Створення та дослідження технології брикетування порошкових відходів алюмінієвого виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.762.4

Створення та дослідження технології брикетування

порошкових відходів алюмінієвого виробництва

Спеціальність: 05.03.05. - Процеси і машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

НІКІТІН ВАДИМ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Донецьк - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет, зав. Кафедри "Прикладне матеріалознавство"

Офіційні опоненти Доктор технічних наук, професор, Бейгельзімер Яків Юхимович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри "Обробка металів тиском" (м. Донецьк).

Кандидат технічних наук, доцент, Подлєсний Сергій Володимирович, Донбаська державна машинобудівна академія, декан факультету "Автоматизація машинобудування", зав. кафедри "Технічна механіка" (м. Краматорськ).

Провідна установа Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 12 " вересня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.11.052.01 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, в ауд. 353 V-го навчального корпусу.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий 9 серпня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої

ради Д.11.052.01,

доктор технічних наук, професор Алімов В.І.



АНОТАЦІЯ

Нікітін В.В. Створення та дослідження технології брикетування порошкових відходів алюмінієвого виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском. Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2002 р.

Дисертація спрямована на рішення задачі утилізації порошкових відходів алюмінієвого виробництва, зокрема шлаків виробництва вторинного алюмінію, присвячена питанню створення і дослідження технології брикетування даних відходів, з метою їхнього подальшого використання при виплавці чорних металів. Розроблені та досліджені процеси пресування і пресування зі зсувом відходів на основі алюмошлаків. Встановлено вплив технологічних параметрів процесів пресування на фізико-механічні властивості брикетів і визначені їхні оптимальні значення. Виконано аналіз напружено-деформаційного стану при пресуванні зі зсувом, розроблена методика розрахунку дотичних напруг й оцінений їх вплив на властивості брикетів. Подано математичну модель міжчастинкових зв'язків порошкового тіла. На основі представлених у дисертації теоретичних рішень і результатів досліджень розроблена технологія виготовлення брикетів зі шлаків виробництва вторинного алюмінію, що впроваджена на СП "Інтерсплав".

Ключові слова: брикетування, відходи, алюмошлаки, нікельвміщуючі шлами, брикет, пресування, пресування зі зсувом, параметри, тиск, фізико-механічні властивості, щільність, границя міцності, стійкість до руйнування, напружено-деформаційний стан, міжчастинкові зв'язки.



АННОТАЦИЯ

Никитин В.В. Создание и исследование технологии брикетирования порошковых отходов алюминиевого производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002 г.

Диссертация направлена на решение задачи утилизации порошковых отходов алюминиевого производства, в частности шлаков производства вторичного алюминия, посвящена вопросу создания и исследования технологии брикетирования данных отходов, с целью их дальнейшего использования при выплавке черных металлов.

Разработаны методы получения брикетов из алюмошлаков и никельсодержащих шламов с использованием операций обработки давлением. Определены параметры технологического процесса брикетирования. Оценено влияние схемы деформации, давления прессования, времени выдержки брикетов на воздухе после брикетирования, количества связующего в шлаковой смеси, количества крепителя в связующем, отношения содержания химических элементов в шлаковой смеси, температуры и времени сушки на плотность брикетов, их прочность на сжатие и устойчивость брикетов к разрушению.

Разработан и исследован процесс прессования отходов на основе алюмошлаков. Установлено влияние давления прессования на физико-механические свойства брикетов. Определены оптимальные давления прессования алюмошлаков и алюмошлаков в смеси с никельсодержащими шламами, обеспечивающие получение брикетов требуемой плотностью, пределом прочности на сжатие и устойчивостью к разрушению.

Разработан и исследован процесс прессования со сдвигом алюмошлаков. Определено влияние давления и угла наклона рабочей поверхности пуансонов на физико-механические свойства брикетов. Применение процесса прессования со сдвигом вместо прессования позволило увеличить прочность брикетов в 2,4 раза, а устойчивость к разрушению - в 1,75 раз. Это свидетельствует о том, что прессование со сдвигом обеспечивает получение брикетов с более высокими механическими свойствами. утилізація шлак брикетування алюміній

На основе анализа напряженно-деформированного состояния при прессовании со сдвигом разработана методика расчета касательного напряжения и оценено его влияние на физические и механические свойства брикетов. Установлена зависимость величины касательного напряжения от угла наклона рабочей поверхности пуансонов. Определена зависимость предела прочности брикетов до сушки и после сушки от величины касательных напряжений при различных давлениях прессования. Использование полученных зависимостей позволяет определять условия деформирования брикетов с наилучшими свойствами.

Для оценки силы взаимодействия частиц при смещении соседних слоев брикета, полученного прессованием со сдвигом, разработана математическая модель межчастичных связей порошкового тела. Получено выражение для определения касательных напряжений от величины сдвига соседних слоев брикета, по которому определены параметры модели: число межчастичных связей, средние расстояния, проходимые частицей до образования и разрыва связи. Установлены зависимости касательных напряжений от величины сдвига для различных углов наклона рабочей поверхности пуансона и количества связей от давления прессования. Максимальная величина напряжений при сдвиге зависит от давления прессования и угла наклона рабочей поверхности пуансонов. Количество связей линейно зависит от давления прессования.

На основе представленных в диссертации теоретических решений и результатов исследований разработана технология изготовления брикетов из шлаков производства вторичного алюминия, которая внедрена на СП "Интерсплав". Готовые брикеты использованы на металлургическом комбинате им. "Ильича" г. Мариуполя.

Ключевые слова: брикетирование, отходы, алюмошлаки, никельсодержащие шламы, брикет, прессование, прессование со сдвигом, параметры, давление, физико-механические свойства, плотность, предел прочности, устойчивость к разрушению, напряженно-деформированное состояние, межчастичные связи.



SUMMARY

Nikitin V.V. Creation and research of technology of crowding powder wastes of aluminium manufacture. - Manuscript.

The dissertations on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on the speciality 05.03.05 - Processes and machines of plastic metal working. Donetsk national technical university, Donetsk, 2002.

The thesis is directed on the decision of a task of reclamation of aluminium manufacture powder waste, in particular slags of secondary aluminium manufacture. It is devoted to a question of development and research of briquetting technology of this waste with the purpose of their further use in melting of iron metals. The processes of pressing and pressing with shearing of waste on a basis Al-slags are developed and investigated. The influence of technological parameters of pressing processes of on physical-mechanical properties of briquettes is determined and the optimal values of the parameters are defined. The analysis of stress-strain state at pressing with shear is executed, the technique of calculation of a tangential stresses is developed and its influence on properties of briquettes is appreciated. The mathematical model of interparticles' links of a powder body is submitted. On the basis of presented theoretical decisions and results of researches the technology of manufacturing the briquettes from slags manufacture of secondary aluminium is developed and this technology was put into practice at the JV "Interslav".

Key words: briquetting, waste, Al-slags, Ni-slimes, briquette, pressing, pressing with shear, parameters, pressure, physical-mechanical properties, density, strength, stability to destruction, stress-strain state, interparticles' links.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час в Україні нагромадилося більш 20 млрд. тонн промислових відходів, що займають площу близько 55 тис. га. Щорічний приріст твердих промислових відходів складає 1,4-1,5 млрд. тонн. Нагромадження у відвалах такої великої кількості металургійних відходів із ріку в рік приводить не тільки до вилучення корисних площ з господарського обігу, але і забрудненню повітря, ґрунтів, рослин, поверхневих і підземних вод, що негативно позначається на екологічному стані навколишнього середовища. Утилізація технологічних промислових відходів дозволяє підвищити ефективність виробництва, збільшити заощадження природних ресурсів, а також багато в чому вирішує й екологічні проблеми.

На підприємствах металургійного комплексу найбільшу вагу відходів складають супутні продукти плавлення - металургійні шлаки та шлами.

В даний час існують способи переробки шлаків, заснованих на хімічних та механічних процесах. Зокрема, шлаки алюмінієвого виробництва знайшли застосування в якості розріджувача та розкислювача при виплавці чавуну та сталі замість природних ресурсів: бокситів та плавикового шпату. Ці шлаки мають порошковий стан з пилоподібними частинками, і тому процес їхнього використання в такому становищі утруднений, тому що супроводжується пилом і забрудненням навколишнього середовища. Тому стало питання про переробку шлаків в брикети - екологічно чисту сировину для чорної металургії. Переробка ж цих шлаків в брикети дуже затруднена тим, що по своєму фізико-хімичному складу вони відносяться до важкодеформованим матеріалам. Крім того, їх складові частини гігроскопічні і швидко поглинають вологу з навколишнього середовища. Під впливом вологи деякі з них розпадаються з виділенням тепла та газів, наприклад, аміаку. Це призводить до того, що вироблені брикети через деякий час розтріскуються і розсипаються. Таким чином, вони, як і сам шлак, є нестійким під впливом атмосферного середовища. По цій причині довгий час переробляти шлаки алюмінієвого виробництва в брикети не вдавалося.

По своєму хімічному та гранулометричному складу шлаки алюмінієвого виробництва (алюмошлаки) подібні металокерамічним матеріалам, які обробляються тиском. Процеси по переробці алюмошлаків в брикети досконало ще не вивчені. Тому актуально проведення досліджень у цьому напрямку з метою створення нових технологічних процесів по переробці шлаків, що, у свою чергу, дозволить не тільки збільшити обсяг перероблених шлаків металургійної промисловості, але й заощадити такі природні ресурси, як плавиковий шпат та боксити.

Розширення області застосування алюмошлаків можливо за рахунок брикетування їх у суміші з іншими порошковими відходами. Так, наприклад, спільне використання шлаків виробництва вторинного алюмінію з відходами гальванічного виробництва - нікельвміщуючими шламами, може сприяти не тільки розрідженню шлаків, але і легуванню сталі нікелем при її виплавці.

Отже, актуальною є задача створення нових способів переробки порошкових і пилоподібних шлакових і шламових відходів алюмінієвого виробництва в брикети за допомогою операцій обробки тиском.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно проведених науково-дослідних робіт за темою "Технологічний процес утилізації відходів алюмінієвого виробництва" відповідно договору № М-5-99/89, 1999р.

Мета і задачі дослідження. Розвиток теорії деформації і міжчастинкових зв'язків при пресуванні металокерамічного середовища зі зсувом, розробка технологічних процесів брикетування шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів із застосуванням операцій обробки тиском, а також удосконалення конструкції прес-автомату.

Для досягнення наміченої мети поставлені задачі:

1. Обґрунтувати і розробити технологічні процеси одержання брикетів за допомогою операцій обробки тиском зі шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів.

2. Експериментально оцінити вплив тиску пресування, кута нахилу робочої поверхні пуансонів на процес деформування шлаків при пресуванні зі зсувом.

3. Виконати дослідження фізико-механічних властивостей брикетів, таких як щільність, міцність і стійкість брикету до саморуйнування (стійкість до руйнування). Визначити параметри технологічних процесів, що забезпечують одержання брикетів необхідної міцності та стійкості до руйнування.

4. Провести аналіз напружено-деформаційного стану й оцінити міцність спресованих брикетів і міжчастинкових зв'язків брикету, отриманого пресуванням алюмошлаків зі зсувом.

5. Удосконалити конструкцію прес-автомату за рахунок розробки штампів для здійснення процесів пресування і пресування зі зсувом алюмошлаків та їх суміші з нікельвміщуючими шламами в автоматичному режимі. Провести дослідно-промислове випробування і впровадити технологічні процеси брикетування відходів на основі алюмошлаків.

Об'єкт дослідження - технологічні процеси пресування і пресування зі зсувом металокерамічного середовища.

Предмет дослідження - брикетування порошкових відходів алюмінієвого виробництва.

Методи дослідження. При виконанні теоретичної частини роботи застосовані кінематичні рівняння течії пористого середовища при описі напруженого стану. Розробка математичної моделі міжчастинкових зв'язків виконана на основі механізму деформації зсуву. При розрахунку математичної моделі міжчастинкових зв'язків порошкового тіла використаний метод градієнтного спуску, що дозволяє визначити найменше відхилення кривої регресії від експериментальних крапок.

При виконанні обробки експериментальних даних використовували методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше визначені оптимальні тиски і щільність брикетів зі шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів, отриманих двостороннім пресуванням, а при пресуванні зі зсувом - додатково і кути нахилу робочої поверхні пуансонів. Для обох варіантів встановлено вплив технологічних параметрів на фізико-механічні властивості брикетів (щільність, границя міцності на стиск, стійкість до руйнування).

Визначено величини дотичних напружень на основі аналізу напружено-деформаційного стану при пресуванні зі зсувом. Показано, що збільшення дотичних напружень забезпечує одержання більш міцних брикетів. Це дало можливість рекомендувати застосування процесу пресування зі зсувом для підвищення міцності виробів з порошкових матеріалів.

Запропоновано аналітичні залежності для розрахунку дотичних напружень при пресуванні зі зсувом, використання яких дозволяє визначати умови деформування шлаків для одержання брикетів з найкращими фізико-механічними властивостями.

Уперше встановлена якісна відповідність величини дотичних напружень, визначених при аналізі напружено-деформаційного стану, і дотичних напружень, оцінених при використанні моделі міжчастинкових зв'язків брикету, отриманого пресуванням зі зсувом.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологічні процеси пресування і пресування зі зсувом шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів.

Встановлено оптимальний склад (зв'язуюча речовина, що складається з полімерного закріплювача та води, шлаки виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючі шлами) і параметри режимів змішування шихти, що забезпечують реалізацію запропонованих технологій пресування.

Розроблено схему технологічної лінії і визначено параметри технологічного процесу виготовлення брикетів зі шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів: тиск, кут нахилу робочої поверхні пуансонів, температура і час сушіння. Ці параметри дозволяють одержувати брикети з границею міцності на стиск до 84,5 МПа і стійкістю до руйнування до 190 доби, і забезпечують подальше використання брикетів брикети в якості компоненту, що розріджує і розкислює .

Удосконалено конструкцію прес-автомату, шляхом розробки штампів для виконання процесів пресування і пресування зі зсувом порошкових відходів на основі алюмошлаків в автоматичному режимі.

Особистий внесок здобувача. Розроблені установки для експериментального дослідження технологічного процесу, виконані теоретичні й експериментальні дослідження процесу деформування шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів, здійснена статистична обробка експериментальних даних. Розроблено технологічний процес виробництва брикетів з відходів на основі шлаків виробництва вторинного алюмінію. Разом із працівниками СП "Інтерсплав" даний процес реалізований у промислових умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дослідження доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях: на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету (Луганськ, 1997-2000 р.р.); міжнародної науково-технічної конференції "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 2000, 2001 р.р.); міжнародної науково-технічної конференції "Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском" (Вінниця, 2001 р.); Бернштейновських читаннях по термомеханічній обробці металевих матеріалів (Москва, 2001 р.); VII міжнародної науково-практичної конференції "Університет і регіон" (Луганськ, 2001 р.); на спільному науково-технічному семінарі кафедр "Обладнання для обробки металів тиском" і "Прикладне матеріалознавство" (Луганськ, 2001 р.); на об'єднаному семінарі кафедр ОМТ і "Фізичне матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів" ДонНТУ і прокатного відділу Донндічормету (Донецьк, 2001, 2002 р.р.).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень опубліковані в 5 друкованих працях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, викладена на 143 сторінках, має 65 ілюстрацій, 6 таблиць, 5 додатків, списку використаних літературних джерел із 119 найменувань.

Автор висловлює щиру подяку д.т.н., проф. Рябічевої Людмилі Олександрівні за загальне керівництво та надання допомоги під час обговорення результатів роботи на різних етапах її виконання. Висловлює вдячність д.т.н., проф. Лещинському Володимиру Михайловичу за надання консультацій у процесі виконання дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи і наукова новизна. Визначена мета роботи і задачі дослідження, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора, а також загальне повідомлення про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі розглянуті сучасні тенденції розвитку методів переробки відходів алюмінієвого виробництва. Показано, що по своєму хімічному та гранулометричному складу вони відповідають металокерамічним матеріалам. Далі розглянуті методи одержання виробів із цих матеріалів. Подано теорії ущільнення і міжчастинкових зв'язків при деформуванні порошкових матеріалів. Виконано аналіз досліджень властивостей виробів із цих матеріалів. В результаті встановлена можливість переробки шлаків виробництва вторинного алюмінію (алюмошлаків), розглянутих як порошкові металокерамічні матеріали, в брикети за допомогою операцій обробки тиском.

В даний час шлаки алюмінієвого виробництва в основному переробляються методами, які є високотемпературними, енергоємними процесами, і забезпечують лише часткову переробку відходів. Ці способи спрямовані на витяг з них коштовних компонентів без подальшого використання шлаків. Величезна кількість шлаків не переробляється, й продовжує накопичуватися у відвалах, займаючи великі площі і погіршуючи екологічний стан навколишнього середовища.

Однак, існують такі відходи, наприклад, шлаки виробництва вторинного алюмінію, що можуть знайти подальше застосування в металургії як сировина. Але використання цих шлаків у вигляді сипучого порошкового матеріалу не є можливим, тому що супроводжується незручностями в роботі та сильним пилом на робочих місцях, що суперечить правилам безпеки праці. Утилізація алюмошлаків може бути досягнута за рахунок застосування операцій обробки тиском, а саме, процесу брикетування, що в останні роки почав застосовуватися для переробки сипучих порошкових відходів промисловості.

Для забезпечення можливості одержання брикетів із алюмошлаків операціями обробки тиском і підвищення ефективності їхнього застосування, були розглянуті методи одержання виробів з металокерамічних матеріалів. На підставі цього визначені основні операції технологічного процесу переробки відходів: підготовка шлакової суміші визначеного гранулометричного складу, підготовка шихти, формування шихти і сушіння брикетів. З розглянутих способів формування був визначений найбільш прийнятний метод для даних видів відходів - пресування в сталевих прес-формах.

Для визначення ефективності використання процесу пресування були розглянуті науково обґрунтовані теоретичні та експериментальні дані ущільнення порошкових матеріалів. Великий внесок у розвиток теорії і технології ущільнення внесли Р.А. Андрієвський, М.Ю. Бальшин, В.І. Большаков, Я.Ю. Бейгельзімер, Г.Я. Гун, А.М. Лаптєв, В.М. Лещінський, Б.Н. Маумур, В.А. Носков, В.М. Сегал, В.В. Скороход, Л.М. Соколов, М.Б. Штерн та ін.

Однак, існуючі теорії ущільнення не застосовані для аналізу деформування порошкових матеріалів у вигляді шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів. При використанні операцій обробки тиском не вивчені міжчастинкові зв'язки, які створені у брикеті з відходів на основі алюмошлаків.

Розглянуті в літературних джерелах методи дослідження властивостей виробів з металокерамічних матеріалів дозволили одержати найбільш повну картину існуючих способів оцінки якості металокерамічної продукції. Однак, немає даних про вплив умов деформування на фізико-механічні властивості брикетів зі шлаків виробництва вторинного алюмінію.

Аналіз розглянутих питань дозволив визначити задачі дослідження відповідно до мети роботи.

В другому розділі розглянута методика дослідження технологічного процесу виготовлення брикетів з відходів на основі алюмошлаків та їх властивостей. Вибір матеріалів, що входять до складу шихти зі шлакових сумішей, обумовлений умовами одержання брикетів і можливістю розширення області їхнього застосування. Брикети виготовляли із шихти, до складу якої, у різній кількості входили алюмошлак, нікельвміщуючий шлам і зв'язуюча речовина, що складається з полімерного закріплювача та води.

Досліджуваний технологічний процес одержання брикетів складається з наступних операцій: підготовки шихти, процесу брикетування і сушіння брикетів.

При підготовці шихти до брикетування досліджували рівномірність її змішування в залежності від частоти обертання змішувача і часу змішування. Рівномірність змішування шихти оцінювали по найменшій розбіжності мас п'яти порцій з кожної партії приготовленої шихти після повного видалення вологи з неї.

Процес брикетування складався з двох видів: пресування зі застосуванням пуансонів із плоскою робочою поверхнею (пресування) і пресування зі застосуванням пуансонів з похилою робочою поверхнею (пресування зі зсувом). При цьому досліджували вплив тиску на щільність і міцність брикету при різних складах шихти, а також вплив кута нахилу робочої поверхні пуансонів на щільність брикету. Щільність брикетів визначали гідростатичним методом відповідно до ДСТ 25281-82.

Брикетування здійснювали на гідравлічному пресі П-50 з номінальною силою пресування 500 кН. Тиск двостороннього пресування і пресування зі зсувом складав 86, 130, 173 і 230 МПа.

Аналіз міжчастинкових зв'язків у брикеті, отриманого пресуванням зі зсувом , здійснили за допомогою випробування на зрушення. Випробування проводили за схемою чистого зсуву, що дозволяє одержати рівномірне зрушення по товщині брикету.

Процес сушіння брикетів проводили в сушильній шафі. Температура сушіння складала 100, 150 і 200°C. Сушіння брикетів здійснювали протягом 10, 20, 30 і 40 хв. При цьому проводили вимір маси брикету для визначення зміни кількості вологи, яка залишилась в ньому, а також досліджували вплив температури і часу сушіння на міцність брикетів.

Розроблені і виготовлені установки для пресування, пресування зі зсувом і для руйнування брикетів при вивченні міжчастинкових зв'язків.

Для дослідження фізико-механічних властивостей брикетів проводили випробування на осьовий стиск (ДСТ 25.503-97), для визначення границі міцності; і випробування на тривалість збереження брикету до повного його руйнування, для визначення стійкості до руйнування.

У третьому розділі приведені експериментальні дослідження технології обробки тиском алюмошлаків і нікельвміщуючих шламів, а також фізико-механічних властивостей брикетів, отриманих з цих матеріалів.

Досліджено операцію змішування шихти з метою визначення параметрів, що дозволяють одержати найбільше рівномірно змішану шихту. Встановлено вплив частоти обертання змішувача роторного типу і часу змішування на якість шихти при різних її складах . Найбільш якісна шихта, що містить 8% зв'язуючого, отримана при частоті обертання змішувача 21 хв-1. Час змішування склав 15 хв.

В результаті дослідження пресування алюмошлаків виявлено вплив тиску пресування на щільність, міцність і стійкість брикетів до руйнування. Пресування при тиску 170-175 МПа забезпечує одержання брикетів щільністю близько 2-2,12 г/см3, границею міцності на стиск до 35,2 МПа і стійкістю до руйнування до 110 діб.

Встановлено вплив тиску пресування на щільність, міцність і стійкість до руйнування брикетів з алюмошлаков і нікельвміщуючих шламів. Брикети зі щільністю 2,07-2,1 г/см3, границею міцності на стиск до 19 МПа і стійкістю до руйнування близько 60 діб спресовані при тиску 170-175 МПа. Ці результати отримані для суміші з нікельвміщуючими шламами, у яких відношення Ni/C дорівнює 1,58. Досліджено пресування алюмошлаків зі зсувом. Виявлено вплив тиску і кута нахилу робочої поверхні пуансонів на щільність, міцність і стійкість брикетів до руйнування. Пресування при тиску 170-175 МПа та куті нахилу робочої поверхні пуансонів 20° дозволило збільшити щільність брикетів до 2,15 г/см3, границю міцності на стиск до 84,5 МПа і стійкість брикетів до руйнування до 190 діб, у порівнянні з брикетами, отриманими пресуванням.

Оцінено вплив часу витримки брикетів на повітрі до сушіння на їхню щільність і міцність після пресування. Витримка брикетів алюмошлаків до сушіння протягом 30 хв. і брикетів з алюмошлаків і нікельвміщуючих шламів протягом 15 хв. приводить до зниження щільності на 10-12%, а межі міцності - на 10-15%. Брикети, отримані при пресуванні алюмошлаків зі зсувом можна витримувати на повітрі до 60 хв.

Досліджено режим сушіння брикетів. Встановлено вплив температури і часу сушіння на міцність і стійкість брикетів до руйнування. Оптимальним режимом, що дозволяє цілком усунути вологу з брикету, є сушіння при температурі 200°С протягом 40 хв. Це забезпечує одержання брикетів з алюмошлаків з межею міцності 35,2 МПа і стійкістю до руйнування 110 діб, брикетів з алюмошлаків і нікельвміщуючих шламів з межею міцності 19 МПа і стійкістю до руйнування 60 діб. Залежність межі міцності брикетів з алюмошлаків від тиску пресування при різній температурі сушіння.

У четвертому розділі показані теоретичні основи пресування алюмошлаків зі зсувом. На підставі кінетичного перебігу пористого середовища зроблений аналіз напружено-деформаційного стану при пресуванні зі зсувом.

При наступних межових умовах Vn = V t = 0 при у = 0, розподіл швидкостей буде мати такий вигляд:

; , (1)

де h - товщина деформованого шару.

З урахуванням складового тензора швидкостей деформації і швидкості об'ємної стисливості одержали інтенсивність швидкостей деформацій через значення лінійних швидкостей:

. (2)

Залежність нормальних напруг при пресуванні зі зсувом від напруги текучості твердої фази пористого середовища з урахуванням швидкості об'ємної стисливості й інтенсивності дотичних напруг має вигляд:

, (3)



де Q - еквівалентна швидкість деформації середовища, що визначається як

. (4)

Після перетворення, залежність (4) має вигляд:

. (5)

Цей вираз характеризує деформаційний стан середовища з урахуванням функцій пористості.

Використовуючи зв'язок компонентів напруги і деформацій, одержали вираз для визначення нормальних компонентів тензора напруги

. (6)

Далі визначали дотичну складову тензора напруги, що після перетворень має вигляд:

. (7)



Отже, величина дотичних напруг залежить від нормальної напруги sY, функцій пористості a(n) і g(n), кута нахилу робочої поверхні пуансонів j.

Для розрахунку дотичних напруг при пресуванні зі зсувом розроблена методика, що дозволяє визначити величину дотичних напруг при відомих тисках пресування, величині кута нахилу робочої поверхні пуансону, пористості брикетів. Визначені залежності величини дотичних напруг від кута нахилу робочої поверхні пуансонів, границі міцності брикетів до сушіння і після сушіння від величини дотичних напруг при різних тисках пресування. Максимальна дотична напруга 26,8 МПа отримана при тиску 173 МПа і куті нахилу робочої поверхні пуансонів 40°. Міцність брикетів до і після сушіння залежить від величини дотичної напруги. Найбільша границя міцності брикетів після сушіння - 113,5 МПа (до сушіння - 45 МПа), яка отримана при дотичній напрузі 26,8 МПа.

Розроблено математичну модель міжчастинкових зв'язків порошкового тіла, отриманого пресуванням алюмошлаків зі зсувом, що дозволяє оцінити силу взаємодії частинок при зсуві сусідніх шарів брикету. Використано допущення, що в ході зсуву сипучого середовища йдуть безупинні процеси утворення і розриву зв'язків частинок шару, що зсувається, з частинками сусідніх шарів. Імовірності утворення і розпаду даного окремого зв'язку за одиницю часу задаємо величинами l1 і l2, що, у першому наближенні, можна вважати постійними у ході зсуву. Швидкості утворення і розриву зв'язків часток визначаються рівняннями:

; , (8)

де np - число зв'язків, що утворилися при нормальній напрузі і відсутності напруги що зсуває;

n(t) - число зв'язків при зсуву в момент часу t.

В умовах сталого стану швидкість утворення зв'язків дорівнює швидкості їх розриву. Динаміку числа зв'язків системи в несталому стані можна описати рівнянням:

. (9)

При початковій умові: число зв'язків у початковий момент часу дорівнює числу зв'язків, що утворилися б при даній початковій напрузі у відсутності напруги що зсуває, тобто при t=0, отримуємо вираз залежності числа зв'язків від часу:

. (10)

При припущенні, що дотична напруга пропорційна числу зв'язків:

,

де t0 - дотична напруга на один зв'язок;

вираз (10) є вихідним для визначення напруги зсуву для сталого (11) і несталого (12) стану:

; (11)

. (12)



Однак, в результаті проведених досліджень була отримана експериментальна крива, форма якої відрізняється від розрахункової кривої. Очевидно, форма кривої може залежати від початкової щільності, нормального навантаження і властивостей випробуваного брикету. Тому причиною розбіжності, на наш погляд, може бути використання занадто грубого наближення моделі для зв'язку напруги зсуву з числом зв'язків.

Виконано аналіз цієї моделі, виходячи з ймовірності утворення і розриву зв'язків.

Ймовірність того, що зв'язок не розірветься за час t, дорівнює:

. (13)

C обліком дії напруги зсуву, утвореної ним і незруйнованими зв'язками, що вижили, одержано вираз для визначення напруги зсуву від величини зрушення сусідніх шарів брикету:

, (14)

де n - число міжчастинкових зв'язків, a1 і a2 - середні відстані, пройдені частинкою до утворення і розриву зв'язку.

Встановлено залежності напруги зсуву від величини зсуву S для різних кутів нахилу робочої поверхні пуансону і числа зв'язків від тиску пресування. Максимальна величина дотичних напруг при зсуві шарів брикету залежить від параметру процесу пресування, тобто тиску пресування та кута нахилу робочої поверхні пуансонів. Число зв'язків лінійно залежить від тиску пресування. Встановлено, що максимальне значення напруги зрушення 23,3 МПа та максимальне число зв'язків у брикеті отримані при тиску 173 МПа і куті 40°. Визначено наближену відповідність напруг зсуву, отриманих при аналізі міжчастинкових зв'язків, і дотичних напруг при аналізі напружено-деформаційного стану при пресуванні зі зсувом.

Запропонована математична модель міжчастинкових зв'язків дає можливість розрахувати величини дотичних напруг, що дозволяють визначити параметри процесу пресування для одержання брикетів з поліпшеними фізико-механічними властивостями.

У п'ятому розділі на основі проведених досліджень приведені технологічні процеси брикетування алюмошлаків і нікельвміщуючих шламів із застосуванням процесів обробки тиском для подальшого використання їх у металургійному виробництві. Технологічний процес брикетування включає: підготовку шлакової суміші визначеного хімічного та гранулометричного складу, підготовку сполучного, змішування шихти, пресування або пресування зі зсувом, сушіння брикетів після пресування.

Запропоновано устаткування для виконання операцій технологічного процесу виробництва брикетів. Змішування шихти відбувається в змішувачі циклічної дії роторного типу, ємністю 200 кг. Двостороннє пресування або пресування зі зсувом виконується на прес-автоматі КА8128 силоміць 630 Кн. Процес сушіння брикетів здійснюється в сушильному агрегаті роторного типу продуктивністю 500 кг/годину. Удосконалення прес-автомата виконане за рахунок застосування збірної конструкції матриці і пуансонів з похилою робочою поверхнею в штампах, викликане особливостями пресування і пресування зі зсувом порошкових відходів на основі алюмошлаків.

Приведено схему технологічної лінії переробки алюмошлаків і нікельвміщуючих шламів, продуктивністю 500 кг/годину, що впроваджена на СП "Інтерсплав" м. Свердловська Луганської обл.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вирішено задачу розвитку теорії деформації і міжчастинкових зв'язків при пресуванні зі зсувом металокерамічних матеріалів у вигляді шлаків виробництва вторинного алюмінію і нікельвміщуючих шламів, що дозволила розробити технологію одержання брикетів для їх використання в металургійному виробництві.

2. Розроблено і досліджено процес пресування відходів на основі алюмошлаків. Установлено вплив тиску пресування на фізико-механічні властивості брикетів. Тиск пресування 170-175 МПа забезпечує одержання брикетів з алюмошлаків щільністю 2-2,12 г/см3, з границею міцності на стиск до 35,2 МПа і стійкістю до руйнування не більш 110 діб. Застосування таких же тисків пресування дало можливість одержати брикети з алюмошлаків в суміші з нікельвміщуючими шламами з щільністю 2,07-2,1 г/см3, границею міцності на стиск 19 МПа і стійкістю до руйнування 60 діб.

3. Розроблено і досліджено процес пресування алюмошлаків зі зсувом. Визначено вплив тиску і кута нахилу робочої поверхні пуансонів на фізико-механічні властивості брикетів. Оптимальна щільність, міцність і стійкість брикетів до руйнування отримані при тиску 170-175 МПа і куті нахилу робочої поверхні пуансона 20°. Щільність брикетів склала близько 2,13-2,15 г/см3, границя міцності на стиск - 84,5 МПа і стійкість брикетів до руйнування - 190 діб.

4. Встановлено вплив температури і часу сушіння на механічні властивості брикетів. При температурі 200°С протягом 40 хв. волога цілком видаляється з брикету. Це забезпечує одержання брикетів з алюмошлаків з границею міцності 35,2 МПа і стійкістю до руйнування 110 діб, брикетів з алюмошлаків в суміщі з нікельвміщуючими шламами - з границею міцності 19 МПа і стійкістю до руйнування 60 діб.

5. На основі аналізу напружено-деформаційного стану при пресуванні зі зсувом розроблена методика розрахунку дотичних напруг і оцінений їхній вплив на фізико-механічні властивості брикетів. Встановлено залежність величини дотичних напруг від кута нахилу робочої поверхні пуансонів. При тиску 170-175 МПа і куті нахилу робочої поверхні пуансонів 40° отримана максимальна дотична напруга - 26,8 МПа. Визначено залежність границі міцності брикетів до сушіння і після сушіння від величини дотичних напруг при різних тисках пресування. Найбільші границі міцності брикетів - 45 МПа до сушіння, і 113,5 МПа після сушіння, отримані при дотичній напрузі 26,8 МПа.

6. Для оцінки сили взаємодії частинок при зсуві сусідніх шарів брикету, отриманого пресуванням зі зсувом, розроблена математична модель міжчастинкових зв'язків порошкового тіла. Отримано вираз для визначення дотичних напруг при зсуві від величини зрушення сусідніх шарів брикету, по якому визначені параметри моделі: число міжчастинкових зв'язків, середні відстані, пройдені частинкою до утворення і розриву зв'язку. Встановлені залежності зсуваючих напруг від величини зсуву для різних кутів нахилу робочої поверхні пуансону і кількості зв'язків від тиску пресування. Максимальна величина напруг залежить від параметрів процесу пресування брикету, тобто тиску пресування і кута нахилу робочої поверхні пуансонів. Число зв'язків лінійно залежить від тиску пресування. Встановлено, що максимальне значення дотичних напруг - 23,3 МПа і максимальне число зв'язків у брикеті отримані при тиску 170-175 МПа і куті 40°.

7. Застосування процесу пресування зі зсувом замість пресування дозволило збільшити міцність брикетів у 2,4 рази, а стійкість до руйнування - у 1,75 разів. Це свідчить про те, що пресування зі зсувом забезпечує одержання брикетів з більш високими фізико-механічними властивостями.

8. Удосконалено прес-автомат за рахунок використання розроблених збірної конструкції матриці і пуансонів з похилою робочою поверхнею в штампах для виконання процесів пресування і пресування зі зрушенням порошкових відходів на основі алюмошлаків в автоматичному режимі.

9. На основі приведених у дисертації теоретичних рішень і результатів досліджень розроблена технологія виготовлення брикетів зі шлаків виробництва вторинного алюмінію, що впроваджена на СП "Інтерсплав". Брикет, отриманий за даною технологією, має наступні властивості: щільність брикету - 1,9 г/см3; границю міцності на стиск - 31,4 МПа; брикет залишається стійким до руйнування протягом 96 діб.

10. За результатами досліджень розроблено схему технологічної лінії по виробництву брикетів з алюмошлаків, на підставі якої створена ділянка по переробці шлаків виробництва вторинного алюмінію в брикети з річним економічним ефектом - 80 тис. грн.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНИЙ У РОБОТАХ

1. Никитин В.В. Исследование процессов компактирования шлаков производства вторичного алюминия // Вісник Східноукраїнського державного університету. - Луганськ: Вид-во СУДУ. -2000. - №1 (23). - С. 96-99.

2. Никитин В.В. Влияние усилия прессования на брикетирование шлаков производства вторичного алюминия // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: Вид-во СУДУ, - 2000. - С. 88-91.

3. Никитин В.В. Исследование влияния сдвигового компактирования на упрочнение труднодеформируемых сыпучих материалов // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2000. - С. 225-227.

4. Рябичева Л.А., Никитина Л.А., Никитин В.В. Исследование условий брикетирования алюминий- и никельсодержащих шлаков // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: Вид-во СУДУ, - 2001. - С. 83-86.

5. Калюжный Г.С., Рябичева Л.А., Никитин В.В. Математическая модель межчастичных связей порошковой среды // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2001. - С. 385-389.

Размещено на Allbest.ru

...