Суюндиков м. М

Сүзгілеу жылдамдығы екі түрлі әрекетімен маңыз­ды болады. Біріншіден, сүзгілеу жылдамдығының сүз­гінің металл емес кірінділерді ұстау үрдісіне тигізер әсері бар. Бұл мәселені тереңдей қарастырғанда зерт­теушілер екі түрлі пікірге ойысады. Біреулері сүзгілеу жылдамдығы төмен болса кірінділердің тұтылу үрдісі жақсара түседі десе, екіншілері оған кері ұстанымды байқатады. Дегенмен бірінші топтағылардың саны кө­бірек. Екіншіден, сүзгілеу жылдамдығы металды құю жылдамдығына тікелей ықпал ететінін білеміз. Ал, құю жылдамдығы болса артық-кемі жоқ белгілі бір оңтайлы шамада болуы керек екені мәлім.

Drexel университетінің (Филадельфия, АҚШ) ға­лымдары [1] сүзгілеу жылдамдығы мен кірінділерден тазарту тиімділігі арасындағы байланысты келесідей математикалық өрнек түрінде береді:

мұнда η – тазарту тиімділігінің коэффициенті;

Бұл өрнектен сүзгілеу жылдамдығы өскен сайын тазарту тиімділігі төмендей беретінін көреміз. Тәжіри­белік зерттеулерде [1] _C < 0,05 шамасында ұстағанда η мәні 1-ге ұмтылатыны, ал сүзгілеу жылдамдығы өсе келе 0,7 см/с жеткенде сүзгінің кірінділерден тазарту тиімділігі екі еседей төмендеп кететіні (η=0,5...0,6) анықталған. Басқа тәжірибеде [2] _C мәні 0,2 см/с-тен 0,5 см/с-ке дейін өзгергенде η мәні 45%-дан 20%-ға төмендегені тіркелген. Сонымен қатар Ко коэффици­ентіне көңіл аударған жөн. Себебі ол да өз кезегінде сүзгілеу жылдамдығына тәуелді екен. _C өскен сайын Ко де онымен бірге өсетіні көрсетілген. Ол дегеніміз сүзгілеу жылдамдығы _C кинетикалық коэффициент Ко арқылы сүзгілеу тиімділігіне оң әсерін тигізеді деген сөз. Бұл қайшылыққа берілген түсінік бойынша сүзгілеу жылдамдығы үлкейгенде, біріншіден, уақыт бірлігі аралығында сүзгіге келіп тұратын кірінділер мөлшері арта түседі екен, ал екіншіден, инерциалық массасы көп ірі кірінді түйірлері ағын траекториясы­нан өз екпінімен ауытқып сүзгі бетіне бағытталуы күшейе бермек. Балқыманы тиімді түрде тазарту үшін сүзгілеу жылдамдығы өте аз _C < 0,01 м/с, немесе үлкен _C > 0,1 м/с болуы керек деген тұжырым бар [5]. Жылдамдық аз болған сайын кірінді түйіршіктері седиментациялық ығысу жолымен көбірек ұсталса, жылдамдық көп болғанда центрден тепкіш күштердің және жылдамдық градиенті әсерімен ығысып ағыннан бөлініп шығады. Сүзгілеу жылдамдығы 7-8 см/с ас­қанда майда түйіршіктерден тазарту тиімділігі едәуір нашарлап кететіні де айтылады кейбір жарияланымда [4]. Жапон зерттеушілерінің деректеріне сілтеме жаса­ған авторлар [6] сүзгілеу тиімділігі _C < 1 см/с айма­ғында 75-90%, _C = 1...8 см/с аралығында ең төмен деңгейден өтіп, _C = 8 см/с асқанда 40-50%-ға көте­ріледі дей келе, керек болған жағдайда жылдамдығы жоғары құю үрдісінде де тиімді дәрежеде сүзгілеу қолдануға болатынын жеткізеді.

Сүзгілеу жылдамдығының өзі құю үрдісіндегі жалпы арын Н, құю жүйесінің арналарындағы кедер­гілер ζ_і, сүзгінің өз кедергісі ζ_с сияқты көрсеткіштерге тәуелді болады. Сүзгіні зерттеушілердің деректерінде оның жұмысын сипаттайтын көрсеткіш ретінде сүзгі­леу кезінде болатын арын шығыны Δp (немесе Δh) ту­ралы айтылады. Өз кезегінде арын шығыны Δh мен сүзгі кедергісі ζ_с сүзгінің қалыңдығына L тәуелді.

Сүзгінің қалыңдығы L сүзгі жұмысының тиімділі­гіне оң әсер ететіні жоғарыда айтылды. Қалыңдығы үлкейген сайын сүзгіден өткен металл бойындағы кір­інділер азая бермек. Отқа төзімді материалдардың түйірлерінен тұратын қалыңдығы 45,7 см сүзгі [1] әзірге ең қалың сүзгі деп айтуға келеді. Темір тотығы­ның және металл түріндегі алюминийдің көмегімен оттексіздендірілген Ст10 болатын сүзгілеп оны жалпы оттегінен тазарту тәжірибелерінде [2] сүзгі қалыңды­ғын 22 мм-ден 88 мм-ге дейін өзгерткенде қалдық оттегінің мөлшері 0,62-ден 0,18-ге дейін, немесе 3,5 есе азайған. Дегенмен, сүзгі қалыңдығын аса үлкейте берудің қажетсіздігін айта кеткен. Зерттеушілердің мәлімдеуінше [3,4] сүзгіні қабат-қабаттарға бөліп қа­растырғанда оның әр қабатының тиімділігі әртүрлі болып шыққан. Тұтылған кірінділердің басым бөлігі алдыңғы қабаттарда жиналып қалады. Мысалы, L = 35 мм болғанда кірінділердің басым бөлігі 5-7 мм терең­дікте жиналған [3]. 10-15 мм қалыңдықтан әрі қарай тұтылған кірінділер жоқтың қасы. Басқа зерттеулерде [4] ірі кірінділер мен тотық қабыршақтарының 50%-ы жоғарғы 15 мм қабатта, 75%-ы 35мм тереңдікте, ал тек 5%-ы ғана соңғы 20-25 мм қабатта табылған. Осының соңынан, балқымаларды сүзгілеуге қалыңдығы 20-30 мм сүзгі қолдануға әбден болады деп қорытындыла­ған. [5] мақалада есептеу жолымен қалыңдығы 40 мм сүзгі қабатын қолданып өлшемдері 40 мкм түйіршік­терді түгелдей (100%), 20 мкм түйіршіктердің 70%-ын, 10 мкм түйіршіктердің 20%-ын тазартуға болаты­ны көрсетілген. Бұл балқыма бойындағы барлық кірін­ділердің 63%-ын құрайды. Сүзгі қалыңдығын 80 мм-ге жеткізгенде сүзгілеу тиімділігі 80%-ға жақындайтыны сондағы графиктерден көрініп тұр. Мұндағы сүзгі қа­лыңдығын кішірейтіп 20...25 мм етіп алғанда балқы­маны тазарту тиімділігі 55...60% шамасында болаты­ны байқалады. Оның өзінде 40 мкм кірінділердің

Сүзгі кедергісінің ζ_с тәуелді болатын факторы он­дағы тесіктер мен кеуек арналардың өлшемі немесе диаметрі d_тес. Ең көп қолданылатын көбіккерамикалық сүзгілердің (1,а – сурет) ішкі арналарының белгілі бір тұрақты пішіні мен өлшемі жоқ, бұралаң-қалтарыс­тары көп және тарылып-кеңейіп отырады. Орташа есеппен алғанда кеуек арналарының бір қуысы мен екінші қуысын жалғайтын терезесінің диаметрі үш түрлі сүзгіде 1270, 760 және 560 мкм немесе 1,27...0,56 мм құрайды [6]. Кеуек қуыстарының өлшемі 0,83-тен 2,5 мм-ге дейін.

Ұялы сүзгі торлардың (1,ә – сурет) тесіктері (ұя–сы) дұрыс геометриялық пішіндегі цилиндр немесе призма түрінде орындалады да орналасу жиілігі 1 см² аумағында 8-ден 64-ке дейін, ал ең тығыз орналасқан­да диаметрі 1мм болып келеді. Тесіктерінің диаметрі 5 мм-ден үлкен сүзгілер де кездеседі (1,г – сурет).

Бұрынғы КСРО аумағында кең тараған, сонымен бірге әлі де қолданыста жүрген «Фирам-процесс» үр­дісінде тесіктері 0,6×0,6 мм-ден 1,7×1,7 мм-ге дейін болатын шыныматалы сүзгілер (1,б – сурет) пайдала­нады. Отқа төзімді материалдар түйірлерінен төселген сүзгілер де көбіккерамикалық сүзгіге ұқсас, түйірлер­дің арасындағы ашық қалған, бір-бірімен жалғасқан сан-алуан пішінді саңылаулардан құралатын арналар­ға ие. Олардың белгілі болып отырған ең кіші түйір­лерінің диаметрі 1,0...1,6 мм [3] болса, металл балқы­маларын тазартуға түйірлері 2...3 мм сүзгілерді қол­дану өте сирек кездесетін жағдай екені де айтылады [4]. Демек, тиімді диаметрі 1 мм-ден кіші арналар мұндай сүзгілерде кездесе бермейді. Тиімді диаметрі 2...6 мм аралығында жататын, түйірлерінің диаметрі 5...15 мм сүзгілерді пайдалану ұтымды деген пікір айтылып жүр [5]. Әрине, сүзгі тесіктері тар болған сайын сүзгілеу тиімділігі, бөліп айтқанда «елек» меха­низмі арқылы тазарту арта түсетіні анық. Дей тұрған­мен, сүзгі тесіктері мен арналарының диаметрлерін одан әрі кішірейтуге одан металл балқымасының өтпей қалу қауіпі шек қоятынын ескеру керек. Олай болмаған күнде сүзгі кедергісі ζ_с орасан үлкен мәнге ие болып, құю режімін сақтау үшін гидростатикалық арын Н да тым үлкейіп кетеді. Тым үлкен арын сүзгіге қатты салмақ түсіріп, оны үгітіп те жіберуі мүмкін.

1 – сурет

Сүзгілеу кезіндегі металл ағысын сипаттайтын маңызды гидравликалық көрсеткіштің бірі – ағын ре­жімі. Сүзгілеу режімі турбулентті болғанда майда кірінділерден, ал ламинарлы болса ірі кірінділер мен тотық қабықшаларынан тиімді тазартуға жағдай жаса­латыны айтылған [4]. Балқыма бойында кірінділердің майдасы мен ірісі бірге кездесетіндіктен турбулентті және ламинарлы режімдер қосарласып жататын өтпелі режімді пайдаланған ұтымды болады деп көрсетеді. Сүзгілеу үрдісі ламинарлы режімде өтуі үшін Рей­нольдс критериі өте аз болуы керек, Re < 2...10. Бірақ, оның нақты шамасы Re = 45...700 екені бұл режімнің мүмкін еместігіне нұсқайды. Оған қоса бұралаң тесікті сүзгілерде ламинарлықты бұзатын тосын өзгерістер көп болатыны белгілі.

Сүзгілеу режімінің ламинарлықтан алшақ болуы зерттеулер бағытын түбегейлі өзгертетін жәйт екенін басып айтқан жөн. Ыңғайлы болғандықтан сүзгілеу үрдісін математикалық өрнектеуге жаппай қолданып жүрген Дарси заңы тек қана ламинарлық ағынға арна­лып, сүзгіден өткенде жоғалатын арын шығынын ағын жылдамдығының бірінші дәрежесіне пропорционал деп есептейді. Құйма бөлшектер өндірісіндегі құю жүйесінде ағын жылдамдығы үлкен, жергілікті кедер­гілер бір-біріне жақын орналасқандықтан онда әбден дамыған турбуленттік режім орныққан. Мұнда лами­нарлық Дарси заңына жүгіну үлкен олқылықтарға апа­рады. Құю жүйесіне қойылған сүзгі ағын жылдамды­ғының екінші дәрежесіне пропорционалды арын шы­ғынын береді деп күту орынды болмақ.

Зертханалық тәжірибелерде сүзгілердің ағынға әсерін тексеріп, ондағы арын шығынының сүзгілеу жылдамдығына тәуелділігінің сипатын және сол арқы­лы сүзгілеу режімін анықтауды мақсат етіп қойдық. Тәжірибе нәтижелері 2-суретте берілген.

2 – сурет

Суреттегі графиктер төрт топқа бөлінген жеті сүзгі туралы мәлімет береді: баспалап тесілген кера­микалық сүзгі торлар (1, 4 сызықтар); шыныматалы сүзгі тор (2 сызық); кеуек құрылымды көбіккерамика­лық сүзгілер (3, 5, 6 сызықтар) және экструзиялық жолмен алынған керамикалық ұялы сүзгі тор (7 сы­зық). Осылардың екеуі органикалық шыныдан жасал­ған жасанды сынақ үлгісі (модель) түрінде, ал бесеуі өндірісте қолданылатын табиғи түрінде алынды. Сүз­гілердің толық сипаттамасы кестеде келтірілген.

Тәжірибеден алынған нүктелер бойымен жүргізіл­ген аппроксимациялаушы сызықтар параболалық сипатын көрсетіп тұр. Ал, сол сызықтардың алтауы­ның (1, 2, 3, 5, 6, 7 сызықтар) математикалық өрнек­терінің дәрежелері 1,8251…1,967 аралығында жатыр. Бұл сандар 2 дәрежесіне тиіп тұр деп айтуға болады. Осыдан сүзгілеу үрдісінің гидравликалық режімі ла­минарлықтан тым алшақ, ал керісінше турбуленттікке аса жақын деген маңызды тұжырым жасауға мүмкін­дік алынып тұр. Басқалардан ерекшеленіп шыққан 4-сүзгінің өзінде парабола дәрежесі 1,5751-ге тең болып турбулентті аймаққа қарай ойысқан. Демек, сүзгілер­ден өткенде жоғалатын арын шығынын сүзгілеу жыл­дамдығының квадратына пропорционалды деп алып, сүзгінің өзін құю жүйесіндегі кедергілердің қатарын­дағы тағы бір жергілікті кедергі ретінде қарастыруға болады екен. Мұның өзі құю жүйесін есептеуді жеңіл­дететіні сөзсіз.

Графиктерден (2-суретті қараңыз) көретініміз сүзгілердің көрсеткіштерінің бір-бірінен орасан зор айырмашылығы. Сүзгілеу жылдамдығы 40 см/с бол­ғанда сүзгілердегі арын шығыны 4 см-ден (экструзия­лық сүзгі тор, 7 сызық) 35 см-ге (баспаланған сүзгі тор, 1 сызық) дейін 9 есе өсіп өзгереді екен. Сөйте тұра кестеге назар аударсақ тым үлкен кедергі жасап тұрған 1-сүзгінің тесіктері (кіші диаметрі 2,5 мм) ке­дергісі ең аз деген 7- сүзгінің тесіктерінен (2,08×2,08 мм) үлкенірек болып тұр. Бұл болса іс жүзінде сүзгі­лерді таңдау кезінде олардың гидравликалық кедергі­сіне мұқият қарауды талап етеді. Кейбір сүзгілердің тесіктері үлкен болғанмен ағынды жеңіл өткізе қой­майтынын көреміз.

Осы мақаланың басында бөліп айтқан сүзгілеу жылдамдығына келетін болсақ, құйма өндірісіндегі құю режімін сақтау тұрғысынан қарағанда оның мәні жоғарыда келтірілген әдебиет деректерінен біршама артық болып тұрады. Құю жүйесі аумағында 0,01...1 см/с арасындағы сүзгілеу жылдамдығын қамтамасыз ету оңай шаруа емес. Оған тек сүзгіні үстіңгі қалып­тың жоғарғы бетінде орналасқан құю тостағанына қойып барып қана жақындауға болады. Ал енді, тік­түтіктің астындағы немесе одан кейінгі арналарда орналасқан сүзгіден өтетін ағын жылдамдығы ең кем дегенде 10 см/с, әйтпесе одан едәуір үлкен екенін дәлелдеу қиын емес.

Сөз соңында құю жүйесінің арналарында тұратын сүзгілердің қалыңдығы да шектеулі болатынын айта кету керек. Ең қалыңы 25 мм. Одан қалың болса ағын­ды тежеуі күшейіп кетеді. Қорыта келе, әдебиеттегі деректердің барлығы дерлік зертхана жағдайында ерекше әдістемелермен алынғаны көрінеді. Олардың басты ерекшелігі, әртүрлі материалдардан жасалған сүзгілердің балқымаларды кірінділерден тазарту мүм­кіндігі мен механизмін ашып көрсету болған. Осыдан, әдебиетте берілген құнды деректерді гидравликалық сипаттамалары жағынан оқшау тұрған құю жүйесін­дегі сүзгілеу үрдісіне тікелей көшіре салуға келмей­тініне көз жеткіздік.