Разработка оптимального гранулометрического состава экзотермических гранулированных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Украинская инженерно-педагогическая академия

Разработка оптимального гранулометрического состава экзотермических гранулированных смесей

Т.Б. Гонтар, С.М. Вилков, канд.техн.наук,

О.Б. Скородумова, д-р техн.наук

Анотація

У роботі досліджений вплив розміру гранул на структурно-механічні властивості екзотермічної суміші, призначеної для гарячого ремонту вогнетривких футерівок теплових агрегатів. Виконано оптимізацію отриманих результатів за допомогою симплекс-ґратчастого методу й уточнений оптимальний інтервал дисперсності гранульованої екзотермічної суміші (1,0 - 0 мм), що може бути отриманий без відсівання тонкої фракції 0,2 - 0 мм.

Annotation

экзотермический смесь гранула футеровка

It has been investigated the influence of the size of granules on structural-mechanical properties of exothermic mixture intended for hot repairs of refractory lining of heat units. Optimization is done of the results obtained with the help of the simplex-lattice method, and it is specified the optimal interval dispersion of granulated exothermic mixture (1,0 - 0 mm), which can be achieved without the elimination of fine fraction 0,2 - 0 mm.

Основная часть

Для горячего ремонта огнеупорных футеровок целесообразно использование гранулированных порошков экзотермических смесей [1 - 3]. Предварительное гранулирование наносимой экзотермической смеси необходимо не только для предотвращения уноса мелкозернистого порошка металла, но и для более полного поверхностного оплавления огнеупорного компонента смеси и его эффективного припекания к огнеупорной футеровке.

Для осуществления самораспространяющегося высокотемпературного синтеза имеет значение процесс подачи экзотермических смесей к ремонтируемой футеровке теплового агрегата, а именно достаточная текучесть порошка наносимого материала. Текучесть порошков обеспечивает стабильную подачу в распылитель и возможность точной регулировки расхода экзотермических смесей, является сложной комплексной характеристикой, зависящей от насыпной плотности, гранулометрического состава, формы и состояния поверхности частиц.

Целью данных исследований являлась разработка оптимального гранулометрического состава экзотермических смесей.

Материалы и методики исследований. Для исследований использовали экзотермические смеси, имеющие размеры гранул: 3,0 - 2,0 мм; 2,0 - 1,0 мм; 1,0 - 0,5 мм; 0,5 - 0,2 мм; 0,2 - 0,1 мм.

В качестве огнеупорного компонента использовали бой динасового кирпича (ГОСТ 4157-79). Горючий компонент - алюминиевую пудру (ГОСТ 5494-95), наносили на огнеупорный наполнитель при помощи связующего - жидкого стекла.

Для среднего гранулометрического состава каждой фракции экзотермической смеси определяли насыпную плотность, время истечения, углы внутреннего и внешнего трения.

Методика определения угла естественного откоса заключалась в следующем. Воронку опускали до касания с плоской металлической пластиной, заполняли ее порошком, а затем медленно поднимали над пластиной. Угол между образующей полученного конуса и основанием определяли с помощью транспортира.

Угол внешнего трения определяли по углу наклона плоской металлической пластины, при котором происходит ссыпание примерно 90% навески порошка.

Для определения угла внутреннего трения готовили закрепленный клеем монослой испытуемого порошка определенной фракции на плоской металлической поверхности. Угол наклона, при котором происходит ссыпание порошка той же фракции, принимали за угол внутреннего трения.

Экспериментальная часть. Зависимость насыпной плотности от среднего размера гранул экзотермической смеси представлена в таблице и на рис.1.

Таблица

Свойства фракционированного порошка

Изменение среднего размера гранул в интервале 0,05 - 0,75 мм приводило к резкому повышению насыпной плотности порошка. При дальнейшем увеличении размера гранул (выше 0,75 мм) насыпная плотность практически не изменялась.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследовали зависимость времени истечения экзотермической гранулированной смеси из градуированных воронок диаметром 12 мм, отвечающих размерам наиболее часто используемых сопел в системах подачи торкрет - установок (табл., рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как видно из рисунка, минимальным временем истечения обладают экзотермические смеси, имеющие средний размер гранул 0,35 - 0,75 мм, что соответствует фракциям 0,5 - 0,2 и 1,0 - 0,5 (табл.) и, по-видимому, связано с меньшим внутренним трением между частицами.

Успешное нанесение экзотермических гранулированных смесей на ремонтируемую футеровку зависит от их текучести. При длительном хранении часто имеет место агрегирование частиц, приводящее к комкованию и слеживанию порошков, что ограничивает применение экзотермических смесей. Критериями оценки текучести порошков служат такие показатели как угол естественного откоса и угол внутреннего трения.

Зависимость угла естественного откоса от среднего размера гранул экзотермической смеси различных фракций представлена в таблице и на
рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из рисунка видно, что зона оптимума находится в интервале дисперсности гранул 0,35 - 0,75 мм.

Определяли углы внутреннего и внешнего трения в порошках исследуемых фракций. Угол внутреннего трения наиболее полно характеризует значение сил сцепления между частицами порошка.

Зависимость углов внешнего и внутреннего трения от дисперсности гранул представлена в таблице и на рис. 4.

Минимальным углом внутреннего трения характеризовалась фракция 1,0 - 0,5 мм. Угол внутреннего трения был выше, чем угол внешнего трения, так как часть материала не скользила, а перекатывалась по поверхности, образованной закрепленным слоем экзотермической смеси.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совместный анализ приведенных графиков позволил выявить, что оптимальный гранулометрический состав экзотермической смеси находится в диапазоне 0,2 - 1,0 мм. Недостатком предложенного состава является необходимость дополнительной технологической операции по отсеву фракций размером менее 0,2 мм.

Для устранения полученного недостатка применили симплекс - решетчатое планирование эксперимента для установления допустимого содержания в экзотермических смесях частиц с размером зерен ниже 0,2 мм, для чего составляли матрицу планирования эксперимента по изучению времени истечения порошка из воронки и определяли дисперсию воспроизводимости.

Вычислены коэффициенты регрессии, получена модель кубической степени приближения. Полученная модель проверена на адекватность. Для контрольных точек определены экспериментальные и расчетные значения времени истечения. Контрольные точки определялись в областях с максимальным, минимальным и средним временем истечения. Экспериментальные и расчетные данные совпали, что говорит об адекватности полученной математической модели.

С помощью полученной модели было рассчитано время истечения экзотермической смеси с размером частиц 1-0 мм с различным объемным содержанием фракций 1-0,5; 0,5 - 0,2 и 0,2 - 0 мм. Оптимальной временем истечения является скорость: от 18,3 до 19,1 с.

Аналогичным способом для экзотермической смеси фракция 1,0 - 0 мм с различным объемным содержанием фракций: 1- 0,5, 0,5 - 0,2 и 0,2 - 0 мм построены адекватные математические модели для определения углов внутреннего (1) и внешнего (2) трения:

y = 42,33x₁ + 39,83x₂ +41,66x₃ + 25,13x₁x₂ + 23,265x₁x₃ + 7,875x₂x₃ - 8,103x₁x₂ (x₁-x₂) -12,87x₁x₃ (x₁-x₃) -7,155x₂x₃ (x₂ -x₃) -95,197x₁x₂ x₃ (1)

y = 34,66x₁ +30, 33 x₂ + 26,66x₃ + 7,515 x₁x₂ +6,77x₁x₃ +3,758x₂x₃ - 7, 52 x₁x₂ (x₁-x₂) - 2, 27 x₁x₃ (x₁-x₃) +5, 24 x₂x₃ (x₂ -x₃) - 41,78x₁x₂ x₃ (2).

С помощью полученных моделей рассчитаны углы внешнего и внутреннего трения экзотермических смесей с размером частиц 1,0 - 0 мм с различным объемным содержанием фракций 1 - 0,5, 0,5 - 0,2 и 0,2 - 0 мм.

Для области составов с наибольшим временем истечения углы внутреннего трения составляют 40-4239^//, а углы внешнего трения - 27 - 29.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить область гранулометрических составов экзотермической смеси, характеризующихся оптимальной текучестью. Выполненная оптимизация с помощью симплекс - решетчатого метода планирования эксперимента позволила установить допустимость содержания в экзотермической смеси гранул размером < 0,2 мм в количестве до 25-27 мас.%, что позволяет не отсеивать тонкую фракцию при приготовлении разработанной экзотермической смеси.

Список литературы

1. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000. 224 с.

2. Владимиров В.С., Галаган А.П., Карпухин И.А. Использование для металлургических и литейных производств новых огнеупорных СВС - материалов и покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами /Тезисы докладов 2й международной научно-практической конференции «Автоматизированные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». М: МИСИ, 2002. С. 570 - 574.

3. А.с. 494374. Экзотермический огнеупорный мертель /Дябин В.В., Неволин В.М., Заборовский В.М., Крутский Ю.Л. №96110828/03, заявлено 29.05.1996, опубл. 27.02.2001. 70. SU, МПК С04В35/68/53.

Размещено на Allbest.ru