Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

Міністерство освіти і науки України

Розробка параметрів формуючих елементів валкових пресів для брикетування дрібнофракційних металургійних відходів

Спеціальність 05.05.08 - «Машини для металургійного виробництва»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Баюл Костянтин Васильович

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті чорної металургії імені З. І. Некрасова (ІЧМ) Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, лауреат Державної премії України, старший науковий співробітник Носков Валентин Олександрович, Інститут чорної металургії імені З. І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ, старший науковий співробітник відділу технологічного устаткування і систем управління.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, учитель Олександр Давидович, Національна металургійна академія України, Криворізький факультет, професор кафедри технічної механіки.

Кандидат технічних наук, Смирнов Геннадій Федорович Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені В. Лазаряна, професор кафедри прикладної механіки.

Захист дисертації відбудеться « 14 » жовтня 2008 р. о 1230 годині. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий « 9 » вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пресформа брикетування дрібнофракційний шихта

Актуальність роботи. Повернення в технологічні переділи сипких відходів і вторинної сировини на підприємствах гірничо-металургійного комплексу, як правило, передбачає їх огрудкування. Одним з методів огрудкування є брикетування. Найбільше поширення в якості агрегатів для виробництва брикетів знайшли валкові преси. Рядом зарубіжних підприємств випускаються різні модифікації цих машин, але їх придбання і впровадження для багатьох вітчизняних підприємств викликає труднощі. Вартість такого обладнання, витрати на його ремонт та експлуатацію досить високі. Окрім того, при виборі конструктивних і технологічних параметрів пресу, конфігурації та розмірів формуючих елементів необхідно враховувати характеристики конкретного матеріалу що брикетують, особливості технології отримання та подальшого використання брикетів. Інститутом чорної металургії накопичений значний досвід з розробки технологій та обладнання для брикетування. Початок розвитку даного напрямку в інституті було започатковано у 60-ті роки ХХ століття академіком АН УРСР З. І. Некрасовим. В різний час значний внесок в розвиток напряму вклали фахівці інституту: В. О. Носков, Б. Н. Маймур, В. І. Большаков, О. Н. Кукушкін, Е. В. Приходько, І. Г. Муравьова, Г. М. Дроздов, В. І. Головко, В. Ф. Мороз, В. Ф. Тарасенко, А. Г. Ульянов, А. М. Іоффе та ін. На даний час накопичений досвід промислового використання валкових пресів безстанинного типу конструкції ІЧМ, на основі якого ведуться роботи зі створення надійних сучасних вітчизняних валкових пресів для брикетування дрібнофракційної сировини та відходів. У зв'язку з цим розробка методів визначення параметрів валкових пресів та їх окремих вузлів є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Результати дисертаційної роботи використані при виконанні НДР держбюджетної та госпдоговірної тематики Інституту чорної металургії НАН України: ТО.006.07 «Розвиток науково-методичних основ процесу брикетування дрібнофракційних шихтових матеріалів з метою вибору раціональних схем деформації та створення на їх базі сучасної вітчизняної конструкції пресового обладнання» № державної реєстрації 0107U001700; ТО.362.02 «Розробка режимів брикетування дрібнофракційних відходів феросплавного виробництва» № державної реєстрації 0102U004083; ТО.369.03 «Розробка технології та пресового обладнання для виробництва в умовах НЗФ брикетів з відсівів феросплавів» № державної реєстрації 0103U007225. Дисертаційна робота відповідає науковим напрямам відділу технологічного устаткування та систем управління ІЧМ НАН України.

Мета роботи і задачі дослідження: Розвиток науково-обґрунтованої методичної бази з визначення параметрів валкових пресів з урахуванням конструктивних особливостей формуючих елементів.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

- теоретично дослідити вплив конфігурації робочих поверхонь пуансонів на опір стисканню дрібнофракційних шихт при їх ущільненні в циліндричній пресформі;

- виконати експериментальні дослідження впливу конфігурації робочої поверхні пресуючого інструменту на опір стисканню дрібнофракційних шихт в закритій циліндричній пресформі на лабораторній установці;

- теоретично дослідити опір стисканню шихти в осередку деформації валкового пресу, а також вплив конфігурації формуючих елементів на параметри брикетування дрібнофракційних шихт;

- розробити розрахункові схеми та отримати аналітичні вирази для опису процесу ущільнення дрібнофракційної шихти в осередку деформації валкового пресу з урахуванням впливу конфігурації формуючих елементів на енергосилові та технологічні параметри пресу;

- виконати аналіз розподілу напружень в бандажах валкових пресів з різними конфігураціями формуючих елементів, визначити найбільш небезпечні перетини;

- провести дослідження впливу конфігурації формуючих елементів на якісну картину їхнього зносу;

- створити структурну схему алгоритму і розробити програмне забезпечення, які б дозволили виконати дослідження та розробити рекомендації з визначення технологічних, конструктивних і енергосилових параметрів валкових пресів з урахуванням конфігурації формуючих елементів.

Об'єкт дослідження: процес брикетування дрібнофракційних шихт у валкових пресах.

Предмет дослідження: енергосилові, конструктивні та технологічні параметри валкових пресів з урахуванням впливу конфігурації формуючих елементів на процес брикетування дрібнофракційних шихт.

Методи дослідження: методи фізичного моделювання та обробки експериментальних даних використані при визначенні характеристик ущільнення дрібнофракційних шихт, методи статистичної обробки результатів досліджень, метод математичного моделювання використаний при визначенні параметрів процесу брикетування, метод скінчених елементів застосований при дослідженні напружено-деформованого стану бандажів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розвинуті теоретичні основи визначення конструктивних, енергосилових і технологічних параметрів валкових пресів при пресуванні дрібнофракційної шихти формуючими елементами різної конфігурації.

2. Вперше на основі експериментальних теоретичних досліджень при визначенні опору шихти стисненню враховано вплив конфігурації формуючих елементів на величину та розподіл напружень і коефіцієнта ущільнення в брикетах.

3. Розвинуті методи визначення енергосилових та технологічних параметрів валкових пресів з урахуванням впливу конфігурації формуючих елементів на напружено-деформований стан шихти, які можуть бути використані в системах автоматизованого проектування.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується тим, що при виконанні роботи використовувалися основні положення і закономірності механіки сипких середовищ, теорії пресування і прокатки металевих порошків, теорії пружності, міцності, експериментальні дані про знос бандажів валкових пресів конструкції ІЧМ, а також задовільною узгодженістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень, які багаторазово перевірені на матеріалах із різними фізико-механічними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів. Створено розрахунковий апарат, який дозволяє комплексно підійти до вибору конфігурації формуючих елементів валкових пресів, тобто, оцінити та проаналізувати вплив конфігурації формуючих елементів на характер ущільнення шихт, енергосилові параметри брикетування, міцність та якісну картину зносу бандажів. Даний апарат дозволяє не тільки виявити та усунути недоліки існуючих формуючих елементів, але й змоделювати нові, які позбавлені цих недоліків. Розроблена структурна схема алгоритму, яка являється керівництвом та містить рекомендації до здійснення указаного комплексного підходу. Запропоновані методи розрахунків, реалізовані за допомогою програмних продуктів можуть служити складовою частиною систем автоматизованого проектування з розробки валкових брикетних пресів. Результати досліджень використані при розробці формуючих елементів валкового пресу, який працює у складі технологічної лінії комплексу брикетування відсівів феросплавів на ВАТ “Нікопольський завод феросплавів”. Розроблені математичні моделі використовуються в Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України при проектуванні валкових пресів та технологій для брикетування дрібнофракційних металургійних відходів. Результати роботи реалізуються на практиці при створенні технологій та обладнання для утилізації промислових відходів у відповідності з Державною програмою “Використання відходів виробництва і споживання на період до 2010 року”.

Особистий внесок автора полягає:

- у плануванні та здійснені експериментальних досліджень впливу конфігурації робочої поверхні пресуючого інструменту на параметри ущільнення дрібнофракційних шихт в замкнутому об'ємі, аналізі результатів досліджень;

- у побудові розрахункових схем і визначенні аналітичних виразів для проведення розрахунків і аналізі результатів при виконанні теоретичних досліджень параметрів ущільнення дрібнофракційних шихт в пресформі пуансонами з різною конфігурацією робочої поверхні;

- у побудові розрахункових схем і аналізі формування осередку деформації у валковому пресі та дослідженні напружено-деформованого стану шихти у міжвалковому просторі;

- у побудові розрахункової схеми, визначенні методу вирішення, виведенні аналітичних виразів при виконанні досліджень з визначення впливу конфігурації формуючих елементів на енергосилові параметри процесу брикетування дрібнофракційних шихт у валковому пресі;

- у рішенні нової задачі з визначення впливу силових параметрів брикетування на розподіл напружень і знос бандажів валкових пресів, виконанні розрахунків, аналізі результатів досліджень;

- у проведенні експериментальних досліджень з визначення зносу бандажів валкових пресів у промислових умовах;

- у розробці структурної схеми алгоритму й рекомендацій з визначення енергосилових, технологічних і конструктивних параметрів валкових пресів, аналізі розрахункових даних.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертації доповідались та обговорювались на: ІІ Науково-технічній конференції “Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення” (смт. Східниця, 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-2003” (м. Маріуполь, 2003 р.); Науково-технічній конференції молодих вчених і студентів “Молода академія 2003”, ІЧМ НАНУ, НМетАУ (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-2004” (м. Маріуполь, 2004 р.); Науково-технічній конференції молодих вчених і студентів “Молода академія 2004”, ІЧМ НАНУ, НМетАУ. (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); ХІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія і здоров'я людини. Охорона повітряного і водного басейнів. Утилізація відходів”, Казантип Еко 2005 (с. Щолкіне 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-2005” (м. Маріуполь, 2005 р.); Науково-технічній конференції молодих вчених і студентів «Молода академія 2006» ІЧМ НАНУ, НМетАУ (м. Дніпропетровськ, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 16 публікаціях: 9 статтях в наукових журналах, збірках і працях конференцій, 7 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів і висновків, викладена на 172 сторінках, включаючи 1 додаток, 44 рисунка, 11 таблиць і список використаних джерел із 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обґрунтування актуальності роботи, наведені наукова новизна і достовірність виконаних досліджень, мета роботи і задачі досліджень. Показано практичне значення, відзначений зв'язок роботи з науковими програмами, темами.

В першому розділі виконаний огляд публікацій, присвячених вивченню засобів та методів брикетування. Встановлено, що у відомих методиках розрахунку енергосилових та технологічних параметрів валкових пресів приймалося припущення, що ущільнення шихти відбувається за рахунок горизонтальних складових тиску пресування. При цьому решта складових тиску пресування не врахована, це не відповідає реальній схемі осередку деформації у валковому пресі. Одними з основних вузлів, які безпосередньо беруть участь у формуванні брикетів у валкових пресах, є бандажовані валки з формуючими елементами на їх робочих поверхнях. У відомих роботах вплив конфігурації формуючих елементів на розподіл щільності в брикетах визначений, виходячи тільки з їх геометрії. Це не дозволяє повною мірою оцінити вплив конфігурації формуючих елементів на параметри брикетування і режими роботи пресу. В процесах пресування дрібнофракційних матеріалів конфігурація пресуючого інструменту впливає на опір шихти стисненню. Тому актуальною є розробка комплексного підходу до обґрунтованого вибору раціональної конфігурації формуючих елементів та прогнозування її впливу на параметри брикетування і режими роботи пресового обладнання. На підставі виконаного огляду сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ. Процес ущільнення дрібнофракційної шихти характеризується функціональним взаємозв'язком між тиском пресування та величиною ущільнення. Для встановлення цього взаємозв'язку раніше в ІЧМ створена лабораторна установка та методика експериментальних досліджень. Процес ущільнення шихт здійснюється в пресформі пуансонами з плоскими торцями. Встановлений взаємозв'язок використовується при розрахунках параметрів валкових пресів. Експериментальні дослідження, що проводяться в інституті, показують, що існує відмінність у величині ущільнення при однаковому тиску пресування для брикетів, отриманих в пресформі та у валковому пресі. Припущено, що воно обумовлено впливом конфігурації пресуючої поверхні на напружено-деформований стан шихти. Дослідження, що розкривають сутність цього явища, раніше не проводилися. Тому виконані експериментальні дослідження з визначення ступеня і характеру впливу конфігурації пресуючої поверхні на параметри ущільнення дірібнофракційних шихт. Для досліджень вибрані відходи гірничо-металургійного комплексу і шихти на їх основі, які відрізняються між собою за фізико-механічними властивостями.

Пресування здійснювалося пуансонами з різними конфігураціями робочих поверхонь, три з них відповідають конфігураціям формуючих елементів валкових пресів конструкції ІЧМ.

Досліджено ступінь та характер впливу конфігурації пресуючих поверхонь пуансонів на опір дрібнофракційних шихт ущільненню в замкнутому об'ємі пресформи.

Аналіз кривих ущільнення досліджуваних шихт дозволив зробити висновок про те, що величини Ку шихт залежать від геометричних параметрів робочих поверхонь пресуючого інструменту. Показано, що для досягнення однакового ступеня ущільнення пуансонами з різними конфігураціями робочих поверхонь необхідно прикласти різний за величиною тиск пресування.

В третьому розділі описана методика визначення величини опору стисненню та параметрів ущільнення шихт в пресформі з урахуванням конфігурації пресуючої поверхні. Прийнята гіпотеза, що шихта є суцільним ізотропним матеріалом, що стискається. Це дозволило використати для аналізу процесу ущільнення шихти математичний апарат механіки суцільного середовища. Коректність такого підходу підтверджена в ряді робіт з дослідження процесів пресування та прокатки металевих порошків.

Отримані аналітичні вирази для визначення параметрів ущільнення шихти в пресформі.

Умова передачі тиску в шихті:

,

де - коефіцієнт бокового тиску.

Взаємозв'язок між коефіцієнтом ущільнення та стискаючим напруженням:

де - напруження при лінійній деформації; а і b - параметри, що характеризують тип шихти.

Вирази для визначення напружень у полярних координатах:

,

де - кут нахилу пресуючої поверхні, який залежно від умов, що позначається або .

Напруження, виражені через координати ху:

.

Щоби визначити зміну об'єму шихти в процесі ущільнення прийнято припущення, що шари шихти паралельні площини не здійснюють один на один силової дії. Виходячи з цього, аналітичні вирази для визначення напружено-деформованого стану шихти, отримані раніше, будуть справедливими для будь-якого шару. Усереднене значення коефіцієнта ущільнення брикету може бути визначено за виразом:

де - початковий об'єм, відповідний вільному насипанню шихти в пресформу;

- кінцевий об'єм, який займає шихта під тиском;

, - функції, що описують контур пресуючих поверхонь пуансонів;

- радіус каналу пресформи.

Аналітичні вирази встановлюють взаємозв'язок між величиною ущільнення і тиском пресування з урахуванням впливу конфігурації пресуючої поверхні на напружено-деформований стан шихти. З використанням розрахункової схеми і аналітичних виразів отримана теоретична залежність між тиском пресування та коефіцієнтом ущільнення для прийнятих шихт і конфігурацій пресінструменту.

Порівняння теоретичних і експериментальних кривих показує їх задовільну збіжність (відмінність значень Ку не більше 10%), що свідчить про коректність результатів досліджень. Досліджено розподіл коефіцієнта ущільнення і напружень за перетином брикетів.

Результати досліджень дають підстави використовувати їх при розробці підходів до вивчення процесу ущільнення дрібнофракційних шихт у валкових пресах.

В четвертому розділі розроблена математична модель осередку деформації у валковому пресі. Показано, що на відміну від ущільнення в пресформі, у валкових пресах стиснення шихти здійснюється у міжвалковому просторі, в об'ємі формуючих елементів, що поступово замикається. Координати, що характеризують положення формуючих елементів, є функціями кута повороту валків. Це здійснює вплив на умови формування осередку деформації та напружено-деформований стан шихти. Відомо два основні види калібрування валків пресів, які відрізняються між собою за типом формуючих елементів. Перший з них із зубчато-жолобчатою конфігурацією формуючих елементів - брикет формується в просторі формуючих елементів, розділених між собою виступами у вигляді зубів на одному валу і поверхнею у вигляді кільцевого жолоба на іншому валу, при їх зустрічному обертанні.

У другому випадку калібрування валків симетричне - формуючі елементи обох валків мають однакову конфігурацію, у вигляді напівформ.

Розглянуто процес деформації шихти у валках з зубчато-жолобчатою конфігурацією формуючих елементів. Для симетричного калібрування валків (напівформи) розрахункова схема дещо зміниться, але принцип її побудови і рішення задачі залишаться аналогічними.

Осередок деформації у валковому пресі представляє собою об'єм шихти, який знаходиться в міжвалковому просторі та обмежений з боків стінами завантажувального пристрою, зверху - поверхнею засипу шихти, а знизу перетином виходу брикетів з валків. В осередку деформації у валковому пресі виділяють три характерні зони: подачі, зсувів та пресування. Кожній з цих зон відповідають кути, які визначають особливі перетини осередку деформації. Умови формування осередку деформації визначаються за допомогою відомих раніше методик. До розгляду прийняті тільки процеси, що відбуваються в зоні пресування, які суттєво впливають на якість брикетів. Шихта в осередку деформації, умовно представлена у вигляді набору смуг певної ширини. Встановлені взаємозв'язки між ущільненням смуг і кутом повороту валків. Для визначення напружень та ущільнення в брикеті вирішена допоміжна задача про ущільнення шихти в тонкій смузі товщиною і початковою довжиною . Встановлені взаємозв'язки між тиском пресування, нормальними і дотичними напруженнями, а також коефіцієнтом ущільнення в шихті:

, ,

де f2 - коефіцієнт внутрішнього тертя; , .

В осередку деформації (рис. 7 а) відбувається процес двостороннього стиснення матеріалу, та поточні значення кутів повороту валків, які характеризують ущільнення смуги ANB.

Тому початкова смуга ANB умовно розділяється на два рівні відрізки, оскільки в її середньому перетині діють мінімальні напруження.

До кожного з цих відрізків, з урахуванням зміни систем координат можуть бути застосовані вирази. Це дає можливість визначити картину напружено-деформованого стану шихти в осередку деформації з урахуванням сил тертя в шихті та конфігурацією формуючих елементів. Виведені аналітичні вирази для визначення складових тиску пресування, що дозволяє врахувати вплив конфігурації формуючих елементів при визначенні розпірного зусилля, обертаючого моменту та потужності приводу пресу. Нормальна та дотична складові тиску пресування , діючого на ділянці :

, ,

де - кут, що характеризує нахил ділянки та визначається з геометричних співвідношень у відповідності до розрахункової схеми; - функція, що описує контур зубчатого ряду.

Нормальна та дотична складові тиску пресування , діючого на майданчику :

, ,

де - кут, що визначається з геометричних співвідношень за рис.7; - зазор між валками.

Складові тиску пресування від сил тертя:

, ,

де - коефіцієнт зовнішнього тертя.

Крутний момент від сил, діючих на один зубчатий ряд формуючих елементів:

,

де - означає, що підсумовуються моменти від всіх сил, діючих на зубчатий ряд;

- приведена ширина формуючого елемента;

Крутний момент, від сил діючих на один жолоб:

де - означає, що підсумовуються моменти від всіх сил, діючих на один жолоб;

Розпірне зусилля, що приходиться на один ряд формуючих елементів:

,

де - означає, що підсумовуються всі сили, які діють на один ряд формуючих елементів.

Загальні крутний момент і розпірне зусилля:

, ,

де - загальна кількість зубчатих рядів на валках; - загальна кількість жолобів на валках.

Потужність приводу

,

де - частота обертання валків; - загальний ККД приводу; м/с2.

Продуктивність пресу:

- для зубчато-жолобчатої конфігурації формуючих елементів

- для линзоподібної конфігурації формуючих елементів

де - об'єм брикету; - кількість формуючих елементів в одному ряді по довжині кола валку; - кількість рядів формуючих елементів на поверхні валу; - кількість формуючих елементів на поверхні валу; - частота обертання валків.

За допомогою розробленої математичної моделі отримані наочні картини розподілу напружень та ущільнення в шихті, що характеризують якість брикетів, а також визначені значення енергосилових параметрів брикетування. Розрахунки виконані для трьох видів формуючих елементів та шихт із різними фізико-механічними властивостями.

Встановлено, що відмінність значень розпірних зусиль та крутних моментів для різних конфігурацій формуючих елементів пояснюється впливом геометрії пресуючої поверхні на величину та розподіл складових тиску пресування.

Шихти з низькою насипною щільністю та опором стисненню, потребують високих значень , це призводить до збільшення розмірів зони пресування. Тому для їх брикетування рекомендуються формуючі елементи, що дозволяють знизити величину крутного моменту. Шихти з високою насипною щільністю та низьким значенням характеризуються високими значеннями опору стисненню і для них бажано застосовувати формуючі елементи, що дозволяють знизити величину розпірного зусилля.

В п'ятому розділі приведені результати досліджень міцності та зносу бандажів валкового пресу в процесі їх роботи. Значення навантажень на валки визначені з використанням створеного в роботі розрахункового апарату. Вибраний критерій оцінки міцності , згідно третьої теорії міцності. Значення напружень та їх розподіл визначений методом скінчених елементів. Матеріал бандажів - сталь 40ХН .

Визначені найнебезпечніші перетини в бандажах. Встановлено, що значення максимальних напружень не перевищують для зубчато-жолобчатої симетричної конфігурації - 340МПа, для несиметричної - 285МПа, для линзоподібної - 250МПа, що задовольняє прийнятому критерію оцінки міцності. В промислових умовах отримані дані про знос формуючих елементів, на основі чого вперше зроблена спроба оцінки якісної картини зносу формуючих елементів і встановлення її взаємозв'язку з розподілом напружень в бандажах. Показана можливість на стадії проектування, виконати оцінку міцності, а також прогнозування якісної картини зносу бандажів валкових пресів.

Шостий розділ. Завершальним етапом роботи було узагальнення результатів виконаних досліджень, які, на відміну від відомих, дозволяють комплексно підійти до вибору конфігурації формуючих елементів, оцінити і проаналізувати вплив їхньої геометрії на характер ущільнення шихт, міцність бандажів й на енергосилові параметри брикетування. Це створює можливості не тільки виявити та усунути недоліки існуючих формуючих елементів, але й змоделювати нові, позбавлені цих недоліків.

Як приклад реалізації запропонованого підходу розглянуті чотири поширені в практиці брикетування конфігурації формуючих елементів, кожна трьох типорозмірів. Для них отримані розрахункові дані енергосилових та технологічних параметрів пресу для умов брикетування різних шихт.

В результаті досліджень встановлено, що значення крутних моментів та потужності для зубчато-жолобчатих формуючих елементів вище на 35...40%, ніж для линзоподібних і подушкоподібних. Для линзоподібної та подушкоподібної конфігурацій значення розпірних зусиль на 30...40% вище, ніж для зубчато-жолобчатих, що необхідно враховувати при проектуванні механізмів притиску валків, приводу та несучих елементів пресу. Всі види брикетів у поверхневих шарах ущільнені більшою мірою, ніж в центральній частині, що обумовлено внутрішнім тертям в шихті та позитивно позначається на міцності брикетів при транспортуванні. З розгляду полів розподілу напружень в бандажах встановлено, що найбільш навантажені зубчато-жолобчаті формуючі елементи, а найменше - линзоподібні, відмінність значень максимальних напружень складає приблизно 100 МПа. Показана можливість, на стадії проектування шляхом зміни конфігурації формуючих елементів забезпечити раціональні енергосилові і технологічні параметри роботи пресів. Приведений порівняльний аналіз розрахункових даних для початкових формуючих елементів та їх трансформацій.

Зубчато-жолобчатий формуючий елемент змінений так, щоб надати йому властивості подушкоподібної конфігурації. В результаті на 15% знизилися енергосилові параметри. Розподіл ущільнення в шихті став більш рівномірним. Напруження в бандажах знизилися на 44МПа. Для усунення рихлої серцевини в брикетах частина контура линзоподібного формуючого елемента зроблена увігнутою. В результаті енергосилові параметри знизилися на 18%, отриманий заданий розподіл щільності.

Проте зміна контуру формуючого елемента призвела до збільшення напружень в бандажах на 98 МПа. Трансформація подушкоподібної конфігурації зробила ущільнення брикетів більш рівномірним.

Величина напружень в бандажах знизилася на 87МПа.

Аналіз розрахункових даних показав, що кожному типу формуючих елементів притаманний ряд переваг та недоліків. Перевагу використання конкретного формуючого елемента необхідно визначати порівняльним аналізом розрахункових даних з урахуванням технології подальшого використання брикетів. На основі аналізу отриманих відомостей сформульовані рекомендації по конструюванню раціональної геометрії формуючих елементів, що забезпечують отримання брикетів заданої якості, раціональних: енергосилових параметрів, міцності бандажів і продуктивності валкових пресів. Сформульовані рекомендації можуть використовуватися при створенні нових і модернізації існуючих конструкцій пресового обладнання для брикетування дрібнофракційних відходів металургійних і інших виробництв.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Отримані експериментальні дані, на підставі яких теоретично обґрунтовано вплив конфігурації пресуючого інструменту на параметри ущільнення дрібнофракційних шихт. На підставі аналізу напружено-деформованого стану шихти, що ущільнють в пресформі пуансонами з різними конфігураціями пресуючої поверхні, отримані аналітичні вирази, що встановлюють взаємозв'язок між тиском пресування та коефіцієнтом ущільнення Ку. Побудовані з їх використанням криві ущільнення задовільно (відмінність не більше 10%) співпадають з експериментальними кривими, що свідчить про коректність виконаних досліджень. Отримані дані про величину та характер розподілу коефіцієнта ущільнення Ку та напружень за перетином брикетів.

2. Відмінність схем деформації шихти в замкнутому об'ємі пресформи та в об'ємі, формуючих елементів валкового пресу, який поступово замикається, приводить до необхідності трансформації аналітичних виразів, що описують напружено-деформований стан шихти. На підставі аналізу осередку деформації у валковому пресі запропоновані розрахункові схеми, які на відміну від відомих раніше, описують ущільнення шихти з урахуванням окружних, радіальних складових тиску пресування та сил зовнішнього тертя. Отримані аналітичні вирази для визначення тиску пресування, нормальних та дотичних напружень, коефіцієнта ущільнення Ку в шихті. Запропоновані розрахункові схеми і аналітичні вирази є математичною моделлю осередку деформації у валковому пресі. На основі даної моделі вперше з урахуванням сил внутрішнього тертя та конфігурації формуючих елементів визначена картина напружено-деформованого стану шихти у валковому пресі, що дозволяє врахувати вплив конфігурації формуючих елементів при визначенні енергосилових параметрів пресу та оцінці якості брикетів.

3. На підставі розробленої математичної моделі осередку деформації у валковому пресі для різних конфігурацій формуючих елементів встановлено, що значення крутних моментів, та потужності для зубчато-жолобчатих конфігурацій вище на 35...40%, ніж для линзоподібних та подушкоподібних, а для линзоподібної та подушкоподібної конфігурацій розпірні зусилля на 30...40% вище, ніж для зубчато-жолобчатих. Це необхідно враховувати при проектуванні силової лінії приводу, механізмів притиску валів та несучих елементів пресу.

4. На підставі аналізу напружено-деформованого стану бандажів валкових пресів, виконаного з використанням методу скінчених елементів, для різних конфігурацій формуючих елементів визначені найнебезпечніші перетини в бандажах. Встановлено, що при брикетуванні шихт широкого діапазону значення максимальних напружень в бандажах не перевищують для зубчато-жолобчатої симетричної конфігурації - 340МПа, для несиметричної - 285МПа, та для линзоподібної - 250МПа. Це дозволило сформулювати рекомендації з конструювання геометрії формуючих елементів із необхідною міцністю. Порівняння експериментальних даних про знос формуючих елементів з розподілом напружень в бандажах вказує на їх якісний збіг, на основі чого вперше показана можливість прогнозування якісної картини зносу бандажів, що може бути використано при розробці методів підвищення зносостійкості бандажів.

5. На основі узагальнення результатів досліджень розроблено комплексний підхід до вибору раціональної конфігурації формуючих елементів. Сутність даного підходу полягає в послідовній системній зміні параметрів формуючих елементів, направленому на рішення комплексу задач з вибору енергосилових (тиск пресування, розпірне зусилля, крутний момент, потужності приводу) та технологічних (коефіцієнта ущільнення Ку та його розподіл) параметрів валкового пресу, які забезпечують реалізацію раціональних режимів його роботи та необхідну міцність бандажів. Реалізований за допомогою розрахункових методів та програмного забезпечення цей підхід запропонований для створення систем автоматизованого проектування пресового обладнання.

6. Сформульовані рекомендації по конструюванню раціональної геометрії формуючих елементів, що забезпечують отримання брикетів заданої якості з дотриманням енергосилових параметрів, що вимагаються, міцності бандажів і продуктивності валкових пресів.

7. Результати досліджень, розрахункові дані й рекомендації використані при конструюванні геометрії формуючих елементів (39,76х36,75х17мм, об'ємом 19...21см3) в період проектування та промислового освоєння валкового пресу для комплексу брикетування відсівів феросплавів на ВАТ “Никопольській завод феросплавів”, а також при виконанні окремих етапів робіт із створення нових конструкцій валкових пресів, що проводяться в ІЧМ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Носков В. А. Прессовое оборудование для брикетирования мелкофракционных промышленных отходов / Носков В. А., Муравьева И. Г., Баюл К. В. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. трудов ИЧМ НАН Украины. Вып. 4. - К.: Наукова думка. - 2001. - С. 294-300.

2. Носков В. А. Научно-методические основы определения характеристик и режимов процесса брикетирования мелкофракционных материалов / Носков В. А., Маймур Б. Н., Петренко В. И., Лебедь А. Т., Баюл К. В. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. трудов ИЧМ НАН Украины. Вып. 5. - К.: Наукова думка. - 2002. - С. 344-347.

3. Баюл К. В. О переработке мелкофракционных отходов металлургии методом брикетирования / Баюл К. В., Ващенко С. В., Крюков В. В. // Международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Азовсталь-2003». Мат. конф. - Мариуполь, 2003. - С. 30-31.

4. Носков В. А. Исследование влияния конфигурации прессующего инструмента на показатели уплотнения мелкофракционых шихт в брикеты / Носков В. А., Баюл К. В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003.-№4.-С.137-138.

5. Носков В. А., Технология и оборудование комплексной утилизации металлургических отходов / Носков В. А., Баюл К. В. // Труди II Науково-технічної конференції "Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення". - К., 2003. - С.47-51.

6. Баюл К. В. Опыт освоения и эксплуатации комплекса брикетирования отсевов ферросплавов на ОАО «Никопольский завод ферросплавов» / Баюл К. В., Ващенко С. В., Крюков В. В. // Международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Азовсталь-2004». Мат. конф. - Мариуполь, 2004. - С. 62-64.

7. Баюл К. В. Разработка технологических и конструктивных параметров валковых прессов конструкции ИЧМ / Баюл К. В. // Международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Азовсталь-2005» Мат. конф. - Мариуполь, 2005. - С. 55-56.

8. Баюл К. В. Экспериментальные и теоретические исследования влияния конфигурации рабочей поверхности прессующего инструмента на параметры уплотнения мелкофракционных шихт / Баюл К. В., Носков В. А. // Молодая академия 2005. Зб. тез доповідей ІІ міжнародної науково-технічної конференції студентів. - Дніпропетровськ НметАУ. 2005. - с.339-340.

9. Носков В. А. Обзор исследований процесса брикетирования мелкофракционных материалов в валковых прессах / Носков В. А., Баюл К. В. // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. трудов ИЧМ НАН Украины. Вып. 11. - Днепропетровск.: «Визион». - 2005. - С.289-293.

10. Носков В. А. Опыт освоения промышленного комплекса брикетирования отсевов ферросплавов на ОАО «НЗФ» / Носков В. А., Баюл К. В., Неведомский В. А. // XIII Международная научно-практическая конференция «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов». Сборник научных статей. Том II. - Харьков 2005 - С.243-247.

11. Носков В. А. Исследование влияния конфигурации формующих элементов на напряженно-деформированное состояние и параметры уплотнения мелкофракционных шихт / Носков В. А., Баюл К. В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 2. - С.104-108.

12. Носков В. А. Исследование уплотнения и напряженно-деформированного состояния мелкофракционных шихт в валковом прессе / Носков В. А., Баюл К. В., Харун И. В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - №4. - С.142-146.

13. Носков В. А. Исследования напряженно-деформированного состояния мелкофракционных шихт при их брикетировании / Носков В. А., Баюл К. В. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. трудов ИЧМ НАН Украины. Вып. 13. - Днепропетровск.: «Визион». - 2006. - С.271-280.

14. Носков В. А. Исследование напряженного состояния и характера износа бандажей брикетировочных валковых прессов / Носков В. А., Баюл К. В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №1. - С.78-82.

15. Баюл К. В. Развитие научно-методических основ разработки технологических, геометрических и энергосиловых параметров валковых брикетировочных прессов конструкции ИЧМ / Баюл К. В., Ващенко С. В., Крюков В. В. // Молода академія 2007. - Збірка тез доповідей Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, Дніпропетровськ НМетАУ, - 2007. С.303.

16. Носков В. А. Оценка влияния конфигурации формующих элементов на энергосиловые параметры брикетирования в валках / В. А. Носков, К. В. Баюл // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Сб. научн. трудов ИЧМ НАН Украины. Вып. 14. - Днепропетровск.: «Визион». - 2007. - С.278-285.

АННОТАЦИЯ

Баюл К. В. Разработка параметров формующих элементов валковых прессов для брикетирования мелкофракционных металлургических отходов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.08 - «Машины для металлургического производства». - Национальная металлургическая академия Украины. - Днепропетровск, 2008.

Работа посвящена развитию научно-методической базы выбора параметров формующих элементов валковых прессов для брикетирования мелкофракционных отходов горно-металлургического комплекса.

На основе экспериментальных исследований установлено влияние конфигурации прессующей поверхности на параметры уплотнения мелкофракционных шихт в замкнутом объеме прессформы, выполнен его анализ и теоретическое обоснование. Результаты исследований процесса уплотнения в прессформе послужили основой теоретических исследований процесса брикетирования в валковом прессе.

На основе анализа очага деформации в валковом прессе предложены расчетные схемы, которые, в отличие от известных ранее, описывают процесс уплотнения мелкофракционных шихт с учетом всех составляющих давления прессования. Исследовано влияние конфигурации формующих элементов на характер уплотнения шихт в межвалковом пространстве и на энергосиловые параметры брикетирования. Выведены аналитические выражения для определения составляющих давления прессования, что позволяет учесть влияние конфигурации формующих элементов при определении распорного усилия, крутящего момента и мощности привода пресса. Предложенные расчетные схемы и аналитические выражения представляют собой математическую модель, на основе которой созданы программные продукты. Получены наглядные картины распределения напряжений и уплотнения в шихте, характеризующие качество брикетов и определены значения энергосиловых параметров брикетирования.

Проведены теоретические исследования прочности формующих элементов различной конфигурации, предпринята попытка оценки качественной картины износа. Показана возможность, с использованием численных методов, на стадии проектирования, выполнить оценку прочности, а также прогнозирование качественной картины износа бандажей валковых прессов.

Разработан комплексный подход, позволяющий на стадии проектирования валкового пресса осуществлять выбор и корректировку конфигурации формующих элементов с целью обеспечения требуемых технологических и энергосиловых режимов работы валковых прессов. Разработана структурная схема алгоритма, которая является руководством к осуществлению указанного комплексного подхода с использованием программных средств и содержит рекомендации к определению технологических, конструктивных и энергосиловых параметров валковых прессов. Это позволяет не только выявить и устранить недостатки существующих формующих элементов, но и смоделировать новые, лишенные этих недостатков.

Созданные методы и рекомендации использовались при разработке формующих элементов (39,76х36,75х17мм, объемом 19…21см3) валкового пресса для комплекса брикетирования отсевов ферросплавов на ОАО «Никопольский завод ферросплавов», а также при выполнении отдельных этапов работ по созданию новых конструкций валковых прессов проводимых в ИЧМ.

Ключевые слова: валковый пресс, металлургические отходы, формующие элементы, напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры, прочность бандажей, параметры уплотнения, процесс брикетирования.

АНОТАЦІЯ

Баюл К. В. Розробка параметрів формуючих елементів валкових пресів для брикетування дрібнофракційних металургійних відходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 - «Машини для металургійного виробництва». - Національна металургійна академія України. -Дніпропетровськ, 2008.

Робота присвячена розвитку науково-методичної бази вибору параметрів формуючих елементів валкових пресів для брикетування дрібнофракційних відходів гірничо-металургійного комплексу.

На основі експериментальних досліджень встановлений вплив конфігурації пресуючої поверхні на параметри ущільнення дрібнофракційних шихт в замкнутому об'ємі пресформи, виконаний його аналіз та теоретичне обґрунтування. Результати досліджень процесу ущільнення шихт в пресформі з урахуванням впливу конфігурації пресуючої поверхні на напружено-деформований стан шихти стали основою теоретичних досліджень процесу брикетування у валковому пресі.

На основі аналізу осередку деформації у валковому пресі запропоновані розрахункові схеми, які, на відміну від відомих раніше, описують процес ущільнення дрібнофракційних шихт з урахуванням всіх складових тиску пресування. Досліджений вплив конфігурації формуючих елементів на характер ущільнення шихт в міжвалковому просторі й на енергосилові параметри брикетування. Запропоновані розрахункові схеми і аналітичні вирази є математичною моделлю, на основі якої створені програмні продукти. Отримані наочні картини розподілу напружень і ущільнення в шихті, які характеризують якість брикетів, а також визначені значення енергосилових параметрів брикетування. Проведені теоретичні дослідження міцності формуючих елементів різної конфігурації, зроблена спроба оцінки якісної картини зносу. Показана можливість з використанням чисельних методів на стадії проектування виконати оцінку міцності, а також прогнозування якісної картини зносу бандажів валкових пресів.

Розроблений комплексний підхід, що дозволяє розробникам на стадії проектування валкового пресу здійснювати вибір і корегування конфігурації формуючих елементів з метою забезпечення вимог до технологічних і енергосилових режимів роботи валкових пресів. Розроблена структурна схема алгоритму, яка є керівництвом до здійснення вказаного комплексного підходу з використанням програмних засобів та містить рекомендації до визначення технологічних, конструктивних і енергосилових параметрів валкових пресів. Це дозволяє не тільки виявити і усунути недоліки існуючих формуючих елементів, але й змоделювати нові, позбавлені цих недоліків.

Ключові слова: валковий прес, металургійні відходи, формуючі елементи, напружено-деформований стан, енергосилові параметри, міцність бандажів, параметри ущільнення, процес брикетування.

SUMMARY

Baiul K. V. Development of forming elements parameters of roller presses for briquetting of fine particle metallurgical wastes. - Manuscript.

Dissertation for the Degree of Candidate of Engineering Science, Speciality 05.05.08 - «Machines for Metallurgical Manufacture». National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2008.

The dissertation is dedicated to development of scientific-methodical base of the choice of parameters of forming elements of roller press for fine charge material briquetting of mining-metallurgical industry. The effect of pressing surfaces shape on parameters of the charge material compaction in closed volume of pressform was experimentally studied. The analysis and theoretical grounds of dispersed materials compaction in the dies with various curvature of puncheons surfaces were made. Results of experimental and theoretical investigations were used for creation of mathematical model of deformation cell in the roller press. The effect of forming elements shape on charge compaction in the gap between rolls as well as on power-forces parameters of briquetting was found. The theoretical investigations of toughness of forming elements with various shapes were made. The attempt of qualitative picture of tire's wear estimation was undertaken. The common approach to choice and correction of forming elements shape was developed. This provides the rational technological and power-forces parameters of roller presses.

Key words: roller press, metallurgical waste, forming elements, briquetting process, parameters of the compaction, tense-deformed condition, power - forces parameters, toughness of the tires.

Размещено на Allbest.ur

...