Національна металургійна академія України

НОСКОВ Валентин Олександрович

УДК 622.7:771.07:669.054.8.002.68.

СТВОРЕННЯ І ВПРОВАДЖЕННЯ ПРЕСОВОГО УСТАТКУВАННЯ ДЛЯ БРИКЕТУВАННЯ ДРІБНОФРАКЦІЙНИХ МЕТАЛУРГІЙНИХ

ВІДХОДІВ

Спеціальність: 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті чорної металургії (ІЧМ) ім. З.І.Некрасова НАН України.

Науковий

консультант: | Член-кореспондент Національної академії

наук України, доктор технічних наук,

професор Большаков Вадим Іванович,

Інститут чорної металургії НАН України,

директор.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор ВЧИТЕЛЬ Олександр Давидович,

Криворізький металургійний факультет НМетАУ, декан.

Доктор технічних наук, професор ІЩЕНКО Анатолій Олексійович,

Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедрою механічного устаткування металургійних заводів.

Доктор технічних наук, старш.наук.співроб. БОГДАН Кім Степанович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів, старший науковий співробітник відділу автоматизації.

Провідна установа | Донецький державний технічний

університет Міносвіти і науки України,

кафедра ”Механічне устаткування заводів

чорної металургії”, м. Донецьк.

Захист відбудеться “04”__жовтня__ 2001 р. о _13_ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.84.03 Національної металургійної академії України.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці академії.

Автореферат розісланий “_30 ”_серпня_2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованого вченої ради Д.08.84.03

Іващенко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Україна має у своєму розпорядженні могутню індустрію, що базується на освоєнні власних мінеральних ресурсів. Протягом багатьох десятиріч видобуток і переробка цих ресурсів супроводжувалися утворенням і накопиченням техногенних відходів.

Щорічно в Україні утворюється близько 1 млрд. тон техногенних відходів, з яких 10...15 % використовуються як вторинні матеріальні ресурси, інші надходять у різні сховища (відвали, шламонакопичувачі, терикони і т.і.). До таких відходів, насамперед, відносяться аглодоменні і сталеплавильні шлами, прокатна окалина, колошниковий пил, коксовий дріб’язок, марганецьмістячі шлами і тонкі концентрати - в металургійній промисловості, вугільні шлами і штиби - у вугільній промисловості, чавунна, сталева, алюмінієва й інша стружка - у машинобудуванні. Значна частина цих відходів знаходиться в дрібнофракційному чи пилоподібному стані.

Залучення техногенних відходів у промисловий обіг є одним з найважливіших аспектів раціонального використання мінеральних і енергетичних ресурсів, створення безвідходних і маловідходних технологій, поліпшення екології в регіонах розташування підприємств і набуває усе більшу актуальність.

Основним напрямком утилізації техногенних відходів є розробка процесів їхньої підготовки до повернення в технологічний перероб. Процес підготовки, в основному, полягає в окускуванні промислових відходів, тому що в більшості випадків без окускування використання їх у технологічному переробі неможливе. Відомо, що дрібнофракційні і пилоподібні відходи часто не піддаються окускуванню методами агломерації та огрудкування. Тому перспективним, а найчастіше і єдиним способом окускування дрібнофракційних матеріалів є брикетування, яке дозволяє шляхом пресування одержувати міцні шматки однакових розмірів, форми і маси.

В останнє десятиріччя актуальність проблеми брикетування у вітчизняній і закордонній металургії різко зросла. Пов'язано це з виснаженням запасів родовищ, гострою конкуренцією на ринку чорних металів, з постійно зростаючим накопиченням техногенних відходів і вимогами екології. Основним агрегатом технологічного обладнання для виробництва брикетів є преси валкового типу, що забезпечують безперервність, економічність і високу продуктивність процесу. Задача створення надійних вітчизняних пресів для брикетування дрібнофракційних сировинних матеріалів і промислових відходів здобуває все більшу актуальність. Пов'язано це не тільки з необхідністю підготовки техногенних відходів, але і з тим, що в Україні, як і в інших країнах СНД, практично не було досвіду проектування і виготовлення валкових брикетних пресів. Незначна кількість валкових пресів вітчизняного виробництва, що працюють на деяких підприємствах, розроблена і виготовлена різними неспеціалізованими підприємствами. Дотепер був відсутній єдиний методичний підхід до принципів розрахунку і проектування брикетних пресів в цілому і їх основних вузлів. Ці преси розроблялися й експлуатуються без урахування властивостей шихтових матеріалів і особливостей технології їхнього брикетування, що приводить до невідповідності проектних і реальних навантажень, що виникають у їхніх основних вузлах і приводі, до погіршення якості продукції. Придбання пресів закордонного виробництва для потреб вітчизняних підприємств зв'язано з утрудненнями, що полягають, насамперед, у правильному виборі преса під конкретний матеріал для пресування, форму і розміри брикету. Крім того, висока вартість пресів та запасних частин до них потребує істотних витрат валютних коштів.

У зв'язку з цим розробки і дослідження, спрямовані на створення вітчизняних пресів для брикетування, зокрема, відходів гірничо-металургійного комплексу, і методики розрахунку їхніх параметрів є актуальними і мають теоретичне і практичне значення.

Дисертаційна робота є продовженням та розвитком напрямку по створенню технології й обладнання для брикетування металургійної сировини, розпочатого в Інституті чорної металургії (ІЧМ) НАН України близько 40 років тому під керівництвом академіка З.І.Некрасова.

Великий внесок у рішення питань технології брикетування на різних етапах розвитку цього напрямку внесли фахівці ІЧМ А.Г.Ульянов, Г.М.Дроздов, Б.М.Маймур, В.Ф.Мороз, Е.В.Приходько, Б.О.Нижегородов, В.В.Меркулов, В.В.Рутковський і ін., у створення брикетного обладнання – А.В.Праздніков, О.М.Кукушкін, В.І.Большаков, А.М.Йоффе, В.Ф.Тарасенко, І.Г.Муравйова, В.І.Головко та ін.

Робота виконана в Інституті чорної металургії НАН України і є частиною комплексу робіт, передбачених Державною Програмою використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 року (Постанова Кабінету Міністрів України № 668 від 28.06.1997 р.), а також виконаних за відомчим замовленням НАН України і договорами з підприємствами, що підтверджує її актуальність.

Мета роботи і задачі дослідження: Розвиток науково-методичних основ розробки технологічних, геометричних і силових параметрів брикетування шихт в валкових пресах на базі встановлення закономірностей деформації дрібнофракційних шихт у об’ємі, що поступово замикається, з урахуванням факторів, які впливають на ущільнення шихт, а також створення вітчизняної конструкції валкового преса, спрямоване на зниження металоємності та енергоспоживання, забезпечення технологічності виготовлення, компактності, простоти і зручності в експлуатації. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

- досліджувати основні фізико-механічні характеристики дрібнофракційних шихт, що визначають їхню поведінку при брикетуванні в валкових пресах;

- виконати теоретичне дослідження механізму деформації і параметрів брикетування шихт у валках з формуючими елементами на їхній робочій поверхні;

- розробити математичну модель для дослідження закономірностей ущільнення шихт в формуючих елементах з урахуванням впливу їхніх конфігурацій і розмірів;

- виконати експериментальне визначення основних параметрів і режимів брикетування шихт у валковому пресі і порівняти отримані значення з розрахунковими;

- створити методику й алгоритм розрахунку технологічних, геометричних і силових параметрів брикетування шихт у валковому пресі, що дозволяють визначати виникаючі навантаження в його основних вузлах і механізмах;

- на основі отриманих результатів, сформульованих вимог і нових технічних рішень розробити конструкцію валкового преса.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей обраних шихт визначені необхідні при розрахунку силових і конструктивних параметрів валкового преса такі характеристики, як ущільнення, коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя та встановлена їхня залежність від тиску пресування.

Розроблено теоретичні основи процесу пресування дрібнофракційних шихт у об’ємі, що поступово замикається, які дозволили установити закономірність розподілу нормальної контактної напруги по контуру формуючого елемента і дузі зони пресування з використанням аналітичної залежності між ущільненням і тиском пресування, на базі яких створена методика й алгоритм розрахунку параметрів процесу брикетування, що забезпечило можливість обґрунтованого вибору конструктивних параметрів валкового преса.

Уперше розроблена математична модель для визначення величини і характеру розподілу ущільнення по перетину формуючого елемента, яка дозволила на основі вибору геометричних параметрів елементів конструювати їхні типорозміри з забезпеченням необхідних показників брикетів. Експериментально встановлені залежності основних параметрів брикетування шихт у валковому пресі від їхніх фізико-механічних характеристик і режимів пресування.

На базі науково обґрунтованого розрахунку параметрів і нових технічних рішень розроблена конструкція валкового преса.

Вірогідність отриманих результатів забезпечена використанням фундаментальних положень механіки сипучих середовищ, теорії пресування і прокатки металевих порошків, добрим збігом результатів теоретичних і експериментальних досліджень, а також дослідно-промисловою перевіркою та успішною експлуатацією створеного валкового преса для брикетування.

Практична значимість і реалізація отриманих результатів роботи в промисловості. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, послужили основою для розробки валкових пресів і технологій брикетування дрібнофракційних шихт із техногенних відходів для ряду металургійних, гірничо-збагачувальних, машинобудівних і інших підприємств.

Розроблена методика розрахунку технологічних, геометричних і силових параметрів брикетування шихт у валкових пресах, на основі якої складений алгоритм розрахунку з програмною реалізацією на ПЕОМ, дозволила визначати величину і характер розподілу нормальної контактної напруги по контуру формуючого елементу і по дузі зони пресування, розпірне зусилля на валки, потужність приводу, геометричні параметри осередку деформації, параметри брикету і продуктивність преса. Створена математична модель зміни ущільнення по перетину формуючого елемента і розроблені на її базі методичні основи розрахунку з використанням ПЕОМ дозволили визначати і прогнозувати величину і характер розподілу ущільнення і, оперуючи геометричними параметрами формуючого елемента, конструювати його форму і поліпшувати рівномірність ущільнення.

Запропоновані методи розрахунку силових і конструктивних параметрів валкового пресу, реалізовані в програмі, можуть служити складовою частиною САПР по розробці брикетного обладнання. Здійснено впровадження валкового пресу на ряді підприємств. Результати роботи можуть бути використані в багатьох галузях промисловості при розробці технологій брикетування різних дрібнофракційних шихт із широким діапазоном фізико-механічних властивостей і створенні пресового обладнання для їхньої реалізації.

Результати роботи є складовою частиною комплексу робіт “Створення наукових основ, розробка і впровадження нового високонадійного обладнання для реалізації ресурсозберігаючих технологій металургійного виробництва”, відзначеного Державною премією України в галузі науки і техніки в 2000 році.

На захист виносяться:

- встановлені залежності між тиском пресування і коефіцієнтом ущільнення досліджуваних шихт, а також значення коефіцієнтів зовнішнього і внутрішнього тертя і закономірності їхньої зміни від тиску пресування;

- результати теоретичного й експериментального досліджень силових і конструктивних параметрів, а також режимів брикетування дрібнофракційних шихт у валкових пресах;

- аналітичне дослідження закономірностей ущільнення шихт в формуючих елементах, результати якого вперше дозволили визначати і прогнозувати величини і характер розподілу ущільнення по перетину формуючих елементів;

- науково-методичні основи розробки технологічних, геометричних і силових параметрів брикетування шихт у валкових пресах з урахуванням фізико-механічних властивостей шихт і закономірностей їхнього ущільнення в об’ємі, що поступово замикається, які дозволяють визначати раціональні конструктивні параметри і режими роботи валкових пресів;

- нові технічні рішення, спрямовані на створення конструкції валкового пресу, достоїнством якого є компактність, знижена металоємність, простота і зручність в експлуатації.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що, будучи відповідальним виконавцем і керівником науково-дослідних робіт по розробці технологій і обладнання для брикетування дрібнофракційних сировинних матеріалів і відходів металургійного й іншого виробництв, брав безпосередню участь у постановці задач, теоретичних дослідженнях, розробці методик досліджень і фізичних моделей, керував і брав участь в експериментальних дослідженнях, керував розробкою проектно-конструкторської документації, очолював авторський нагляд за виготовленням валкових пресів і їх випробування, аналізував і обґрунтовував отримані результати. Узагальнення результатів досліджень, написання статей у співавторстві і формування їхньої структури виконувалося при особистій участі автора. Основні ідеї, теоретичні положення і практичні рекомендації, представлені в роботі, розроблені і сформульовані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації повідомлені й обговорені на: Національній науково-технічній конференції “Нові й удосконалені технології для окускування сировини і виробництва чавуна і феросплавів”, Варна, Болгарія, 1990 р.; Всесоюзної науково-технічної конференції “Шляхи розвитку науки і техніки при підготовці руд чорних металів до металургійного переробу”, Кривий Ріг, 1991 р.; Українських науково-технічних конференціях по використанню відходів промислових підприємств (м. Кривий Ріг, 1994р., м. Київ, 1996 р., м. Яремча, 1998 р., м. Жобрин Рівненської обл., 1999 р., м. Ялта, 1999 р.); Міжнародних науково-технічних конференціях по аглодоменному виробництву (м. Дніпропетровськ, 1995 р., м. Маріуполь, 1997 р.); Міжнародному семінарі по економічним аспектам застосування чистих технологій, раціонального використання енергоресурсів і утилізації відходів у чорній металургії, Австрія, м. Лінц, 1998 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Організаційно-правові й екологотехнологічні аспекти утилізації промислових і побутових відходів”, м. Маріуполь, 1999 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Використання відходів виробництва гірничо-металургійного і паливно-енергетичного комплексів України, хімічних і гальванічних виробництв у будівельній індустрії і дорожньому господарстві” м. Ялта, 2000 р.

Публікації. Результати роботи викладені в 29 основних статтях у наукових журналах, збірниках і працях конференцій, у тому числі 9 без співавторів, у 3-х авторських свідоцтвах на винаходи, а також є понад 20 статей і тез доповідей за темою дисертації, які не увійшли в прикладений список праць.

Матеріали дисертації ввійшли в монографію ”Высоконадежное металлургическое оборудование в ресурсосберегающих технологиях”, автори В.І.Большаков, О.П.Ващенко, О.Г.Величко, І.Й.Дишлевич, В.О.Єрмократьєв, В.О.Носков, С.Т.Плискановський, І.М.Спиридонова, В.К.Цапко та Є.О.Царицин. Дніпропетровськ, Інститут технологій, 2000. - 230 с.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів з висновками по кожному розділу, загальних висновків, викладена на 318 сторінках, включаючи 8 додатків, 75 малюнків, 13 таблиць і список використаних джерел з 155 найменувань.

Дисертація являє собою узагальнення наукових результатів, отриманих автором при виконанні науково-дослідних робіт в Інституті чорної металургії ім.З.І.Некрасова НАН України в період з 1988 по 2000 р.р.

Автор висловлює щиру подяку член-кор. НАН України, докт.техн.наук, проф. Большакову В.І. за надання допомоги при всебічному обговоренні результатів роботи і консультації на різних етапах її виконання. Висловлюю свою вдячність докт.техн.наук, проф. Кукушкіну О.М. за творче співробітництво у створенні схеми принципово нового виду валкового преса й обговоренні нових технічних рішень.

З вдячністю відзначаю плідне співробітництво, цінні поради, зауваження і рекомендації фахівців-виробничників, з допомогою яких результати роботи доведені до практичного використання.

Вважаю своїм обов’язком висловити особливу подяку співробітникам групи розробки технологій і обладнання для підготовки шихтових матеріалів відділу технологічного обладнання і систем управління ІЧМ НАНУ, що працювали під моїм керівництвом, за допомогу в проведенні експериментальних досліджень, обробку й обговорення отриманих результатів, за їхній професіоналізм і підтримку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, наукова новизна і вірогідність виконаних у роботі досліджень. Викладені мета роботи і задачі досліджень, практична значимість отриманих результатів, особистий внесок автора, представлені положення, що виносяться на захист, а також загальні відомості про реалізацію розробок у промисловості, публікації і апробації роботи.

У першому розділі виконано аналіз розробок в області теорії і практики брикетування дрібнофракційних матеріалів. Процес брикетування шихт із дрібнофракційних техногенних відходів протікає відповідно до загальних закономірностей ущільнення дисперсних матеріалів, найбільше повно дослідженими в порошковій металургії. Основною задачею процесу пресування сипучих тіл є встановлення кількісної залежності їхньої щільності від тиску пресування. Розробка технології пресування звичайно починається саме з встановлення цієї залежності. Через складність і різноманітність фізико-хімічних процесів, що протікають при пресуванні, розходження властивостей зпресовуваних матеріалів і зміни їхнього характеру на різних стадіях ущільнення не вдається теоретично вивести надійні рівняння для широких інтервалів тиску. Тому встановленню залежності між діючими на сипуче тіло силами і його щільністю присвячена велика кількість як експериментальних, так і теоретичних робіт. Аналіз цих робіт показав, що отримані залежності у вигляді рівнянь справедливі тільки у визначених інтервалах тисків, для визначених класів матеріалів і схем навантажень. Крім того, ці рівняння описують процес пресування сипучих матеріалів у чистому вигляді, тобто без сполучних добавок. Що ж стосується процесу ущільнення дрібнофракційних техногенних відходів, у т.ч. зі сполучними добавками, то розглянуті рівняння не можуть бути безпосередньо використані для його описування в зв’язку з відсутністю даних про фізико-механічні характеристики, які визначають поводження цих матеріалів при ущільненні.

Крім порошкової металургії, де питання пресування порошкових мас вивчалися і розроблялися такими дослідниками як М.Ю.Бальшин, Б.А.Борок, Г.М.Жданович, Г.А.Меєрсон, І.Д.Радомисельський, Ю.Г.Дорофєєв і ін., визначений інтерес представляє і ряд даних з області механіки насипних вантажів, механіки ґрунтів і техніки гранулювання. Безпосередньо вивченню процесу брикетування і розробці пресового обладнання присвячені окремі роботи вітчизняних авторів і авторів із країн ближнього і далекого зарубіжжя. Виконаний аналіз показав, що, незважаючи на зростаючий інтерес до брикетування, теоретичним дослідженням процесу брикетування уваги приділяється мало. Недостатньо розроблена теорія процесу брикетування в валкових пресах, відсутній науково обґрунтований підхід до визначення параметрів брикетування і принципів розрахунку валкових пресів.

Одним з основних питань дослідження процесу брикетування у валковому пресі є визначення технологічних навантажень. Огляд робіт закордонних авторів Дж.Йохансона і Л.С.Хариса (США), Х.Ришеля і Г.Бергендаля (Німеччина) показав відсутність методики визначення технологічних навантажень. Визначенню технологічних навантажень при пресуванні у валках присвячені роботи Г.А.Виноградова, В.П.Каташинського, О.О.Катруса, Е.Б.Ложечникова, П.В.Классена, І.Г.Гришаєва та ін. розробників теорії прокатки порошків і гранул.

Близькість теорії прокатки порошків і гранул до теорії процесу брикетування використовували у своїх роботах І.К.Білий і Р.С.Йоффе. Проте теорія прокатки порошків, незважаючи на свою близькість, не враховує відмінних рис і умов процесу брикетування, викликаних наявністю формуючих елементів на робочих поверхнях валків.

Автором даної дисертації в раніше виконаних дослідженнях, викладених у кандидатській дисертації, розглянуто процес брикетування як спільний процес пресування (за аналогією з процесом пресування в замкнутому об’ємі, тобто в пресформі) і прокатки сипучих матеріалів у валках. Але при визначенні параметрів осередку деформації і розрахунку силових параметрів процесу брикетування було прийняте допущення, що полягає в заміні конфігурації формуючого елемента найпростішою еквівалентною по площі фігурою, зокрема, прямокутником. У результаті такої заміни неможливо визначити розподіл контактних напруг по контуру реального формуючого елемента, відомості про які важливі для розрахунку виникаючих навантажень у цих елементах, і знижується точність визначення повного тиску на валки. Крім того, при розрахунку параметрів преса не враховувався вплив конфігурації формуючого елемента на величину ущільнення шихти і зусилля пресування відповідно.

З аналізу перерахованих вище робіт випливає, що дослідження процесу брикетування виконані з рядом допущень, які не враховують особливості і специфіку процесу пресування в об’ємі, що поступово замикається, і не повністю відбиває фізичні закономірності зміни стану шихти в зоні деформації. Крім того, ці дослідження і розроблені на їхній основі методики розрахунку не дають комплексного представлення про взаємозв'язок фізико-механічних властивостей шихти, умов одержання брикету і виникаючих навантажень в обладнанні.

Аналіз літературних джерел по конструкціях пресового обладнання показав, що нині в брикетному виробництві широкого поширення набули валкові преси, які забезпечують безперервність процесу, низькі експлуатаційні витрати і невеликі габарити в порівнянні зі штемпельними, кільцевими та іншими пресами. Україна, як і інші країни СНД, не має в розпорядженні організацій і підприємств, що забезпечують розробку і серійне виготовлення валкових брикетних пресів. Відсутністю валкових пресів вітчизняного виробництва пояснюється повільне впровадження брикетування в промисловості України.

Для визначення основних напрямків створення вітчизняних пресів розглянуті конструктивні особливості і умови експлуатації валкових пресів, що виготовляються спеціалізованими закордонними фірмами.

З досвіду провідних закордонних фірм “Кепперн” і “Бепекс” (Німеччина), “Комарек-Грейвз” (США), “Сау-Конрер) (Франція), “Замет” (Польща) по створенню валкових пресів і їхньому удосконалюванню випливає, що тепер приділяється велика увага розробці раціональних конструкцій станин, окремих вузлів преса і їхньому компонуванню. Роботи з удосконалювання конструкцій станин валкових пресів ведуться постійно. У зв’язку з тим, що станина є найбільш металоємним, складним і трудомістким у виготовленні елементом пресу, представляє інтерес розвиток напрямку по створенню конструкцій валкових пресів, де станина, зберігаючи функціональне призначення, набуває невластиві їй форми й особливості. Тобто, по суті мова йде про спрямованість технічної думки розроблювачів на створення безстанинних пресів. Відзначаючи доцільність і перспективність даного напрямку, варто підкреслити, що виготовлених і експлуатованих безстанинних пресів, або розроблених на рівні конструктивних чи технічних рішень, дотепер практично не було. Тому розробки в цьому напрямку становлять науково-технічний інтерес і мають практичне значення

Другий розділ присвячений експериментальним дослідженням основних фізико-механічних характеристик, що визначають поводження шихт при брикетуванні. У процесі брикетування сипуча шихта знаходиться в різних станах: в стані відносного тимчасового спокою в бункерах-нагромаджувачах, в стані шару, що рухається, у рівчаках і шихтопроводах, в стані руху зі зростанням її ущільнення в зоні захоплення валками і осередку деформації. Інформація про зміну параметрів, що характеризують поводження шихт у зазначених станах, необхідна для визначення розмірів зони ущільнення у валках, навантажень, що виникають у пресі, і технологічних показників процесу брикетування.

Для досліджень обрані типові, придатні для утилізації методом брикетування відходи металургійної, машинобудівної і вугільної промисловостей. З відходів металургійного виробництва були відібрані проби прокатної окалини крупністю (-5 мм) і крупністю (-2 мм), залізовмісний шлам і колошниковий пил ВАТ ”Металургійний завод ім. Петровського”. Як відходи вугільної промисловості відібрані проби коксового дріб'язку крупністю (-5 мм), шлам вугільний Ясиновского коксохімзаводу і штиб вугільного ЦОФ ”Антрацит” (Донецька обл.). Відходи машинобудівного виробництва представлені алюмінієвою стружкою і чавунною стружкою Дніпропетровського заводу прокатних валків. Ці обрані матеріали охоплюють коло найбільш масових відходів виробництва, насамперед металургійного, і істотно відрізняються за хімічним і гранулометричним складом, сипкістю, здатністю часток протистояти деформації і руйнуванню при обтисненні й іншими показниками.

Як сполучні добавки використані найбільш розповсюджені в технології брикетування матеріали - вапно, лігносульфонат технічний (ЛСТ) і рідке скло (РС).

Дослідження фізико-механічних характеристик приведених шихт полягали у визначенні гранулометричного складу, насипної щільності, вологості, ущільнення і коефіцієнтів зовнішнього і внутрішнього тертя. Визначення зазначених характеристик проводилося як за стандартними, так і за спеціально розробленими у ІЧМ методиками. Для вивчення процесу ущільнення досліджуваних шихт використана розроблена раніше за участю автора установка на базі гідравлічної випробувальної машини ЦД-10, що дозволяє здійснювати пресування дрібнофракційних матеріалів як у холодному, так і в гарячому стані. Пресування вироблялося в сталевий пресформі діаметром 20 мм. Діаграми пресування в координатах ”тиск-усадка” автоматично записувалися двохкоординатним самописом. На їхній основі установлений функціональний зв'язок усадки (ущільнення) шихт в пресформі з тиском пресування і побудовані криві ущільнення в координатах ”тиск пресування - коефіцієнт ущільнення” (рис. ). Усі криві описують плавний перехід від сипучої речовини до твердого пористого тіла. При виконанні розрахунків параметрів процесу брикетування і пресового обладнання приведені на рис. графічні залежності зручніше використовувати у вигляді аналітичних виразів. Аналіз виконаної

Рис.1. Залежність ущільнення шихт від тиску пресування

математичної обробки графічних залежностей показав, що процес ущільнення групи шихт (криві пресування 1,4,5,6,9,10) може бути описаний одним рівнянням типу:

,

де а й в - постійні коефіцієнти, що характеризують склад шихти;

- коефіцієнт ущільнення шихти; бр- щільність брикету;

н – насипна щільність шихти.

Інша група (криві пресування 2,3,7,8) описується комбінацією рівнянь для 0<Р<50 МПа і Р=а+вКу для 50 МПаР100 МПа.

Отримані аналітичні вирази залежності ущільнення досліджуваних шихт від тиску пресування використовуються для оцінки їх зпресовуваності і визначення необхідних режимів одержання брикетів з них.

При визначенні розмірів зони пресування, розрахунку параметрів процесу брикетування шихт у валкових пресах необхідні відомості про величини коефіцієнтів зовнішнього (f1) і внутрішнього (f2) тертя зпресовуваних шихт. Тертя в сипучих середовищах являє собою опір взаємному переміщенню (зрушенню) часток і є функцією нормального тиску, переданого на поверхню, що складається із сукупності окремих часток. Інтерес представляє визначення параметрів опору зрушенню досліджуваних шихт як при малих напругах, коли шихта знаходиться у вихідному стані насипки, так і при зростанні тиску, що викликає ущільнення шихти. В літературі такі відомості для досліджуваних шихт відсутні.

Значення f1 для досліджуваних шихт у стані насипки визначали за кутом зрушення шихти по похилій площині, а f2- за обмірюваним кутом природного схилу.

Визначення f1 і f2 у діапазоні низьких тисків (до 0,05 МПа), що відповідають стану шихти в завантажувальній лійці преса і зоні захоплення її валками, здійснювали за допомогою розробленого і виготовленого варіанта відомого пристрою – трибометра. При прикладанні до шихти навантаження вище 0,05 МПа (відповідної стану у осередку деформації) вимірювання f1 і f2 проводилося з використанням відомої методики шляхом вимірювання моменту сил тертя на торці обертового циліндричного пуансона по поверхні шару засипаної в пресформу шихти, що ущільнюється. Розроблений і виготовлений вимірювальний пристрій зібраний на базі гідравлічної випробувальної машини ЦД-10. При вимірі f1 використовували верхній пуансон пристрою з гладким торцем, а при вимірі f2 – з рифленим торцем. Нижній пуансон зафіксований від провороту. Представлено залежності значень f1 і f2 досліджуваних шихт від тиску пресування. Отримані результати використовуються в якості вихідних даних при визначенні кутів подавання шихт на валки, а також у розрахунку силових і конструктивних параметрів процесу брикетування і пресового обладнання.

У третьому розділі виконане теоретичне дослідження механізму деформації і параметрів брикетування дрібнофракційних шихт в валкових пресах. Процес деформування сипучих дрібнофракційних шихт у валках відрізняється від процесу прокатки компактних матеріалів у валках і від процесу пресування в штемпельних пресах і нині ще недостатньо вивчений. Дослідження осередку деформації і механізму ущільнення сипучих середовищ у незамкнутому об’ємі при пресуванні у валках зі складною криволінійною конфігурацією формуючих елементів спрямовано на визначення технологічних, енергосилових і кінематичних параметрів процесу брикетування. В даний час одержали поширення валки з виконаними на робочій поверхні формуючими елементами двох типів: симетричними напівформами у вигляді подушкоподібних чи лінзоподібних осередків і з зубчасто-жолобчастим профілем. Саме ці два різновиди формуючих елементів визначають особливості і різні умови захоплення шихти валками в зону пресування. На основі прийнятих для цих різновидів формуючих елементів схем формування осередку деформації розглянуті умови захоплення шихти валками і механізм утворення зони пресування з параметрами, що її характеризують. Аналітично визначені граничні кути подачі шихти на валки з зазначеними різновидами формуючих елементів, а також граничні кути пресування для них:

- для валків із симетричними напівформами (осередками)

(1)

де г – граничний кут подачі шихти на валки;

Dв – зовнішній діаметр валків;

д - зазор між валками;

- кут ліній ковзання щодо напрямку головної деформації.

- для валків із зубчасто-жолобчастою конфігурацією формуючих елементів

, (2)

де -граничний кут подачі шихти на ячеїсту поверхню валків;

- граничний кут подачі шихти на жолобчасту (гладеньку) поверхню валків;

R1 і R2 - радіуси ячеїстої і жолобчастої поверхонь валків, відповідно.

Осередок деформації і характерні для нього параметри, представлені в такий спосіб (рис. ). Шихта з вихідною насипною масою і вихідною шириною перетину Н, обумовленого граничним кутом подачі Г, подається за допомогою завантажувального пристрою на валки.

Умовами захоплення шихти валками формується шар шихти у вигляді умовного перетину шириною Н1, обмеженого з боку валків поверхнями формуючих елементів, а зверху і знизу двома площинами, паралельними лінії центрів валків, які проходять через верхні і нижні точки сполучень контуру формуючих елементів з циліндричною поверхнею валків. Перетин Н1 і кут о, що визначає його положення щодо лінії центрів валків, є параметрами, що характеризують початок пресування шихти. При цьому допускаємо, що шихта, обмежена контурами даного перетину, при обертанні валків ущільниться і повністю зосередиться в перетині брикету на лінії центрів валків. Кут о, як визначальне одержання максимальної можливої щільності брикету для заданого діаметра валків і конкретної шихти, є граничним найбільшим кутом пресування. Зміна щільності брикетів здійснюється, наприклад, за допомогою регульованих заслінок, у результаті чого в діапазоні о установлюється перетин, наприклад, Н2 і відповідний цьому перетину кут пресування пр., що характеризують одержання брикетів необхідної щільності. В міру проходження зони пресування шихта від перетину Н2 поступово ущільнюється і формується до товщини брикету Нбр. на лінії центрів валків. Внаслідок пружної деформації валків, поступового розкриття калібру і можливого пружного розширення брикету зона пресування збільшується на кут р. Зона, обмежена кутом р, - зона розвантаження.

При розробці і розрахунку конструкції валкового преса необхідні дані про навантаження, які виникають у його вузлах в процесі брикетування сипучих шихт. Основним технологічним навантаженням є тиск збрикетовуваної шихти на валки (зусилля пресування), урівноважене з боку преса розпірним зусиллям. При обчисленні величини розпірного зусилля необхідно визначити значення і характер розподілу нормальної контактної напруги по контуру формуючого елемента й уздовж осередку деформації. Особливий інтерес представляє визначення значень контактних напружень і параметрів ущільнення з урахуванням реальних конфігурацій формуючих елементів, виконаних на робочих поверхнях валків.

Одним з основних параметрів, що характеризує одержання у валках брикету з заданими властивостями, є коефіцієнт ущільнення, що представляє собою відношення геометричних перетинів на вході шихти у валки і виході з них.

(3)

де S(пр) – площа перетину, положення якого визначається кутом пресування пр;

Sбр. площа перетину брикету на лінії центрів валків.

Поточне значення коефіцієнта ущільнення визначається виразом

(4)

де і і Ні - поточні значення кута пресування і ширини перетину, відповідно.

Розглянуті схеми ущільнення шихти в валках і отримані вирази для визначення коефіцієнтів ущільнення в формуючих елементах, положення яких визначається кутом і :

- в формуючих елементах у вигляді симетричних напівформ:

, (5)

де Sя - площа перетину формуючого елементу (осередку), обмеженого з однієї сторони його контуром, а з іншої сторони хордою, проведеною через дві точки сполучень контуру з циліндричною поверхнею валків;

Sтр – площа трапецій, положення яких визначається відповідними кутами, бічні сторони є зазначеними хордами осередків, а підставами - лінії, паралельні лінії центрів і з'єднуючі бічні сторони (хорди) між собою.

- в формуючих елементах зубчасто-жолобчастої конфігурації

(6)

Процес брикетування дрібнофракційних шихт у об’ємі, що поступово замикається, розглянуто як спільний процес пресування (за аналогією з процесом пресування в пресформі) і прокатки сипучих матеріалів у валках (у незамкнутому об’ємі). Прийнято такі припущення:

1. Об’єм шихти, що знаходиться між поверхнями формуючих елементів з моменту початку пресування, цілком обтискується до об’єму брикету на лінії центрів валків.

2. Контур формуючих елементів вважається абсолютно твердим.

3. В процесі пресування шихта уздовж контурів формуючих елементів не переміщується.

У зоні пресування шихта від початкового перетину S(пр), обумовленого кутом пресування пр, поступово ущільнюється і формується до перетину брикету (рис. , а). За викладеними вище причинами зона пресування виростає на величину кута р. Розглянутий плоский напружений стан нескінченно малого елемента, виділеного на дузі MN формуючого елемента (рис. , б) у точці А (х; у) у виді трикутної призми (рис. , в). Сторона (грань) ds зображеного трикутника є дотичною до дуги MN в точці А (х; у), а грані dх і dу піддаються напруженням у і х , відповідно. Припустимо, що в умовах сталого режиму пресування горизонтальне напруження у є найбільшим головним на грані dх, а вертикальне х - найменше головне напруження на грані dу. Спроектувавши всі сили, прикладені до виділеного трикутного елемента, на осі Х и У, і виконавши відповідні перетворення, одержимо рівняння для визначення нормального контактного напруження в точці А.

(7)

де - кут між дотичною до дуги MN у точці А и напрямком осі Х.

Установивши зв’язок між головними нормальними напруженнями ху, де - коефіцієнт бічного тиску, одержимо

(8)

r() точки А (х; у), має місце залежність =+. Кут визначає положення точки на контурі формуючого елемента і не залежить від положення елемента в площині ХУ. Враховуючи, що кути і зв'язані залежністю , а кут визначається через кути і , вираз (8) представлено у вигляді

(9)

Вираз (9) дозволяє визначити величини нормальної контактної напруги та характер її розподілу як по контуру формуючого елементу, так й по дузі пресування. Допускаючи, що між валками в осередках відбувається процес, аналогічний процесу ущільнення шихти в пресформі приймаємо рівність між у і тиском пресування, наприклад, у вигляді залежності Тоді, знаючи ширину осередку, можна визначити зусилля, що діє з боку шихти на осередок, що знаходиться в положенні, обумовленому кутом (10)

де В - середня ширина осередку.

Зусилля, що діє по дузі пресування одного ряду осередків, визначається рівнянням

(11)

де - середня нормальна контактна напруга в осередку.

Зусилля пресування, що діє на валок по всій його ширині і дузі пресування з урахуванням зони розвантаження визначається виразом

, (12)

де Z – число рядів осередків по ширині валка.

Вираз (10) дозволяє простежити динаміку зміни зусилля в осередку по довжині дуги зони пресування. Епюра зусилля має характер плавного наростання від нуля в перетині захоплення шихти валками до крутого підйому до максимуму на лінії центрів валків і різкого падіння до нуля в перетині виходу брикету з валків. Розроблено програму на ПЕОМ розрахунку плеча моменту сил опору по епюрі зусилля в осередку. Приведено аналітичні вирази для визначення обертаючого моменту і потужності приводу валків пресу. Отримані результати теоретичних досліджень є основою для розробки методики розрахунку силових і конструктивних параметрів валкових пресів. Результати отримані для квазистатичного процесу і не враховують впливу швидкості процесу брикетування і витиснення шихти з формуючих елементів на її ущільнення

У четвертому розділі розглянуте дослідження впливу конструктивних параметрів валків пресу на процес ущільнення шихт.

Основним параметром, що визначає продуктивність валкового пресу, є частота обертання валків. Відомо, що безупинне ущільнення дрібнофракційних шихт в валкових пресах супроводжується противотоком газової фази, що видавлюється із шихти у напрямку, зворотному напрямку її подачі. Повітря (газ), що витісняється, у залежності від швидкості процесу брикетування може перешкоджати надходженню шихти у осередок деформації і викликати зниження щільності брикетів. Тому підвищення продуктивності пресу за рахунок збільшення частоти обертання валків лімітується зниженням щільності брикетів. Результати експериментів з шихтами без сполучних добавок підтвердили припущення про порушення їхньої щільності у осередку деформації при збільшенні швидкості процесу брикетування. Процес брикетування дрібнофракційних промислових відходів здійснюється, як правило, з використанням сполучних добавок. Тому основна увага приділена проведенню експериментів по брикетуванню досліджуваних шихт зі сполучними добавками.

Експерименти показали, що в дослідженому діапазоні частот обертання валків (n=1...11 хв-1), характерному для промислових валкових пресів, зниження коефіцієнта ущільнення шихт практично не спостерігається.

Пояснюється це впливом сполучних добавок на зміну властивостей шихти, який базується на підвищенні її зв’язності та укрупненні часток, що підтверджено результатами випробних перевірок на спеціальній установці. Що ж стосується процесу брикетування без сполучних добавок, то для його забезпечення без зниження щільності при збільшенні швидкості процесу, необхідно також йти шляхом зміни властивостей шихти, насамперед, за рахунок таких заходів, як зволоження шихти, збільшення розмірів часток (гранул) і т.д.

Розглянуто і проаналізовано витіснення шихти з формуючих елементів валків у зоні пресування. Витіснення (зворотний плин) шихти залежить від фізико-механічних властивостей шихти і конфігурації формуючих елементів. Досліджено основні параметри, що впливають на процес витіснення шихт, і отримані аналітичні вирази для їхнього визначення. На їхній основі показане рішення задачі по витісненню шихти з формуючих елементів на прикладах брикетування однієї з досліджуваних шихт в формуючих елементах лінзоподібної і зубчасто-жолобчастої конфігурацій різних розмірів. Установлено, що на процес витіснення шихти з метою його зменшення можна впливати такими параметрами, як діаметр валків, довжина формуючого елементу і час його закриття, що підтверджується виконаними розрахунками. Так, наприклад, зменшення довжини формуючого елементу лінзоподібної конфігурації в 1,5 рази приводить до зменшення об’єму шихти, що витісняється з формуючого елемента, в 11,5 рази. Для успішного використання брикетів у технологічних переробах треба забезпечити їм необхідну щільність (пористість), міцність, оптимальні розміри і форму. Як правило, щільність у брикеті розподіляється нерівномірно. У той же час міцність і інші оціночні показники брикетів залежать від рівномірності розподілу щільності в них. Вибір форми і розмірів промислового брикету, як випливає з літературних джерел, здійснюється в основному без особливих доказів їхньої оптимальності. В цілому параметри формуючих елементів повинні забезпечити як можна більш рівномірний розподіл щільності по об’єму брикету, у противному випадку стають можливими такі дефекти, як осипання, тріщини, розшарування і т.д. Дослідження в цьому напрямку дуже нечисленні, невідомі обґрунтовані методики розрахунку параметрів формуючих елементів і їхнього впливу на розподіл щільності в брикетах. Тому розробки в цьому напрямку є важливою задачею, що представляє науковий і практичний інтерес.

На основі аналітичних досліджень нами розроблена математична модель для визначення величини і характеру розподілу ущільнення по перетину формуючого елемента. Ідея досліджень полягає у виборі довільної кількості точок, рівномірно розподілених по перетині формуючого елемента, у т.ч. які знаходяться на його контурі, математичному описуванні контурів формуючих елементів різних конфігурацій, аналітичному визначенні коефіцієнтів ущільнення шихт для кожної точки конкретного формуючого елементу в функції кута повороту валків з урахуванням його конфігурації і розмірів. Крім зазначених у розділі 3, прийняте ще допущення про те, що особливості ущільнення в прикордонному шарі