|| ДонНТУ
>
Портал
магистров ДонНТУ ||
Рост конкуренции, усиление экологических требований, а также усложнение добычи и предварительной подготовки сырья — эти и другие факторы предъявляют всё более высокие требования к металлургической отрасли Украины. Поэтому совершенствование традиционных и разработка новых технологий является необходимым условием устойчивого развития металлургии. Новые интенсивные технологии и процессы предъявляют не только высокие требования к качеству сырья, но и требуют новые его виды. В условиях усиления дефицита малосернистых коксующихся углей и интенсификации процессов все большее значение будут приобретать комплексные рудно–топливные материалы, а процессы предварительного частичного восстановления все шире будут применяться при подготовке сырья. Традиционные методы окускования сырья агломерацией и окатыванием во многом исчерпали свои резервы и возможности. Так, при существующем техническом уровне сложно получить металлизованный агломерат или прочные окатыши с высоким содержанием свободного углерода. В то же время подобные материалы получают с помощью брикетирования. Однако брикетирование в чёрной металлургии пока ещё не получило должного признания. Доля сырья, окускованного брикетированием, остаётся на уровне 2 % . В основном это брикетированные металлизованные материалы, флюсы и ферросплавы для производства стали. Брикетирование может успешно развиваться в том случае, если оно будет использовано в сфере металлургического производства, где его преимущества особенно очевидны. В первую очередь это относится к утилизации пылевидных отходов [1]. Таким образом, прогресс в области брикетирования и потребность в сырье с новыми свойствами возрождают интерес к брикетированию как методу окускования железорудного сырья.
Основным агрегатом технологического оборудования для производства брикетов является брикетный пресс. Его назначение — получение комплексных рудно–топливных материалов, металлизованного агломерата, прочных окатышей с высоким содержанием свободного углерода [2].
Цель работы — исследование процесса брикетирования и разработка методики расчёта параметров пресса для изготовления брикетов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— проанализировать достоинства и недостатки существующих конструкций брикетных прессов;
— выбрать оптимальное техническое решение;
— спроектировать и изготовить физический аналог усовершенствованного пресса;
— провести лабораторные исследования параметров работы пресса;
— разработать методику расчёта энергосиловых характеристик пресса.
В последние годы задача создания надежных отечественных прессов для брикетирования мелкофракционных сырьевых материалов и промышленных отходов приобретает все большую актуальность. Связано это не только с возросшим интересом к брикетированию, но и с тем, что в Украине и в странах СНГ практически нет опыта проектирования и изготовления валковых брикетных прессов, отсутствуют предприятия, специализирующиеся на их производстве. Незначительное количество валковых прессов отечественного производства, работающих на различных предприятиях, разработано и изготовлено различными неспециализированными предприятиями. В связи с этим отсутствует единый подход к принципам расчета и проектирования прессов и их основных узлов. Недостаточно полный учет свойств шихтовых материалов и особенностей технологии их брикетирования приводит к несоответствию проектных и реальных нагрузок, возникающих в их основных узлах и приводе [2].
В настоящее время существует множество различных конструкций и конфигураций валковых брикетных прессов, что не в малой степени связано с брикетируемым материалом, т.е. сырьём для получения брикетов заданной формы и механических свойств. Институтом черной металлургии НАН Украины (ИЧМ), имеющим значительный опыт в разработке технологии брикетирования различных шихтовых материалов, созданы валковые прессы производительностью от 0,5 до 15 т/ч, конструкция которых обладает простотой, надежностью и удобствами в эксплуатации. Расчет параметров прессов выполнен на основе разработанной в ИЧМ методики, учитывающей физико - механические свойства шихт, условия захвата шихт валками, механизм развития нагрузок в очаге деформации и влияние конфигурации формующих элементов на параметры брикета.
Валковый пресс (рис. 1) представляет собой конструкцию бесстанинного типа и состоит из следующих основных узлов: двух рабочих валков с подушками, загрузочного устройства, устройства прижима валков и предохранения пресса от перегрузки, привода пресса и рамы. Скомпонован пресс с приводом и загрузочным устройством на общей раме.
Рабочие валки (приводной 1 и не приводной 2 установлены в подшипниковых опорах (подушках). Подушки приводного валка неподвижны и жестко закреплены на раме 3. Подушки неприводного валка соединены с рамой шарнирно с помощью пальцев 4 и имеют возможность перемещения при превышении заданного усилия прессования. Подвижные и неподвижные подушки соединены между собой попарно с помощью демпфирующих устройств 5. Демпфирующие устройства представляют собой набор тарельчатых пружин, установленных в цилиндрических корпусах. Предварительной затяжкой пружин устанавливается заданное значение усилия в демпферах, необходимое для уравновешивания распорного усилия, возникающего между валкими в процессе брикетирования шихты. Затяжка пружин производится с помощью гаек 7 и может осуществляться вне пресса. Фиксация гаек выполняется с помощью контргаек и стопорных шайб. Затяжки пружин зависит от усилия прессования и определяется по прилагаемой в паспорте пресса нагрузочной диаграмме. Зазор между рабочими поверхностями валков устанавливается и регулируется гайками 6 на штоках демпферов, охватывающих сухари шарнирных опор неприводного валка. При превышении заданного усилия прессования (усилия предварительной затяжки пружин), в том числе при попадании в межвалковое пространство посторонних предметов, неприводной валок отклоняется и зазор может быть увеличен до 15 мм с восстановлением рабочего зазора после уменьшения усилия.
Валки снабжены сменными кольцевыми бандажами с профилированной рабочей поверхностью. Монтаж и демонтаж бандажей производится с помощью клиновидных колец. Загрузочное устройство 8 состоит из сварной воронки, размещённой в верхней части раствора валков и закрепленной на специальной раме, охватывающей поверхности бандажей. Регулировка подачи материала в межвалковое пространство осуществляется с помощью шибера 9. Загрузочное устройство установлено и закреплено на раме 3. В состав привода входит следующее оборудование: электродвигатель 10, зубчатая цепная передача 11, редуктор 12, синхронизирующая шестеренная передача 13 с полумуфтой 14. От электродвигателя вращающий момент передастся через цепную передачу на быстроходный вал редуктора и далее через полумуфту на приводной вал пресса, который через синхронизирующую шестеренную (с крупным модулем зуба) передачу приводит во вращение неприводной вал. Пресс может быть установлен как на фундаменте, так и на металлоконструкции с возможностью размещения под ним ёмкости для сбора готовой продукции (брикетов) [2].
Подобную конструкцию имеет пресс фирмы «Кепперн» (ФРГ) производительностью по шихте для коксования до 90 т/ч (рис. 2), однако ему присущи и некоторые отличия.
Взамен многочисленных болтовых соединений, на которых осуществлялась сборка станин, применены соединения на штифтах, диаметр валков достигает 1400 мм, для перемещения боковых стоек используется гидросистема с цилиндрами, которые расположены в основании станины между боковыми стойками, синхронизирующая открытая зубчатая передача расположена посредине бочки валка. Традиционная форма станины имеет U–образную форму нижней части. Линия разъема проходит по линии центров валковых блоков пресса. Такая конструкция обеспечивает жесткость и прочность станины, но замена в ней изношенных валковых блоков сопряжена со значительными затратами времени [3].
Валковый брикетный пресс для окускования материалов с низкой насыпной массой создан в ДонНИИчермете. Опытный образец пресса изготовлен совместно с Магнитогорским металлургическим комбинатом и испытан при окусковании активной извести мелких фракций. Пресс БПЭ-4М (БПО–600) имеет станину с откидывающимися в одну сторону боковыми стойками (рис.3). Диаметр валков данного пресса 600 мм с зубчато–желобковым профилем. Производительность по готовым брикетам до 3 м.куб./час [3].
В литературе известны технические и конструктивные решения валковых прессов для брикетирования, реализующие принцип многоступенчатого уплотнения. На рис. 4 представлена схема многовалкового пресса для брикетирования угля [5]. Мелкодисперсный материал поступает через загрузочную воронку 1, распределительное устройство 2 и равномерным слоем заполняет желоб вращающегося прессующего валка 3, поступая сначала под гладкие приводные прессующие валки 4, затем под профильный прессующий валок 5. По мере продвижения материала под прессующими валками 4 степень обжатия ленты увеличивается до заданных параметров, а под профильным, прессующим валком 5 лента предварительно профилируется. Посредством съемника 9 лента отделяется от прессующего валка 3 и по направляющим валкам 8 поступает к прессующим валкам 6, где окончательно профилируется. В них происходит формование профильных лент, которые принудительно снимаются с канавок валков съемниками и направляются в зубчатые валки 7, в которых лента разделяется на отдельные брикеты. Далее они направляются перекидным клапаном 10 в воронку для брикетов.
Еще одна конструкция валкового пресса с многоступенчатым уплотнением представлена на рис. 5.
Мелкодисперсный материал формируется вдоль рабочей поверхности валка 7 и предварительно уплотняется валком 1 с выступами 6. Дальнейшее прессование материала осуществляется валками 2, 3 и валками 4, 5. Выступы 8 на основании матрицы образуют углубления в брикетно ленте, что облегчает ее разделение на отдельные брикеты. Извлечение из матрицы спрессованного материала осуществляется как за счет выталкивающей составляющей сил упругого расширения, действующих в криволинейной зоне, так и вилочным ножом 9. Извлеченные из матрицы брикеты проталкиваются в выдающий лоток 10.
Работа пресса осуществляется следующим образом. Сыпучий материал питателем–дозатором 5 подается в пространство между уплотняющими валками 3, 4, поверхность которых имеет гладкую форму. В зависимости от угла поворота валков, материал, вовлекающийся в очаг деформации, из исходного порошкообразного состояния на линии центров валков превращается в компактную ленту [6].
Схема валкового пресса, представленная на рис. 6, является усовершенствованием известного двухвалкового пресса [7].
За счет подпора и сил внешнего трения лента по направляющим 6 вовлекается в очаг деформации второй стадии в валки 1, 3. Далее лента по направляющим 7 перемещается в зону прессования между валками 1 и 2, в которой лента окусковывается до состояния брикета.
Несмотря на перспективность имеющихся разработок, в том числе и приведенных выше, следует отметить, что широкого внедрения в практике брикетирования конструкции прессов с многоступенчатым уплотнением не получили. Вызвано это, прежде всего, недостаточной изученностью механизма постадийного деформирования шихт. Теория процесса брикетирования при такой схеме очага деформации не разработана, отсутствует методика расчета основных технологических, силовых и конструктивных параметров процесса и оборудования, невозможно спрогнозировать результат [8].
В последнее время в конструировании валковых брикетных прессов основным направлением является совершенствование их компоновки и создание блочной конструкции, обеспечивающей резкое сокращение продолжительности простоев брикетных установок при замене вышедших из строя деталей и узлов, проведении профилактических осмотров, связанных с частичной разборкой брикетной установки или пресса.
Проанализировав существующие конструкции двухвалковых прессов, и исключив большинство недостатков, была разработана усовершенствованная конструкция пресса. (Для проведения исследований и получения зависимости крутящего момента от распорного усилия при прессовании была несколько видоизменена конструкция привода валков).
Пресс включает рабочую клеть (рис.7), состоящую из двух станин 1 открытого типа, связанных между собой крышкой 5.
Внутри клети размещены два валка 3, установленные в подшипниковых опорах 4, корпуса которых имеют возможность относительного перемещения вдоль направляющих станин.
На цилиндрической поверхности каждого из валков в средней её части выполнены ячейки 2, при смыкании которых, при синхронном вращении валков, кратковременно образуются полости для формирования брикетов. Синхронизация вращения валков обеспечена зубчатыми колёсами 6, установленными вблизи одной из подшипниковых опор и находящимися в зацеплении. Опора одного из валков зафиксирована относительно станин, и он снабжен цапфой для передачи крутящего момента, т.е. является ведущим. Его вращение осуществляет привод, состоящий из электродвигателя 9, быстроходного двухступенчатого коническо - цилиндрического редуктора 8 и тихоходного червячного редуктора 7.
Для прижатия ведомого валка к ведущему пресс оборудован гидравлической системой, в состав которой входит напорный 13 и силовой цилиндры 12, связанные между собой трубкой. Рабочее давление жидкости в рабочем цилиндре создаётся комплектом грузов 15, воздействующих через рычаг 14 на его шток. Шток силового цилиндра 11 через траверсу 10 воздействует на стержни 16, установленные в канал крышки и свободными концами упираются в подушки подшипниковых опор ведомого валка. Гидравлическая система не только позволяет регулировать силу прижатия валков за счёт изменения количества (массы) навешиваемых на рычаг грузов, но и предотвращает выход из строя зубчатых колёс в случае попадания между валками посторонних предметов, поскольку даёт возможность при возникновении опасных распорных усилий разомкнуть зубчатое зацепление.
Пресс снабжён также устройством предварительной подпрессовки исходного материала брикетов. Данное устройство размещено на клети и состоит из приёмного бункера 17, имеющего форму усечённого конуса и соосно установленного над валками в зоне смыкания их ячеек. Внутри бункера в нижней его части на вертикальном валу закреплён шнек 18, имеющий коническую форму. Вращение вала со шнеком обеспечивает привод, который состоит из червячного мотор - редуктора 20 и тихоходного двухступенчатого коническо–цилиндрического редуктора 19.
Для контроля энергосиловых параметров привода пресса между валами его быстроходного и тихоходного редуктора вместо обычной муфты устанавливается специальная, снабжённая тензоризисторным преобразователем, включённым в измерительную систему, позволяющую в режиме реального времени фиксировать передаваемый крутящий момент. На траверсе, распределяющей усилие между нажимными стержнями, прижимающими подушки подшипниковых опор ведомого валка, также закреплён тензометрический преобразователь, входящий в контрольно–измерительную систему и фиксирующий суммарное усилие, развиваемое силовым гидроцилиндром. При одновременной записи сигналов, поступающих с обоих преобразователей, можно получить объективную информацию о зависимости крутящего момента, развиваемого приводом пресса во время формообразования брикетов, и распорным усилием, действующим на оба валка.
Расчёт основных параметров и сил, действующих в процессе работы пресса, был произведён по приближённой методике [4]. С помощью компьютерной программы КОМПАС 3D была изготовлена трёхмерная модель установки (рис. 8).
На основании чертежей, полученных с помощью трёхмерной модели и расчетов основных энергосиловых параметров, была сконструирована и изготовлена физическая лабораторная модель двухвалкового пресса для брикетирования вторичных материалов (рис.9).
Техническая характеристика лабораторного двухвалкового пресса:
— брикетируемый материал — мелкая фракция каменноугольной пыли;
— производительность пресса 110 кг/ч;
— масса брикета 0,02 кг;
— усилие при прессовании 2300 H;
— мощность привода валков 120 Вт ;
— мощность привода подпрессовщика 30 Вт.
При написании данного реферата магистерская работа еще не была завершена, а лишь подготовлена лабораторная установка к экспериментальным исследованиям. Окончательное завершение: 31 января 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
© Старостин А.С., ДонНТУ 2011