Последнее время поступает много вопросов по формовке: шнековые пресса, переходные горловины, формующая оснастка. Такие вопросы возникают по вакуумным и безвакуумным шнековым прессам, по прессам, которые находятся длительное время в эксплуатации и по прессам, которые только находятся в проекте.
Первая группа вопросов: производительность шнекового пресса
1.1 Если представить, что работа идеального шнека пресса это работа винтовой пара, где болт – шнек со ступицей, а гайка – глина, находящаяся между витками пресса, то ответ по производительности простой: чем больше угол подъема винта и больше шаг между витками, тем больше производительность.
В сборнике лекций « Изготовление и контроль качества продукции из обожженной глины» Марселино Фернандес Абахо показал все силы, которые присутствуют в системе шнек – глина – цилиндр и какие силы надо снижать, а какие наоборот – увеличивать. Но автор замечательного курса не дает формульной зависимости.
Многие авторы предлагают следующую математическую формулу расчета производительности шнекового пресс:
Q = (π/4)·(D2 – d2)·(S – δ)·(1 – α)·k·n·60
где: Q – производительность шнекового пресса, м3/час;
D – наружный диаметр лопасти шнекового пресса, м;
d – наружный диаметр ступицы шнека, м;
S – шаг лопасти шнека, м;
δ – толщина лопасти шнека, м;
α – коэффициент, учитывающий относительное уменьшение объема в результате уплотнения;
α = (V – Vk)/V или (V – Vk) = α·V
V – объем массы, поступающей в прессовую головку; Vk – объем массы на выходе из мундштука;
n – частота вращения шнекового вала, с-1;
k – поправочный коэффициент, который учитывает проворачивание массы, возврат массы, неравномерность питания, недостатки конструкции шнека и прессовой головки
(k = 0,2…0,35)
Введенный в формулу коэффициент k учитывает все недостатки и проблемы шнекового прессования.
Для выпорного шнека, в связи с тем, что он, как правило, изготавливается двузаходный, коэффициент k может снижаться до 0,15.
1.2 Шаг винта лопасти шнека (S) зависит от угла подъема винтовой линии (α), а угол подъема винтовой линии зависит от коэффициента трения массы (f) о поверхность шнека.
Коэффициент трения массы f = tgφ, где φ – угол трения массы о поверхность шнека.
Расчетная формула для определения угла подъема винтовой линии:
tgα = S/πDср
или
S = π·Dср· tgα
где: Dср – средний диаметр шнека, м.
Приведенные зависимости показывают связь шага шнека с коэффициентом трения массы о поверхность шнека. При увеличении угла подъема винтовой линии, увеличивается трение массы о шнек и увеличивается проворачиваемость массы внутри цилиндра шнекового пресса и, соответственно, снижается производительность шнекового пресса, т.е. происходит процесс обратный желаемому.
При расчете шнеков надо руководствоваться правилом: максимальное давление формовки надо создавать выпорным шнеком, все предыдущие (по ходу движения массы) шнека выполняют функцию подачи массы к выпорному шнеку. На этих шнеках происходит уплотнение массы, но давление на этих шнеках не должно превышать давление на выпорном шнеке. При нарушении этого правила, выпорной шнек тормозит проход массы по цилиндру пресса, возникают следующие проблемы формовки:
– прокручивание шнеков внутри массы и появляются плоскости «заполированности» массы поверхностью шнека;
– прокручивание массы внутри цилиндра пресса и температура цилиндра пресса повышается выше 50°С.
Такая заполированность создает напряжения в массе и является одной из причин появления дефекта «свиль».
1.3 Имеется ограничение и в создании максимальной разница между наружным диаметром шнека (D) и диаметром ступицы шнекового вала (d).
Если представить точку массы на поверхности шнека, удаленной от оси вала шнека на расстояние r, то результирующую скорость (vp) вращательного и поступательного движения этой точки можно написать формулой:
vp = w·(r2 + S2/4π2)1/2
где: w – угловая скорость вращения вала.
Из приведенной формулы можно сделать вывод: чем дальше точка находится от центра вала, тем больше ее результирующая скорость, т.е. при проталкивании массы шнеком, появляются сдвигающие напряжения, которые расслаивают массу в виде колец по плоскости шнека. Чем больше будет разница между (D – d), тем больше будет это расслоение. Это расслоение является еще одной причиной появления «свили».
Разработанные мной конструкции шнека позволили увеличить производительность китайского пресса на 10%.
Вторая группа вопросов: дефект «свиль» при формовке кирпича
Могу написать, что решением задачи устранения «свили» занимались и занимаются сейчас многие инженеры и специалисты на производстве, конструктора машин и оборудования, специалисты научно-исследовательских институтов.
Дефект «свиль» заложен способом шнековой формовки. При иных формовках этого дефекта нет, имеются другие дефекты, но «свили» нет.
2.1 Изучением проблемы «свилеобразования» и снижения влияния «свили» на качество керамических изделий, изготовленных методом пластической формовки на шнековом прессе, занимались многие исследователи.
Так, Герасимов М.Д., Фадеева В.С, Корохов В.Г. в своих книгах и статьях предлагают расчетные формулы и конструкции переходных головок и мундштуков для различных глин и рабочих шихт.
Ничипоренко С.П., описывает структурно-механические типы глин и методы подбора шихты для стандартных шнековых прессов и формующей оснастки к ним.
Все авторы пишут, что для расчета переходных головок, мундштуков и выбора состава рабочей шихты, надо изучить реологические свойства исходных глин и рабочей шихты.
Реологические характеристики: коэффициент внутреннего трения; коэффициент внешнего трения; эффективная вязкость; предельное напряжение сдвига; упругая деформация; пластическая деформация и т.п.
Для решения задачи «свили» с «научной точки» зрения, можно сделать следующие шаги:
– выбрать соответствующий институт или лабораторию, провести всесторонние исследования сырья и подобрать оптимальный состав шихты;
– если выбор сырья ограничен или вообще невозможен, то опять же, выбрать соответствующий институт или лабораторию, определить реологические свойства имеющегося сырья, по этим данным произвести расчет конструкции шнековой группы, переходной головки и мундштука пресса.
2.2 На производстве решение проблемы «свили» происходит традиционным способом – специалисты заводов, по имеющейся справочной и специальной литературе, перебирают, предлагаемый в этой литературе способы, и выбирают тот способ, который наилучше подходит к производственным условиям данного предприятия.
Подход совершенно правильный, но во время такого поиска расходуются ресурсы и время. Многие заводы в стадии поиска находятся достаточно длительное время.
Вот поэтому у меня нет готового рецепта для решения проблемы «свили». Каждое предприятие проходит свой путь и находится на определенном отрезки этого пути. Для того, что бы оказать помощь в решении задачи снижения влияния «свили», надо понимать, что сделано на предприятии собственными силами, и какую внешнюю помощь можно предложить данному предприятию.
2.2.1 Например, на одном из предприятий при решении задачи «свили» и, соответственно, прочности и морозостойкости продукции, пошли по рекомендациям предложенным Ничипоренко С.П., т.е. подбор шихты на основе структурно-механических типов глин. Переход из одного типа шихты в другой, осуществляется введение того или другого компонента шихты, в данном случае, отощителя. В результате в шихте оказалась настолько много отощителя, что изделия потеряли и марочность, и морозостойкость. Вдобавок температура плавления отощителя оказалась несовместимой с температурой обжига основного, базового, компонента шихты.
2.2.2 На некоторых предприятиях проблема «свили» настолько минимизирована последующей «мягкой» сушкой, что в дальнейшем вообще не проявляется на обожженных изделиях.
2.2.3 В моей практике были случаи, когда незначительные расслоения в кирпиче устранялись повышенной температурой обжига. При обжиге, жидкая фаза являлась «лечением» нарушения сплошности при формовке.
2.2.4 Снижение воздушной усадки еще один способ минимизации влияние «свили». Так при воздушной усадке 3-4% «свиль» практические не проявляется. Например, если в шихту вводить материалы, которые при сушке «работают» как отощитель, а при обжиге как плавень, то можно добиться очень хороших результатов и по марочности, и по морозостойкости.
2.2.5. Так же используются специальные вставки в переходную головку шнекового пресса: решетки, стержни (свилевые пальцы), фильеры (пустотообразователи) для пустотного кирпича без кернодержателей, обратные конуса. Все эти способы применимы и некоторые из них опробованы мной на практике. Но применяя эти методы, надо понимать, что разрушив сплошность массы в переходной голове, можно не успеть ее восстановить и получить дополнительные дефекты.
2.2.6 Влияние «свили» минимизируется, если в переходной головке создать достаточное давление, для того, что бы этот дефект был уменьшен сжатием массы в этой переходной головке. Вот поэтому на практике предлагается удлинение переходных головок от 0,7..0,9 до 1,2…1,5 диаметра выпорного шнека, но эти рекомендации не совпадают с рекомендациями Герасимова М.Д., Фадеевой В.С.
2.2.7. Очень распространенным способ снижения влияния дефекта «свиль» является переход на выпуск условно полнотелого кирпича (с пустотностью не более 13%) и пустотного кирпича (с пустотностью более 13%).
2.2.8 Основным способом снижения влияния дефекта «свиль» – поддержание зазора между рубашкой цилиндра пресса и вершиной шнека менее 5 мм.
Из приведенного текста следует, что снижать негативное влияния дефекта «свиль» на качество продукции можно различными способами:
– подбор состава шихты;
– изменение конструкции шнека, переходной головки и мундштука;
– дополнительные вставки в переходную головку;
– «смягчение» процесса сушки;
– подбор режима обжига.
В каждом конкретном случае подбирается наиболее рациональный и наиболее эффективный способ.
