 20 perces időtartammal lehet ellenőrizni és ezekkel a kapott eredményekkel összehasonlítani 4.4. SZÁRAZ MECHANIKAI REGENERÁLS GOLYÓSMALOMBAN Az előkészítés után kapott mintákat acél golyósmalomban regeneráltam. A regeneráláshoz a golyósmalmok kaszkád üzemmódjainak paramétereit használtam, melyeket szakirodalomi adatokból vettem. 23. ábra Golyótöltési fok és kritikus fordulatszám viszonya a dobmalmokban [14] Az ábrán sárga jelzéssel jelöltem, melyek a kaszkád (koptató) üzemmódok a golyótöltés és fordulatszámviszony függvényében. A dobmalom tervezéséhez meg kellett határozni az őrlőtestek testsűrűséget és halmazsűrűségét, a minta halmazsűrűségét és a malom paramétereit. A kritikus fordulatszámviszony kiszámítása után a relatív fordulatszámviszonyt meghatároztam kísérletekhez. A relatív fordulatszámok (e) az ábra alapján 20, 40, 60, 70, 80 és 90 % -ra állítottam. Az őrlőtestek acélgolyók melynek átmérője 8mm és 11mm volt, mindkét őrlőtesttel külön-külön végeztem a mérést. A regenerálás időtartam 2, 5, 10, 15 és 20 perc volt. 32

33 24. ábra Tanszéki acél golyósmalom A golyósmalom adatai a következők: D= 200 mm L= 156 mm V= mm 3 Kritikus fordulatszámviszonyok kiszámítása: n krit = 30/ D/2= 30/ 0,2/2=94, /min A relatív fordulatszámviszonyokhoz a fordulat a következőképp alakult: - n 20% 19 1/min - n 40% 38 1/min - n 60% 57 1/min - n 70% 66 1/min - n 80% 76 1/min - n 90% 85 1/min Az acél őrlőtestek átmérője 8 mm és 11 mm volt. Sűrűségek és hézagtényező meghatározása: A 8 és 11 mm-es őrlőtest testsűrűségét piknométeres sűrűség mérés alapján mértem. 4-4 mérést végeztem, majd átlagoltam a kapott értéket. A 11 mm-es őrlőtest testsűrűsége 7738,7 kg/m 3 és a 8 mm-es őrlőtesté 7709 kg/m 3. A halmazsűrűségeket egy edény segítségével mértem, melynek térfoga mm 3 volt és tömege 99,84 gramm. A 33

34 méréseket szintén átlagoltam, így a 11mm-es őrlőtest halmazsűrűsége 4260,6 kg/m 3, a 8 mm-esé 4352,3 kg/m 3 és a homok halmazsűrűsége 1493,87 kg/m 3 lett. A hézagtényező (η) az acélgolyók test és halmazsűrűségéből ki lehet számítani. A 11 mm-es acélgolyók hézagtényezője 44,94 % és a 8 mm-esé 43.54%. A malom anyagtöltése (φa) 100 % volt, így a szükséges homokmennyiséget megkaptam a golyók hézagtényezőjéből és a homok halmazsűrűségéből, attól függően, mennyire nagy a golyótöltési fok. 25. ábra Tanszéki golyósmalom az anyag és őrlőtest töltésével A következő táblázat mutatja összesítve a sűrűség méréséket, a dobmalom paramétereket és a regeneráláshoz szükséges mennyiségeket. 34

35 5. táblázat A dobmalom paraméterei és kimérendő anyagmennyiségek táblázat Dobmalom méretei mm Sűrűségek kg/m3 L D V(cm3) ρ test 11mm ρ test 8 mm ρ h 11mm ρ h 8 mm ρ h öreg homok , ,6 4352,3 1493,87 Golyótöltési fok 11mm cm3 11 mm (g) Vη cm3 Öreghomok(g) 10% ,69 220,23 328,99 20% ,39 440,45 657,98 30% ,08 660,68 986,97 40% ,78 880, ,96 η % 44,94 Golyótöltési fok 8mm cm3 8 mm (g) Vη cm3 Öreghomok(g) 10% ,63 213,36 318,73 20% ,25 426,72 637,46 30% ,88 640,08 956,19 40% ,51 853, ,92 η % 43,54 A táblázat és az ábra alapján elvégeztem a regenerálást változatva a golyótöltést, fordulatszámot és az őrlőtestek átmérőjét. A mérések során a fordulatszámot stopper segítségével állítottam be, mennyit forduljon 1 perc alatt a malom. A 10 és 20%-os golyótöltési fok és 20%-os fordulatszámviszonyt a malom motorjával nem lehetett beállítani, a malom nem tudott ilyen kis sebességet elérni ekkora tömegmennyiségnél. 35

36 26. ábra Tanszéki golyósmalom kívülről koptatás közben A száraz mechanikai kísérletek után ellenőriztem a regenerálás sikerességét. Az egyes mintákat 125 mikronnál szitával elválasztottam használható és nem használható frakcióra. A gyanta a szemcsékről a 125 mikron alatti részbe kerül a koptatás során, így a durva frakcióból vett minták izzításával (900 C-os és 20 perc) meg lehetett határozni a regenerálás hatásfokát. Mindkét eredményt, a 125 mikron feletti rész növekedését és az izzítási veszteség csökkenését ábrázoltam az idő függvényében külön-külön a 8mm-es (2.sz. melléklet) és 11 mm-es (3.sz. melléklet) őrlőtestek esetében. 36

37 27. ábra 8mm-es őrlőtest és 10 % golyótöltési fok tömeghányada A 27. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 10%-os golyótöltési fok. A diagram ábrázolja, hogy ahogy nő a fordulatszámviszony és az őrlés idő annál több a 125 µm alatti frakció. 20 perces és 90 %- os fordulatszámviszonynál már majdnem 1/4 a mintának nem használható frakció. 37

38 28. ábra 8mm őrlőtest és 10 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 28. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 10%-os golyótöltési fok. A diagram alapján az őrlési idő növelésével és a kritikus fordulatszám emelkedésével, egyre kevesebb gyanta marad a 125 mikron feletti frakcióban. Az izzítás során a 90 százalékos fordulatszámviszonynál már 1,1 gyantatartalom százalékról 0,62 százalékra csökkent a gyanta mennyisége, ezzel ellentétben 40 százalékos fordulatszámviszonynál 0,80 százalék körüli. 38

39 29. ábra 8mm-es őrlőtest és 20 % golyótöltési fok tömeghányada A 29. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 20 %-os golyótöltési fok. Az ábra szerint, a fordulatviszonyszámok különbséget az időtartam és 125 µm alatti frakciók közti tömeghányad függvényében. 20. percnél a tömeghányad különbség 3,5 %-ot is eléri. 39

40 30. ábra 8mm őrlőtest és 20 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 30. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 20%-os golyótöltési fok. A diagram függvényéről leolvasható, hogy az idő és fordulatszám növelésével egyre kevesebb az újrahasználható frakcióban a gyanta-tartalom. A 40 százalékos fordulatszámviszony esetében jelentős gyanta-tartalom különbséget nem lehet észrevenni. 40

41 31. ábra 8mm-es őrlőtest és 30 % golyótöltési fok tömeghányada A 31. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 30 %-os golyótöltési fok. Az előző tömeghányad függvényekkel megegyezően itt is az őrlési idő és fordulatszám növekedéssel dúsul a 125 µm alatti frakció. 20 perces koptatás során több mint 10 százalék a nem használható frakció. 41

42 32. ábra 8mm őrlőtest és 30 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 32. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 30%-os golyótöltési fok. Ezen a diagramon is megfigyelhető, hogy az időtartam növekedésével és a fordulatszámviszony változásával egyre jobb a regenerálási hatásfok. A 2 perces és 20 perces őrlési idő között körülbelül 0,1-0,15 % csökkent a gyanta-tartalom a 60 százalékos fordulatszámviszony esetében. 42

43 33. ábra 8mm-es őrlőtest és 40 % golyótöltési fok tömeghányada A 33. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 40 %-os golyótöltési fok. A diagram szerint, a 40 százalékos golyótöltési fok és 40 százalék fordulatszámviszony beállítás hasonlóan 10 százalékos tömeghányad emelkedést ért el, mint a 30 százalékos golyótöltési fok és 60 százalék fordulatszám. 20 százalékos fordulatnál kevésbé nő a finomabb frakció tömeghányada. A két fordulat közti különbség 20. percnél a 8 százalékot is eléri. 43

44 34. ábra 8mm őrlőtest és 40 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 34. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 8mm-es őrlőtest és 40%-os golyótöltési fok. Ennél a beállításnál kaptam, amit a diagram is igazol a legnagyobb eltérést a két fordulat esetében. 40 százalékos golyótöltési fok és 40 százalékos fordulatszámviszony 20. percében az izzítási veszteség 0,6 körüli, ami 40 százalék feletti regenerálási fokot jelent. Ha a kiinduló pontot, az öntés előtti állapothoz mérem a tisztítás mennyiségét, körülbelül 60 százalékban tisztult meg a gyantától és körülbelül 10 százalék a homokveszteség. 44

45 35. ábra 11mm-es őrlőtest és 10 % golyótöltési fok tömeghányada A 35. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 10 %-os golyótöltési fok. 11mm-es őrlőtest esetében a fordulatszámviszony növelésével nő a 125 µm alatti frakció tömeghányada. Továbbá az őrlési idő növelésével és egyre több a finomabb frakció. a 8mm-es őrlőtest ugyanilyen beállítások mellett kevésbé aprózódik. A homok több mint 25 % nem használható fel újra. 45

46 36. ábra 11mm őrlőtest és 10 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 36. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 10%-os golyótöltési fok. A diagram szerint, a 90 százalékos fordulatszámviszony adott jó eredményt, de annak tömeghányad vesztesége 25 százalék felett van, ami a többihez képest nagy. Az izzítási veszteség görbéinek pontjai közel esnek egymáshoz. 46

47 37. ábra 11mm-es őrlőtest és 20 % golyótöltési fok tömeghányada A 37. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 20 %-os golyótöltési fok. Az ábra szerint, a 11 mm-es őrlőtestek esetében nagyobb az aprózódás mértéke a kritikus fordulatszám változtatásával. 20 százalék kritikus fordulatszámviszony esetében százalékkal nő a nem használható frakció a 20. percben. 47

48 38. ábra 11mm őrlőtest és 20 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 38. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 20%-os golyótöltési fok. A diagram hasonlót mutat, az előző 10 százalékos golyótöltési fok eredményeihez. Itt is az időtartam növekedéssel és a fordulatszám növekedéssel nem jelentős mértékű a regenerátum minőségének javulása. A 15. percig majdnem hasonló a két fordulatszámviszonyhoz kapcsolódó izzítási veszteség pontok, 0,1 százalékon belül van a különbség. 48

49 39. ábra 11mm-es őrlőtest és 30 % golyótöltési fok tömeghányada A 39. ábra 1a 25 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 30 %-os golyótöltési fok. A diagram szerint, a 60 százalékos fordulatszámviszony jelentősen növeli a 125 mikron alatti frakció dúsulását az idő függvényében. A 20 és 40 százalékos fordulatszámviszonynál 10 százalék alatt marad, majdnem egyenletesen növekszik a finom frakció. 49

50 40. ábra 11mm őrlőtest és 30 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 40. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 30%-os golyótöltési fok. Az előző tömeghányad veszteség görbével párhuzamosan (39. ábra), itt is megállapítható, hogy a 20 és 40 százalékos fordulatszámviszony beállítások izzítási veszteség görbéje egyformán csökken, azaz kis mértékben csökken csak a gyantatartalom az idő függvényében. A 60 százalékos fordulatszámviszony itt jó eredményt ad, de jelentős a veszteség. 50

51 41.ábra 11mm-es őrlőtest és 40 % golyótöltési fok tömeghányada A 41. ábra a 125 mikron alatti frakció változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 40 %-os golyótöltési fok. Az ábra szerint, az idő növelésével aprózódik a gyantával kötött homok, így egyre több a 125 mikron alatti frakció. A 20. percnél 20 százalékos golyótöltési foknál is már jelentős 7 százalék a 125 mikron alatti rész tömeghányada. A 40 százalékos golyótöltési fok görbéje meredekebb, gyorsabb aprózódási mértéket mutat. 51

52 42. ábra 11mm őrlőtest és 40 százalékos golyótöltési fok izzítási veszteségei 125 µm feletti frakcióban A 42. ábra az izzítási veszteség változását mutatja be a kritikus fordulatszám növelésével az időtartam függvényében. A golyósmalmi regenerálás beállításai 11mm-es őrlőtest és 40%-os golyótöltési fok. A diagram szerint, a két koptatási beállítás között nincs nagy különbség, a 40 százalékos golyótöltési fok eredményei jobb regenerátum minőséget hoznak, de csak a 20. perc látható nagyobb különbség. A táblázatok és diagramokból levont konklúziók: - Ahogy nő az őrlőtest mérete (8-ról 11-re) nő vele együtt az aprózódás is kis mértékben. Mindegyik mérésnél megfigyelhető azonos beállítási paraméternél, hogy a 125 mikron alatti frakció növekszik (90% golyótöltés 20. percénél 27 százalékra dúsult a finom frakció, míg 24 százalék) - Mindkét esetben igaz, ahogy nő a fordulatszám, annál nagyobb az aprózódás mértéke 52

53 - Mindkét esetben elmondható, hogy minél nagyobb a golyótöltési fok, annál nagyobb a gyanta tartalom a finom frakcióban (káros szemcseméret alatti) - Az idő növelésével, növekszik az aprózódás mértéke és nő a gyanta tartalom a finom frakcióban - A golyósmalomban a 11mm-es őrlőtestek használatával a befektetett energia főleg aprításban és ütközésben mutatkozik meg. A 8mm-es őrlőtestek esetében kisebb az aprózódás, jobb a regenerátum minősége, így több energia alakul át dörzsölési, koptatási munkává - A számomra legjobb beállítás 8mm-es őrlőtest, 40%-os golyótöltési fok, 40% -os fordulatszámviszony. Igaz, hogy körülbelül 11 százalék a finom frakció aránya, de a megtisztított szemcsék aránya jelentős - A regenerátum minőségét a regenerálási fok adja. A 1.1. szakirodalmi résznél már említett képlet szerint a regenerálási fok % lett. A használt (öreg) homok izzítási veszteségének 1,05 %-ot vettem az előzetes mérések pontjaiból. A regenerátum izzítási veszteségét a legjobb mechanikai regenerálás mérés izzítása adja, 0,65 %. P A a használt homok izzítási vesztesége [%] (1.1.) P E izzítási veszteség a regenerátumban [%] - Ha a kezdeti állapotot, a homokformák készítésének hevítés előtti állapotot nézzük, ahol 1,6-2 százalék a gyanta tartalom, ahhoz képest a megtisztított szemcsék aránya % a szennyezetthez képest - További érdekesség, hogy néhol több a gyanta tartalom a várt kevesebb gyanta tartalomtól (például 20 perces időtartam során több gyanta marad fenn, mint 15 percesnél). Ilyen eredményeket előzetes mérések során is kaptam, azaz nem egyenletes oszlik el a gyanta a homokszemcséken, néhol több néhol kevesebb, vagy egyáltalán nem is fedi be. Az eredményeket, ha iparban szeretnék felhasználni, akkor több izzítási veszteséget is kell átlagolni az egyes minták során, azaz pontosítani a mérést. 53

54 4.5. MIKROSZKÓPOS VIZSGÁLAT GOLYÓSMALMI REGENERÁLÁS UTÁN Az eredményekből, kiválasztottam a legjobb és legrosszabb méréseket és azokon végeztem mikroszkópos képelemezést. A vizsgálatokhoz a Zeis Axio - Vision nevű szoftvert alkalmaztam. A méréseket szintén frakciókra bontottam (63-125, , , µm). 500 µm felett nagyon kis mennyiség maradt a koptatás során. Vizsgáltam a mérvadó szemcseméret osztálynál, µm között, milyen minőségben sikerült koptatni a homokszemcsékről a gyanta kötőanyagot, illetve 125 µm alatt mennyire dúsul a gyanta tartalom. A regenerálás minősítésére vett mintákból, amik hőkezelve lettek 900 C-on szintén vizsgáltam. 43. ábra Zeis Imager mikroszkóp A képelemzésből levont következtetések a képek alapján: 54

55 44.ábra µm-es regenerált homok mikroszkópiai képe A legjobb mérés (golyótöltési fok 40%, fordulatszámviszony 40%, 20 perc őrlési idő, 8 mm-es őrlőtestek) képén jól látható a koptatás eredménye, némelyik szemcsén körvonalas helyezkedik el a maradék gyanta a tisztított szemcsén és a szemcse alakja nem szenvedett jelentős kárt. Azaz a koptatás sikeres és majdnem teljesen megtisztítja a homokszemcséket. 55

56 45.ábra A 44. ábra kinagyított bal felső sarki képe A felvételen jól látható a golyósmalomban végbement munka, azaz a koptatási munka. A homokszemcséken csak vékony, kis felületen maradt rajta a gyanta. 56

57 46. ábra µm-es regenerált homok mikroszkópiai képe között Ezen a képen, a legrosszabb mérésnél (golyótöltési fok 10 %, fordulatszámviszony 40%, 5 perc őrlési idő, 11 mm-es őrlőtestek, µm) jól látható a kötőhártyák egyáltalán nem szakadtak fel. 57

58 47. ábra µm-es regenerált homok mikroszkópiai képe A gyanta tartalom a legjobb mérésnél (golyótöltési fok 40%, fordulatszámviszony 40%, 20 perc őrlési idő, 8 mm-es őrlőtestek), a finom frakcióban feldúsul, és a gyanta töret alaktalan, monoklin formát vesz fel. 58

59 48.ábra µm-es regenerált és izzított homok mikroszkópiai képe A termikus regenerálás hatásfoka sem 100 százalék, csekély mennyiségű gyantatartalom marad benne (golyótöltési fok 20%, fordulatszámviszony 40%, 20perc őrlési idő, 11mm-es őrlőtestek). 59

60 49.ábra µm-es regenerált és izzított homok mikroszkópiai képe A 315 mikron alatti részben könnyebben illant el a gyanta, így ott nem is találtam szennyezett maradt szemcsét. Ez az észrevétel nem befolyásolja eredményeimet. 5. ÖSSZEFOGLALÁS Az öntészet, mint iparágnak egyik fő célja, hogy termékeit költséghatékonyan állítsa elő, minőségügyileg és az uniós szabályoknak megfelelően. A regenerálás is az egyik költségcsökkentő eljárás, mivel kevesebb új homokot kell az öntési ciklusokban használni és kevesebb a depóniára küldött anyag mennyisége. A szakirodalomi összegzés alapján megállapítható, hogy a regenerálási technológiák közt van beruházási, üzemeltetési költség eltérés és minőségi különbség is. Az általam végzett vizsgálatok, kutatások fő célja egy olyan mechanikai regenerálási eljárás kialakítása volt, mely során: 60