Використання барабанно-валкових агрегатів для активації металургійних шлаків у виробництві цегли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки україни

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

Волков Володимир Іванович

УДК 666.9.022.3 + 691.33

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Застосування барабанно-валкових агрегатів для активації металургійних шлаків

(Спеціальність 05.05.02 - Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій)

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури на кафедрі “Механізації будівельних процесів”.

Науковий керівник - Савченко Олександр Григорович кандидат технічних наук, доцент кафедри “Механізації будівельних процесів” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

-- Дюженко Михайло Георгійович д.т.н., професор кафедри “Будівельних матеріалів і технології будівельного виробництва“ Харківської національної академії міського господарства;

- Науменко Юрій Васильович к.т.н., доцент кафедри “Будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання” Українського державного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне).

Провідна установа - Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка.

Захист відбудеться “11” травня 2004 р. о 12 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Автореферат розісланий “8” квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Крот О.Ю.

загальна характеристика роботи

Вступ. Один із напрямків розв'язання проблеми ресурсозбереження в Україні є повне використання шлаків вітчизняної металургії, що характерно для розвинутих країн світу (США, Японії, Німеччини). Останнім часом зменшився об'єм використання шлаків, насамперед, доменних гранульованих із високою гідравлічною активністю, через зменшення його споживання цементною промисловістю. У зв'язку з цим зросла привабливість застосування таких шлаків замість природної сировини у виробництві будівельних матеріалів, у тому числі дрібноштучних стінових блоків та цегли. Серед них заслуговує уваги бесцементна цегла (БЦ), виробництво якої стандартом ДСТУ Б В.2.7-36-95 передбачено із зволожених шлаків після механічної активації. По сумі показників якості вона не поступається традиційним шлакоцементній та силікатній, але не потребує витрат в'яжучих. Виробництво БЦ доцільно розгортати на простих й недорогих мінікомплексах, максимально наближених до споживачів цегли або виробників шлаку.

Актуальність теми. Використання БЦ стримується відсутністю ефективного обладнання для активації шлаку. Швидкохідні змішувачі не здатні забезпечити потрібний рівень силової дії на частки шлаку для розкриття потенціалу його гідравлічної активності. Бігуни, що широко використовувались для активації шлаків у 30-60 роках минулого сторіччя, мають великі габарити й металоємність та потребують потужного вантажопідйомного обладнання для обслуговування, що обмежує можливість використання бігунів у складі мінікомплексів.

Останнім часом увагу вітчизняних і зарубіжних дослідників привертають агрегати барабанно-валкового типу, які, звичайно, застосовуються для подрібнення та помелу, забезпечуючи багатократну взаємодію робочих органів із матеріалом при керованій силі притискання валка. Ці особливості стали підставою використання такого агрегату для розв'язання актуальної задачі здійснення механічної активації зволожених металургійних шлаків у складі комплексів по виробництву БЦ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана у складі НДР МОН України № 0100U000219 розділ 2 - “Дослідження процесу механічної активації шлаків і розробка комплекту обладнання по виробництву шлакової цегли” 2000-2002 р.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в знаходженні закономірностей взаємодії робочих органів барабанно-валкового агрегату з товстим шаром зволоженого металургійного шлаку, обґрунтуванні на цій основі використання агрегату як активатора та розробці методики його розрахунку.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі:

1. Провести аналіз обладнання для здійснення методу механічної активації шлаків і запропонувати раціональну конструкцію барабанно-валкового агрегату (далі БВА) для застосування у технологічних комплексах по виготовленню БЦ.

2. Розробити модель взаємодії валка з пухким шаром шлаку, дослідити закономірності процесу і отримати залежності, які характеризують захоплюючу та ущільнюючу спроможності БВА, для визначення товщини шару оброблюваного матеріалу.

3. Розробити математичну модель розподілення тиску під валком з урахуванням параметрів БВА й властивостей оброблюваного матеріалу для визначення необхідного зусилля притискання валка.

4. Експериментально підтвердити аналітичні залежності та визначити конструктивні та режимні параметри агрегату.

5. Розробити методику розрахунку БВА і рекомендації по призначенню раціональних режимів роботи.

6. Виконати розрахунок промислового зразка БВА та провести економічну оцінку ефективності використання БВА в комплексах по виробництву БЦ.

Об'єкт дослідження - процес обробки у БВА товстого шару зволоженого металургійного шлаку багатократним прокатуванням під валком з послідуючим розпушенням ножем.

Предмет дослідження - БВА, робочі органи якого взаємодіють із шаром шлакової суміші.

Методи досліджень базуються на основних положеннях прикладної механіки, теорії колієутворення, математичної статистики для підтвердження достовірності обраних методів моделювання процесів.

Достовірність отриманих результатів визначено використанням стандартних припущень та підтверджено збігом теоретичних і експериментальних досліджень при відхиленні не більше 12 %.

Наукова новизна отриманих результатів:

Розкрито механізм взаємодії робочих органів БВА із шаром розпушеного матеріалу максимальної товщини при визначенні умов ущільнюючої спроможності валка у взаємодії з шлаковими сумішами, що піддаються активації; обґрунтовано доцільність використання БВА для активації зволожених металургійних шлаків.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено конструкції захищених патентами БВА для використання у складі мінікомплексів по виробництву БЦ;

- запропоновано рекомендації по призначенню раціональних параметрів та режимів при використанні БВА для активації металургійних шлаків;

- розроблено методику розрахунку та технічну документацію промислового зразка БВА, який знаходиться у стадії виготовлення на машинобудівному заводі “Червоний Жовтень”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист:

- конструкція БВА циклічної дії та схеми його використання у складі комплексів по виробництву БЦ;

- аналітичні залежності для визначення захоплюючої і ущільнюючої спроможності валка БВА стосовно пухкого шару шлаку, а також конструктивних та режимних параметрів агрегату;

- форма математичного описання компресійних кривих, що заснована на використанні експериментальних величин базових тиску та густини;

- математична модель розподілення тиску під валком БВА;

- методика розрахунку основних параметрів БВА та технічна документація на виготовлення промислового зразка.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і матеріали дисертаційної роботи доповідалися: на 56 - 58 науково-технічних конференціях ХДТУБА, (2000-2003 р); на X міжнародній науково-практичній конференції “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” MicroCAD-2002-Харьков, НТУ “ХПИ”, червень 2002 р.; на Міжнародному конгресі “Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии”, присвяченому 150-річчю В.Г. Шухова, “Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова”, вересень 2003 р.; на міжкафедральному семінарі кафедр “Підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнання” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету і “Механізації будівельних процесів” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, грудень, 2003 р.

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в шести наукових статтях загальним обсягом 1,3 авторських аркуша. Отримано два патенти на винахід.

Обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Загальний обсяг роботи складає 222 сторінки. Крім основного тексту, що представлено на 149 сторінках, дисертація містить 75 рисунки, 26 таблиць, список використаних джерел із 102 найменувань на 9 сторінках, 5 додатків на 64 сторінках.

основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, визначено об'єкт, предмет, методи досліджень і задачі, які розв'язуються в роботі, подана наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, приведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі виконано аналітичний огляд досліджень механічної активації сировинних сумішей у виробництві будматеріалів, насамперед, тих, які мають у своєму складі металургійні шлаки.

Охарактеризовано процес активації, який привертав до себе увагу численних наукових колективів та дослідників - Соломатова В.І., Опекунова В.В., Овчиннікова П.Ф. та інших. Проаналізовані методи активації при сухому, вологому та зволоженому до 8-16 % стані сировинних сумішей, а також конструкції відповідного обладнання. Ефективність активації шлаків у зволоженому стані підтверджена дослідженнями, виконаними Большаковим В.І., Нікіфоровим А.П., Щербаком С.А., Глуховським В.Д., Кривенком П.В. Ці дослідження лягли в основу ДСТУ Б В.2.7-36-95 "Цегла та камені бесцементні. Технічні умови", яким офіційно визнано вироби з активованих шлаків.

Виявлена перспективність активації товстого шару зволоженої шлакової суміші шляхом багаторазового ущільнення-розпушування. У 30-60 роках цей процес називали “пробудженням” і здійснювали на бігунах. Серед дослідників цього напрямку найбільш відомі праці Гутмана А., Сіверцева Г.Н., Ковтуна І. П.

Аналіз конструкцій активаторів дозволив вибрати для використання у складі мінікомплексів по виробництву БЦ барабанно-валковий агрегат, який у порівнянні з бігунами має менші габарити, метало- та енергоємність, і, на відміну від швидкохідних змішувачів, здатний забезпечити необхідний рівень силової дії на частки суміші, що активується. Такий агрегат успішно пройшов виробничу перевірку, як подрібнювач, у складі мінікомплексу по виробництву цементу, створеного під керівництвом Верича Є. Д.

Проаналізовано результати досліджень впливу технологічних, конструктивних і режимних параметрів на показники процесу активації у бігунах та швидкохідних змішувачах. Показано, що дослідниками - технологами розроблені достатньо чіткі рекомендації по визначенню особливостей шлакової сировини та вибору оптимальної активуючої домішки, у тому числі комплексної, з урахуванням властивостей шлаку, вимог до продукції та економічних чинників.

Аналіз теорії валкових машин (вальців та валкових пресів, бігунів, тарільчасто-роликових млинів) показав, що, як правило, захоплююча спроможність валків розглядається стосовно одиничного куска матеріалу в умовах визначеного силового замикання, що не відповідає сутності процесу у БВА.

Для створення моделі взаємодії робочих органів БВА з оброблюваним матеріалом, за базу були взяті основні принципи та положення теорій процесів ущільнення: основ автодоріг жорсткими котками; різноманітних порошків при виготовленні виробів методом пресування; роликового формування виробів із бетонних сумішей. Найбільш проробленою є теорія ущільнення основ доріг, підвалини якої закладені в трудах А.К. Бірулі, Я.А. Калужського, Н.Я. Хархути. Серед дослідників ущільнення порошкоподібних матеріалів при пресуванні відомі праці Р.Я. Попільського, М.Б. Генералова, Г.М. Ждановича, М.А. Остапенко та інших. Ущільнення бетонних сумішей при роликовому формуванні досліджували І.І. Назаренко, В.М. Гарнець, С.В. Зайченко.

Аналіз моделей ущільнення показав, що їх реалізація потребує визначення великої кількості коефіцієнтів, які враховують властивості оброблюваного матеріалу та специфіку процесу. Менш трудомістким і тому привабливим виглядає використанням так званих компресійних кривих (КК), які зв'язують тиск на шар матеріалу (q) з його густиною ().

Підсумовуючи огляд, слід відмітити, що процес активації товстого шару зволоженого шлаку багатократним ущільненням-розпушуванням у теоретичному плані вивчений недостатньо. Це підтверджує доцільність досліджень по обґрунтуванню використання БВА для розв'язання актуальної проблеми розширеного споживання металургійних шлаків у виробництві будматеріалів.

У другому розділі виконано аналітичне дослідження взаємодії робочих органів БВА з товстим шаром зволоженої шлакової суміші у процесі активації.

Для теоретичного аналізу розглянуто один з варіантів захищеного патентом України БВА циклічної дії, який забезпечує задану кількість ущільнень-розпушувань товстого шару матеріалу з необхідною для ефективної активації силою притискання валка.

Товщина розпушеного шару матеріалу, що може бути надійно захоплена й ущільнена валком, є одним із головних факторів, який обумовлює продуктивність БВА, а з нею й питомі показники - енерго- та металоємність. Задача визначення товщини шару вирішувалась розгляданням взаємодії з валком часток шару, висота якого приймалась значно більшою (принаймні втричі) за розмір середнього куска матеріалу.

Розглядалась частка матеріалу, що розташована на поверхні шару і торкається поверхні валка (рис.1).

Рис.1 Схема для визначення максимальної висоти розпушеного шару, захоплюваного валком БВА

На схемі прийняті такі позначення: R, r - радіуси барабана і валка; H, h, h - товщина відповідно розпушеного й ущільненого шарів, та різниця у товщині; О, О¹ - осі барабана і валка, А - точка зустрічі валка з шаром, крізь яку проведені радіуси барабана і валка; a, x - відстань між осями О і О¹ та частина радіуса барабана, обмежена точкою А; в, ш, ц, - відповідні кути Д 00¹А; б - кут захвату; АВ - дуга захвату. На частку матеріалу діють сили: нормальна до поверхні валка Р; зчеплення частки із шаром F_зч; вага G; відцентрова Р_в змінного напрямку. Силу Р можна розкласти по двом напрямкам - нормальному до поверхні шару і дотичному. Перша складова Р_н ущільнює шар, втискуючи в нього частку, друга Р_зс - намагається відштовхнути частку від валка, зсуваючи її по шару.

Удавлення частки в шар матеріалу і подальший рух разом із шаром буде можливим при виконанні умови захоплення:

Р_зс ? F_зч ± G_F,(1)

де G_F- проекція ваги частки на напрямок сил Р_зс і F_зч.

В означеному положенні умова захоплення буде мати вигляд:

(Р_в + G + Р cos в ) ц_з > Р sin в ,(2)

де в -кут між радіусами валка і барабана, ц_з = 0,35ч0,45- коефіцієнт зчеплення частки із шаром, який залежить від властивостей матеріалу.

Аналіз сил рівняння (2) свідчить, що позитивний вплив ваги та відцентрової сили є значущим тільки на початку дуги захвату. Тому умову надійного захоплення товстого шару матеріалу валком БВА можна привести до вигляду:

tgв ? ц_з,(3)

Виходячи з умови (3), для БВА максимальне значення кута в_max=20 ч 25.

Товщина розпушеного шару:

,(4)

де .

Для спрощення викладок введено відносні до радіуса барабана величини: радіуса валка k_r = r/R; висоти ущільненого шару під валком k_h = h /R; відстані між осями валка й барабана k_а= а /R = (1 - k_r - k_h ), де а =R - r-h = R k_а.

З урахуванням цих величин:

,

Після перетворень маємо:

.(5)

Використання рівняння (5) разом з умовою (3) дозволяє визначити товщину шару розпушеного матеріалу, яка може бути надійно захопленою валком БВА.

Ще однією умовою ефективної роботи БВА, тісно пов'язаною з умовою надійного захоплення шару, є необхідність забезпечення такого співвідношення товщини розпушеного H та ущільненого h шарів, яке дозволить створити у шарі достатній для інтенсивної активації тиск q. Ця умова запропонована у вигляді:

[k_у]_min .(6)

Фактичний коефіцієнт ущільнення k_у повинен бути вищім за мінімально необхідний [k_у]_min, рівень якого по результатам експериментів із різноманітними шлаковими сумішами становить [k_у]_min = 1,8 2,2. Товщина h верхнього прошарку захопленого валком шару в умові (6):

.(7)

Невиконання умови (6) свідчить про необхідність зменшення товщини шару Н.

Приведені аналітичні залежності, адекватність яких підтверджена експериментально, дозволяють визначати максимальну товщину розпушеного шару матеріалу у БВА. З їх використанням розроблена методика визначення радіусів барабана й валка, які забезпечують найбільшу товщину шару і, відповідно, продуктивність БВА. У результаті реалізації методики на ЕОМ виявлена доцільність нарощування співвідношення радіусів валка й барабана до рівня k_r=0,40,6 і вище, орієнтуючись тільки на обмеження, що накладаються необхідністю розміщення пристроїв завантаження-розвантаження. Визначені раціональні діапазони значень співвідношення k_h =0,05-0,07, а також загальноприйнятих для характеристики валкових машин коефіцієнтів захоплення відносно:

- розпушеного шар

k^/_H=Н/r= 0,25 0,3; (8)

- ущільненого шару k^/_h= h/r= 0,1 0,15.

Математична модель взаємодії робочих органів БВА зі шлаком у процесі його обробки була створена для визначення зусилля притискання валка до шару, потрібного для реалізації процесу активації. Модель заснована на сумісному розгляданні рівнянь, які описують ущільнюючу спроможність БВА, та компресійних кривих (КК) шлакових сумішей, що інтегрально характеризують здатність пухких матеріалів до ущільнення.

Характерною особливістю КК шлакових сумішей є наявність ділянки попереднього ущільнення, на якій мізерні нарощування тиску дають вагоме прирощення густини. Запропонована й апробована нова форма математичного описання КК, яка заснована на використанні експериментальних величин базових тиску q₀ та густини ₀ і дозволяє зменшити до мінімуму похибку на найважливішій для конкретного процесу ущільнення ділянці КК:

,(9)

де q_i ,_і - тиск і густина шару в конкретній зоні під валком, що розглядається.

Перевага запропонованого описання полягає у тому, що з трьох коефіцієнтів, які названі показниками КК, два (q₀, ₀) є реальними фізичними величинами й можуть бути визначеними експериментально для суміші, що ущільнюється. Тільки коефіцієнт “b” є емпіричним - його підвищення зменшує крутизну КК в зоні тисків до q₀ і підвищує при тисках, вищих базового. Розроблені рекомендації по вибору базового тиску (q₀ = 0,20,6 q_мах) та розрахунку “b”, які дозволяють звести до мінімуму похибку в описанні КК. Аналіз КК різноманітних шлакових сумішей, що відрізнялись зерновим складом, вологістю, вмістом домішок та ступінню активації, дозволив окреслити поле типових КК, яке відображає закономірності ущільнення при можливій варіації властивостей суміші у відповідності до прийнятої технології. Для математичного описання типових КК об'єкта досліджень характерні величини q₀ = 1МПа, ₀ = 1,5 1,75 г/см³, b=811. Запропонована форма описання КК може бути застосована у дослідженнях різноманітних процесів, пов'язаних з ущільненням розпушених матеріалів.

Модель складається з системи рівнянь:

,

, (10)

де: q_i - тиск у зоні між конкретними перерізами шару під валком;

l_i = r _і - довжина дуги елементарної зони, де _і = _і - _і-1 ;

_max- найбільший кут, при якому зусилля P_i стає меншим 10 % максимального.

Модель побудована таким чином, що тиск у кожному перерізі шару під валком знаходився по густині шару у відповідності до компресійної кривої. Густина визначалась з урахуванням коефіцієнта ущільнення для перерізу, що розглядається. Після розрахунку елементарних зусиль, які діють на валок з боку шару, та їх проекцій на вісь, що з'єднує осі валка та барабана, сумарне зусилля Р притискання валка визначалось інтегруванням проекцій елементарних зусиль.

Для моделювання необхідні такі вихідні дані: показники КК - q₀, b, ₀, _поч; характеристики БВА - R, r, h; рівень максимального тиску q_max у шарі під валком; крок зміни кута .

Адекватність моделі підтверджена збігом розподілів густини шлакових сумішей під валком, отриманих при реалізації моделі та експериментально на лабораторному зразку БВА (R=0,28 м, r=0,15 м, h=0,010,02 м) з розбіжністю 15%.

Запропонована модель дозволяє :

· визначати зусилля притискання валка, необхідне для забезпечення потрібного максимального тиску в шарі шлакової суміші, що активується ;

· оцінювати максимальний тиск у шарі під валком у залежності від зусилля притискання валка й характеристик КК;

· вибирати раціональні розміри і силові характеристики БВА.

Реалізація моделі на ЕОМ дала змогу оцінити вплив параметрів БВА та показників КК, як на рівень максимального тиску під валком, так і на величину зусилля притискання, необхідну для забезпечення заданого максимального тиску. На базі моделі запропонована методика розрахунку необхідного зусилля притискання валка по заданому максимальному тиску.

Запропоновано для оцінки притискання валка оперувати показником умовного середнього тиску q_ум валка, що враховує ширину валка В та його радіус r:

(11)

Зусилля притискання для валків різних розмірів:

(12)

де - співвідношення умовного середнього та максимального тисків.

Аналіз результатів реалізації моделі показав, що рівень максимального тиску q_max становить 13 МПа, коефіцієнт k_q при широкому діапазоні зміни вихідних даних залишається у досить вузьких межах k_q = 0,2 0,3. Це стало підставою для рекомендацій по спрощеному визначенню зусилля притискання.

Дослідження взаємодії ножа з ущільненим шаром при розпушуванні проводилось у напрямку забезпечення працездатності ножа на усьому діапазоні його допустимого зношування. Працездатність ножа визначалась по відсутності заклинювання силами тертя. На базі розглядання сил взаємодії ножа з шаром розроблені рекомендації щодо конструкції та параметрів ножів - найбільш зношуваних частин БВА.

Продуктивність та потужність БВА рекомендовано визначати таким чином:

,(13)

(14)

де k, k_L, k_ц - відповідно коефіцієнти частоти обертання, довжини барабана та використання циклу; z- кількість взаємодій валка з матеріалом z=200350; f =0,150,25- коефіцієнт опору руху валка.

Питома енергоємність процесу активації у БВА:

.(15)

Питома енергоємність q_N складає 15 20 кВт·год/м³ і майже не залежить від продуктивності, що позитивно характеризує БВА, як агрегат для використання у складі мінікомплексів.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень взаємодії робочих органів БВА із шлаковими сумішами у процесі активації шлакових сумішей, направлених на: обґрунтування доцільності використання БВА для активації доменних гранульованих шлаків; визначення величин і коефіцієнтів, необхідних для реалізації запропонованих аналітичних залежностей, моделей і методик, та підтвердження їх адекватності; вивчення закономірностей активації у БВА для вибору раціональних конструктивних та режимних параметрів.

На попередньому етапі експерименти по визначенню закономірностей ущільнення, подрібнення й активації товстого шару шлакових сумішей проводились з використанням прес-форм та лінійного стенда. Основний етап досліджень виконувався на лабораторному зразку БВА (табл.1).

Таблиця 1 Характеристика лабораторного зразка БВА.

№ п/п	Найменування показника	Показник
1	Діаметр барабану, внутрішній, мм	560
2	Діаметр валка, мм	300
3	Ширина валка, мм	100
5	Потужність, кВт	7,5
6	Частота обертання барабана, об/хв	20 150
7	Максимальне зусилля притискання валка, Р max, кН	15
8	Маса, кг	300

Дослідження на лінійному стенді було присвячено вивченню закономірностей ущільнення прокатуванням товстого шару шлаку під валком, визначенню товщини пухкого шару, який надійно захоплюється валком, та коефіцієнта опору руху валка по шару шлаку. Підтверджено аналітичні залежності щодо захоплення й ущільнення товстого розпушеного шару, зокрема, зафіксовано співвідношення (k^/_H)_max=0,25. Виявлено ефект витискання до 20 % об'єму шару у зону перед валком, який стає все більш вагомим при нарощуванні товщини шару. Доведена наявність ефекту “занурювання”, який полягає у тому, що при критичній товщині шару захоплююча спроможність валка лавиноподібно зменшується, товщина ущільненого шару різко падає, перед валком накопичується масив суміші. Цей ефект свідчить про необхідність рівномірного живлення БВА без переповнення. Виявлено вплив тиску на коефіцієнт опору руху валка та отримано рівняння регресії для визначення коефіцієнта опору.

У ході досліджень процесу активації на лабораторному зразку БВА було відпрацьовано схеми з різними конструкціями ножів та пристроїв розвантаження. За показник ефективності активації прийнято міцність на стиск R_ст зразків, отриманих з АС пресуванням при тискові q_пр=10 МПа. Міцність визначалась по ГОСТ 8462-85, в основному, на 7-му добу вологого твердіння. У більшості дослідів використовувались зразки розміром 505025 мм, в окремих (для порівняння) - 12012565 мм.

Серію пошукових дослідів було проведено для визначення закономірностей активації в БВА та вибору факторів, які у найбільшій мірі впливають на процес.

Експерименти з регулюванням кутової швидкості барабана дозволили виявити раціональний її інтервал у діапазоні 1,52,5 критичної кутової швидкості ·_кр. За нижньою межею діапазону відбувається інтенсивне накопичування суміші в порожнині за валком, за верхньою - посилюється вібрація, викликана притаманною об'єкту досліджень динамічною незбалансованістю. Установлено, що інтенсивність активації визначається кількістю циклів ущільнень-розпушувань шару (далі - кількість взаємодій), а тривалість процесу не має суттєвого впливу, тому режими із зупинками виявились неефективними. В подальших дослідженнях була вибрана постійна частота обертання барабана 100 об/хв, яка складає 1,5·_кр і кількість взаємодій для зручності умовно оцінювалась тривалістю процесу.

Підтвердився позитивний вплив нарощування вологості суміші до межі в 18%, але труднощі, пов'язані з налипанням суміші на робочі органи та дефектами сирцю при пресуванні, примусили обмежити верхній рівень вологості 14 %.

Тиск валка на шар матеріалу оцінювався, як це прийнято для валкових машин, величиною питомого зусилля притискання валка “Р”, тобто відношенням зусилля притискання Р до ширини валка. Тенденція нарощування міцності зразків при підвищенні Р відмічена в усіх дослідах, але кореляційний зв'язок між тиском та ефективністю активації у деяких пошукових експериментах установити не вдалось.

Для визначення взаємовпливу тривалості, тиску, вологості та вмісту домішки на ефективність активації була проведена серія пошукових дослідів із тривалістю активації 10 хвилин, а відбирання АС для формування зразків виконувалось без зупинки БВА. Аналіз результатів свідчить, що кожна шлакова суміш має певну потенційну активність (далі ПА), яка може бути досягнутою в наслідку обробки у БВА. ПА залежить від властивостей шлаку та вологості суміші й може бути досягнутою за 2001000 взаємодій (210 хвилин активації). Прискорення можливе за рахунок уведення домішок та нарощування зусилля притискання валка. Наприклад, при Р=80 кН/м ПА досягалась за 2 хв., при Р=20 кН/м - за 4 хв. Після досягнення ПА подальша переробка активованої суміші у БВА стає неефективною. Підвищення вологості в діапазоні W=1014 % майже не впливає на темп нарощування ПА в перші 3 хвилини, але сприяє зростанню ПА, яка може бути розкритою більш тривалою обробкою (до 10 хвилин). Таким чином, нарощування інтенсивності обробки можливе підвищенням як зусилля притискання, так і кількості взаємодій (до 200350).

По результатах експериментів, рівень питомого зусилля притискання валка рекомендований у межах Р=3060 кН/м у залежності від особливостей шлакової суміші. Проведені з використанням математичної моделі розрахунки відповідного максимального тиску показали діапазон q_max=13 МПа. Порівняння цих максимальних тисків із тими, які рекомендуються при використанні барабанно-валкових агрегатів для подрібнення (540 МПа), свідчить, що вони відрізняються майже на порядок.

У результаті досліджень КК, які знімались у процесі обробки сумішей у БВА, виявлено ефект “передрібнення”. По мірі активації КК зміщуються праворуч до межі, після якої упаковування зерен через подрібнення крупних часток погіршується, густина зменшується, КК починає зворотній рух. Ці результати підтверджують доцільність використання КК для аналізу ефективності процесу активації.

Аналіз подрібнення у процесі обробки проводився відмучуванням з отриманого продукту фракції 0,16 мм. У більшості дослідів утворення цієї фракції практично завершувалось уже на другій хвилині обробки, у той час як активація продовжувалась до третьої - п'ятої хвилини, підтверджуючи відсутність чіткого зв'язку між подрібненням і активацією.

Експериментальне визначення витрат потужності на активацію N_акт підтвердило оцінки цього показника, проведені по формулі (14), а також рекомендації щодо величини коефіцієнта опору.

Проведено трьохфакторний експеримент по визначенню залежностей R_ст , N = f (x₁, x₂, x₃). Дослідження проводили з використанням суміші складу - 97 % Ш + 3 % Ц. Фактори змінювались в таких діапазонах:

х₁ - умовний середній тиск під валком q_ум = 0,12 0,28 МПа, q_ум = 0,07 МПа;

х₂ - тривалість активації t_акт = 48 192 c, t = 60 с;

х₃ - вологість сировинної суміші W = 7,6 12,4 %, W = 2 %.

Отримані рівняння регресії:

для міцності зразків:

R_ст=3,86+0,85х₁+1,1х₂+0,7х₃+0,4х₁² -0,2х₂²+0,5х₂х₃+0,15х₁х₃ ;(16)

для потужності, потрібної на активацію:

N=2,06-0,12х₁-0,09х₂-0,2х₁²-0,1х₃²-0,1х₁х₂.(17)

У результаті описаного комплексу експериментів підтверджена можливість виробництва БЦ марки 75-150 методом напівсухого пресування зі зволоженого доменного гранульованого шлаку після його обробки у БВА, та виявлені основні закономірності й раціональні параметри цього процесу.

У четвертому розділі подано практичне застосування результатів досліджень. Представлена технологічна схема виробництва безцементної цегли з використанням БВА, у якій передбачений метод напівсухого пресування цегли з активованого шлаку вологістю 1012 % на пресі СМС-294А, що серійно випускається машинобудівним заводом “Червоний Жовтень”, (м. Харків). шлак цегла безцементний валковий

Приведені захищені патентами конструкції БВА для використання у складі комплексів різної потужності. Підтверджено можливість використання вібропресування для формування цегли з активованої суміші.

Розроблено методику розрахунку БВА, основними вихідними даними для якої повинні бути годинна продуктивність та характеристики шлаку. Методика передбачає визначення: радіусів барабана і валка та їх довжини, товщини шару шлаку, кутової швидкості барабана, зусилля притискання валка, потужності привода. Вона базується на використанні розроблених аналітичних залежностей, математичної моделі, рівнянь регресії та рекомендацій щодо раціональних параметрів БВА.

Методика апробована при розробці промислового зразка БВА, який знаходиться у стадії виготовлення на машинобудівному заводі “Червоний Жовтень”. Економічне обґрунтування проведено співставленням показників мінікомплексу по виробництву традиційної шлакоцементної й БЦ. Позитивний ефект досягнуто за рахунок зменшення витрат в'яжучого при впровадженні БВА в технологічну лінію.

Висновки

1. Установлено, що використання металургійних шлаків у виробництві передбаченої стандартом бесцементної цегли (БЦ) стримується відсутністю ефективної конструкції активатора.

2. Запропоновано захищені патентами конструкції БВА, в яких обробка зволоженої шлакової суміші виконується багаторазовим прокатуванням товстого шару під валком при максимальному тиску 13 МПа та розпушуванням ущільненого шару ножем. Підтверджено можливість виробництва БЦ марки 75-150 зі зволоженого доменного гранульованого шлаку після його обробки у БВА, барабан якого обертається з кутовою швидкістю, не меншою 1,5 критичної.

3. Запропоновано аналітичні залежності для описання взаємодії товстого шару шлаку з робочими органами БВА. Установлено: товщина надійно захопленого валком розпушеного шару становить 0,25 0,3 радіуса валка r; співвідношення висоти ущільненого шару й радіуса барабана - k_h =0,05-0,07; товщина шару і продуктивність можуть підвищуватись нарощуванням співвідношення радіусів валка й барабана до рівня k_r=0,40,6.

4. Розроблено та реалізовано на ЕОМ математичну модель для визначення зусилля притискання валка, необхідного для ефективної активації. Модель передбачає сумісне розглядання рівнянь, які описують ущільнюючу спроможність БВА, та компресійних кривих (КК) шлакових сумішей, що інтегрально характеризують здатність пухких матеріалів до ущільнення.

5. Удосконалено форму математичного описання КК. Установлено, що найбільший вплив на КК мають вологість та інтенсивність обробки. Дослідження КК у процесі обробки виявили ефект “передрібнення”, який полягає у тому, що здатність активованої суміші до ущільнення зменшується.

6. Експериментально установлено:

- прокатування товстого шару під валком супроводжується витисканням до 20 % об'єму у зону перед валком;

- існує гранична висота розпушеного шару перед валком, перевищення якої приводить до зниження захоплюючої спроможності валка (ефект занурювання);

- коефіцієнт опору руху валка знаходиться у межах 0,15 0,25 і залежить не тільки від висоти шару, а й від тиску.

7. Установлено, що потенційна активність шлакової суміші залежить від властивостей шлаку та вологості і може розкритись обробкою у БВА за 200350 циклів ущільнень-розпушувань. При зменшеному тиску або без домішки потрібну кількість взаємодій доцільно збільшувати. Визначені залежності, які зв'язують міцність зразків та потужність із факторами, що в найбільшій мірі впливають на процес активації: умовним тиском валка, тривалістю та вологістю. Питома енергоємність БВА становить 1520 кВт·год/м³ АС, що дозволяє використовувати агрегат у складі мінікомплексів по виробництву БЦ.

8. Розроблені рекомендації по призначенню конструктивних та режимних параметрів БВА. Обґрунтовано параметри ножа для розпушування ущільненого шару шлаку. Методика розрахунку була апробована при розробці промислового зразка БВА, який знаходиться у стадії виготовлення на машинобудівному заводі “Червоний Жовтень”. Річний економічний ефект від упровадження БВА у технологічну лінію по виробництву БЦ складає близько 156 тис. грн. при річному об'ємі виробництва 2,75 млн. шт. цегли. Термін окупності нового обладнання становить близько 9 місяців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Волков В.І. Визначення раціональних параметрів процесу активації шлаку при виробництві бесцементної цегли / Вестник национального технического университета “ХПИ”. Сборник научных трудов. Тематический выпуск “Химия, химическая технология и экология”. - № 17'2002. - С. 34 - 38.

2. Болотских Н.С., Федоров Г.Д., Савченко А.Г., Крот А.Ю., Волков В.И. Производство кирпича из шлака с использованием активатора / Строительные материалы и изделия. Всеукраинский научно-технический и производственный журнал. - №4, 2001. - С. 27-28.

3. Болотських М.С., Федоров Г.Д., Савченко О.Г., Крот О.Ю., Волков В.І. Механічна активація гранульованих шлаків в агрегаті барабанно-валкового типу / Харків ХДТУБА; ХОТВ АБУ, 2001. - Вип. №12. - С. 27 - 31.

4. Болотських М.С., Федоров Г.Д., Савченко О.Г., Крот О.Ю., Волков В.І. Визначення параметрів робочого режиму барабанно-валкового агрегату для активації шлаків / Вестник национального технического университета “ХПИ”. Сборник научных трудов. Тематический выпуск “Химия, химическая технология и экология”. - Т.1, 9'2002. - С. 10 - 15.

5. Болотских Н.С., Федоров Г.Д., Савченко А.Г., Крот А.Ю., Волков В.И. Рациональные режимы активации металлургических шлаков в агрегате барабанно-валкового типа / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - Т.6, ч.3, 2003.- С. 259-261.

6. Савченко А.Г., Крот А.Ю., Волков В.И., Шабат М.А. Исследование взаимодействия валка со слоем шлака / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.-Т.6, ч.3, 2003.- С. 350-352.

7. Пат. 51794 UA, МКИ В02С 15/06, В28С 1/10. Барабанно-валковий активатор: М.С. Болотських, Г.Д. Федоров, О.Г. Савченко, О.Ю. Крот, В.І. Волков. - № 2000010381: Заявл. 24.01.2000; Опубл. 16.12.2002. Бюл. № 12. - 6 с.

8. Пат. 56565 UA, МКИ В02С 15/06, В28С 1/10. Активатор: М.С. Болотських, Г.Д. Федоров, О.Г. Савченко, О.Ю. Крот, В.І. Волков.-№ 2000042077: Заявл. 11.04.2000; Опубл. 15.05.2003. Бюл. № 5. - 6 с.

Анотація

Волков В.І. Використання барабанно-валкових агрегатів для активації металургійних шлаків у виробництві цегли. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук з спеціальності 05.05.02 - Машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури. Харків. 2004.

Дисертація присвячена дослідженню закономірностей взаємодії робочих органів барабанно-валкового агрегату (БВА) з товстим шаром зволоженого металургійного шлаку, обґрунтуванню на цій основі використання агрегату, як активатора, у складі мінікомплексів по виробництву бесцементної цегли та розробці методики його розрахунку.

Досліджено умови захоплення та достатнього ущільнення розпушеного товстого шару шлаку валком БВА. Розроблена математична модель для визначення зусилля притискання валка із використанням компресійних кривих. Визначені робочі параметри процесу активації шлаку в БВА

Запропоновані захищені патентами конструкції БВА для використання у складі комплексів різної продуктивності та методика розрахунку основних параметрів.

Ключові слова: барабанно-валковий агрегат, металургійний шлак, товстий шар, захоплююча спроможність, активація, ефективність, бесцементна цегла, мінікомплекс.

Аннотация

Волков В.И. Использование барабанно-валковых агрегатов для активации металлургических шлаков в производстве кирпича. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.02 - Машины для производства строительных материалов и конструкций. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. Харьков, 2004.

Диссертация посвящена исследованию основных закономерностей взаимодействия рабочих органов барабанно-валкового агрегата (БВА) с толстым слоем увлажненного металлургического шлака, обоснованию на этой основе использования агрегата, как активатора, в составе миникомплексов по производству предусмотренного стандартом бесцементного кирпича и разработке методики его расчета.

Анализ методов активации выявил, что наиболее эффективна механическая обработка увлажненного толстого слоя шлака путем многократного уплотнения-рыхления. Такую обработку можно проводить в БВА, который в сравнении с бегунами имеет меньшие габариты и металлоемкость, а в отличие от быстроходных смесителей способен обеспечить необходимый уровень силового действия на частицы активируемого шлака.

Закономерности прокатки толстого рыхлого слоя увлажненного сыпучего материала под валком БВА проанализированы в сопоставлении с процессами уплотнения оснований дорожных одежд жесткими катками, роликового формования бетонных изделий и прессования изделий из порошкообразных материалов.

В теоретическом плане решалась задача по определению захватывающей способности валка БВА применительно к рыхлому толстому слою сыпучего материала. Найдены аналитические зависимости, определяющие соотношение между толщиной уплотняемого слоя и параметрами БВА. Усовершенствована форма математического описания компрессионных кривых, которые интегрально характеризуют способность рыхлых материалов к уплотнению. На этой основе построена математическая модель распределения давлений под валком. Модель позволяет: определять усилие прижатия валка, достаточное для создания в прокатываемом слое необходимого для активации уровня давления; оценивать создаваемое в слое под валком максимальное давление при вариации свойств обрабатываемого материала и параметров БВА. Предложена методика упрощенного определения усилия прижатия валка по требуемому для эффективной активации максимальному давлению, основанная на использовании величины условного среднего давления на валок.

Определены условия работоспособности ножа при рыхлении уплотненного слоя. Работоспособность ножа определялась по отсутствию заклинивания силами трения. При рассмотрении сил взаимодействия ножа со слоем разработаны рекомендации относительно конструкции и параметров ножей.

Приведены зависимости для определения производительности и мощности БВА. Энергоемкость процесса активации, определенная аналитически и подтвержденная экспериментально, составляет 15 20 кВт/м³.

На основе проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика расчета БВА и рекомендации по конструктивному исполнению машины в зависимости от схемы производства и производительности линии. Экономически обосновано использование БВА в составе комплексов по производству бесцементного кирпича. Положительный эффект достигнут за счет снижения расхода цемента.

Ключевые слова: барабанно-валковый агрегат, металлургический шлак, толстый слой, захватывающая способность, активация, эффективность, бесцементный кирпич, миникомплекс.

The Summary

The thesis for a candidate's degree of technical sciences on speciality 05.05.02 - Machines for manufacture of building materials and designs. The Kharkov State Technical University of Construction and Architecture. Kharkov, 2004.

The dissertation is devoted to research of laws of interaction of working bodies drum-and-roll the unit (DRU) with a thick layer of the humidified metallurgical slag, to a substantiation on this basis of use of the unit as the activator, in structure pass complexes on manufacture a demon of a cement brick and development of a technique of his calculation.

Conditions of grab and sufficient condensation of the loosened thick layer of slag shaky DRU are investigated. The developed mathematical model for definition of effort pressing is shaky with use compressions curves. Working parameters of process of activation of slag in DRU are determined

Offered designs DRU protected by patents for use in structure of complexes of different productivity and a design procedure of key parameters.

Key words: drum-and-roll the unit, metallurgical slag, a thick layer, a fascinating opportunity, activation, and efficiency, a demon a cement brick, pass a complex.

Размещено на Allbest.ru

...