Парфенюк А.С., Веретельник С.П., Агеев В.Н., Литвин Е.М.,  Нефедов П.Я.,  Рыбкин И.Ю., Еремин А.Я.,  Шашмурин П.И.

СДВИГОВЫЕ И КОМПРЕССИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ СО СВЯЗУЮЩИМ ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО БРИКЕТИРОВАНИЯ

Koks and Khimia, # 7, pp. 18-22, 1986

Перевод: Коробко Ю.В.

  В работе изложены результаты экспериментальных исследований сдвиговых и компрессионных характеристик угольной шихты с различным связующим для технологии частичного брикетирования шихты перед коксованием.

  Важным фактором повышения спекаемости шихт является их уплотнение перед коксованием [1-3]. Процессы уплотнения на практике могут быть реализованы различными способами. Весьма эффективным является частичное брикетирование шихты перед коксованием [4-7] и производство коксобрикетного топлива [8,9].

  Промышленное распространение указанных способов требует создания современного оборудования для брикетирования, обеспечивающего высокую производительность при оптимальном качестве брикетов, минимуме энергозатрат и металлоёмкости. Очевидно, что правильное решение может быть принято на основе  анализа теоретических и экспериментальных данных о физико-механических угольных шихт со связующим. К показателям, определяющим поведение сыпучих и связующих материалов при механических воздействиях, в первую очередь относятся сдвиговые, прочностные характеристики и параметры  компрессионных кривых, устанавливающих связь между плотностью шихты и налагаемым на неё давлением [10].

  В настоящей работе изложены результаты экспериментальных исследований сдвиговых и компрессионных характеристик угольной шихты с различными связующими для технологии частичного брикетирования шихты перед коксованием.

  Испытывали угольную шихту, содержащую 30 % угля Г 17 Ш. "Распадская" и 70 % угля 2 СС разреза им. 50-ти летия Октября. Исследования, проведённые в ВУХИНе, показали, что такой состав брикетируемой части шихты позволяет использовать для коксования большое количество забалансовых слабоспекающихся углей. Шихту измельчали до 80 % содержания класса < 3% мм. Технический анализ шихты, %:Wⁿ 2,1,A^d 8,9,V^daf 22,7.

 Подготовку шихты и сами исследования проводили в режимах, соответствующих реальным условиям работы брикетной устанвоки опытного завода ВУХИНо. Характеристики приведены в таблице 1. Содержание каждого связующего в шихте для брикетирования составили 0, 4, 8 и 12 %. Для сравнения брикетировали шихту без связующих с такой же влажностью

Таблица 1

Определение сдвиговых характеристик угольной шихты со связующими.

  Общепринятым методом определения сдвиговых характеристик сыпучих и связных материалов являются сдвиговые испытания [11-13], устанавливающую связь между нормальными σ  и касательными  напряжениями τ в плоскости сдвига. Эту связь обычно апроксимируют уравнением , где и- начальное сопротивление сдвигу и коэффициент сдвига и коэффициент внутреннего трения материала. Для получения численных значений величин и- проводят испытания на сдвиговых приборах различных конструкций, учитывающих характеристику исследуемого материала и реальные условия, в которых он находится в производственном процессе. Общий вид кривой предельного равновесия брикетируемых смесей и диапазон давления, при которых проводили определения физико-механических характеристик показанных на рисунке.Участок I соответствует разрыхлённому состоянию угольной шихты при незначительных сжимающих нагрузках (до 0,001 МПа). В этом диапазоне испытания проводили на сдвиговом приборе с подвесной верхней полуматрицей [14] и полученные результаты могут быть использованы при проектировании бункеров, дозаторов, желобов, транспортирующих устройств и т.д.

Участок II соответствует высокой степени уплотнения шихты (давление 5-30 МПа). В этом случае исследования проводили на приборе, смонтированном на базе гидравлического пресса [15]; результаты могут быть полезны при проектировании элементов брикетного оборудования.

  Графическая интерпритация состояния предельного равновесия брикетируемой смеси: I-диапазон давлений при проведении сдвиговых испытаний; II-то же при компрессионных испытаниях; II - то же при сдвиговых испытаниях под давлением

Результаты сдвиговых испытаний представлены в таблице 2, из которых видно, что начальное сопротивление сдвигов при малых давлениях относительно невелико (0,2-0,6 кПа) и близко к величинам для влажных шихт. При увеличении содержания в смеси каменноугольных и нефтяного пеков величина возрастает, что свидетельствует о склонности шихт с этими связующими к зависанию и сводообразованию. Однако абсолютные значения незначительны и поэтому вопросы дозирования и подачи шихты на брикетирование можно решить обычными способами с использованием, при необходимости, различных побудителей истечения или разрыхлителей.

Добавление в шихту средне, низкотемпературного или нефтяного крекингового пеков практически не сказывается на значениях коэффициента внутреннего трения . Значения для смесей с этими связующими при их содержании 8-12 % остаётся таким же, как для сухой шихты без связующего (0,85-0,92). Уменьшение значений сдвиговых характеристик шихты с добавкой мазута, и каменноугольной смолы приводит к снижению до 0,6-0,7. Уменьшения значений сдвиговых характеристик с добавкой мазута и, отчасти, каменноугольной смолы свидетельствует о повышенной сыпучести этих смесей и пониженной когезионной способности указанных связующих. В результате, с одной стороны, улучшается заполнение ячеек и матриц брикетных прессов, а с другой - уменьшается прочность получаемых брикетов.

  Результаты сдвиговых испытаний в диапазоне до 30 МПа подтверждают вышеизложенное. Введение в шихту каменноугольных пеков приводит к увеличению коэффициента внутреннего трения  до 0,4-0,5. В то же время добавление в шихту мазута практически не сказывается на величине коэффициента . Необходимо также отметить уменьшение коэффициента внутреннего трения в диапазоне больших давлений (см. табл. 2).

Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что определяющими факторами, влияющими на величину сдвиговых характеристик, являются свойства и содержание связующего. В то же время, увеличение количества связующего свыше 8 % практически не приводит к улучшению сдвиговых характеристик угольной шихты.

  Очевидно, что при проектировании различного брикетного оборудования не следует ориентироваться на строго определённый вид связующего. Важно обеспечить эффективное функционирование всего комплекса устройств и механизмов на различных видах сырья. Одним из условий решения этой задачи является учет на стадии проектирования неблагоприятных с точки зрения работоспособности и надёжности сочетаний физико-механических характеристик  сырья на всех стадиях переработки, а также нестабильности этих устройств.

  Экспериментальная характеристика считается полностью определённой, если установлено её математическое ожидание, вид и параметры распределения. В практике расчетов обычно ограничиваются оценками математического ожидания и разброса в предложении нормальности распределения экспериментальной величины. Поэтому нами приняты меры в качестве оценки математического ожидания среднеарифметическое значение , а меры нестабильности - коэффициент вариации  - среднеквадратическое отклонение величины х.

В результате обобщения экспериментальных данных, представленных в табл. 2, установлены статистические параметры и для сдвиговых характеристик шихты с содержанием связующего 8 %:

Статистические                                                                                                         параметры	, кПа		, кПа
х	0,46	0,79	0,47	0,36
V	0,37	0,18	0,32	0,25

Эти параметры свидетельствует об удовлетворительной стабильности сдвиговых характеристик, что позволяет использовать их для расчетов брикетного оборудования в виде обобщённых статистических оценок для всех исследованных связующих.         

Компрессионные испытания угольной шихты со связующим

  Наиболее распстранённым путём получения параметров уплотняемости является исследование экспериментальной зависимости между напряжениями и деформациями в яявном или неявном виде (компрессионная кривая) для конкретного материала в условиях, приближённых к реальным, и подбор аппроксимирующей эмпирической формулы, описывающий эту зависимость [12, 13, 16], которая в общем виде выражается уравнением , где - плотность материала, - среднее значение напряжения в рассматриваемой точке; - напряжения во взаимоперпендикулярных плоскостях.

  Наиболее удобной для практического применения является компрессионная зависимость [16] вида , где - плотность сыпучего материала при единичном давлении (в данном случае 1 МПа); n - показатель степени, характеризующий уплотняемость данного материала.

Для практических целей используют понятия коэффициентов уплотнения Ку и упругого расширения Кр: Ку = ,  К =,- плотность материала при конечном давлении уплотнения; - то же при начальном давлении; - то же после упругого расширения.

  Приведенные параметры используют для определения объёма и плотности брикетов или, при обратной постановке задачи, для определения необходимого значения давления уплотнения.

Другой характеристикой сыпучих материалов, проявляющихся при уплотнении, является коэффициент бокового давления, выражающих связь между нормальными напряжениями во взаимоперпендикулярных плоскостях. Его вычисляют по формуле  , где - давление в осевом направлении (по направлению  продольной деформации); - давление в боковом направлении (перпендикулярно деформации).

Использование понятия о коэффициенте бокового давления обусловлено специфическими свойствами сыпучего материала и позволяет во многих случаях упростить применение расчетных формул. Так, выражение для после подстановки значения  принимает вид

Отметим, что для "идеально" сыпучих тел в условии состояния предельного равновесия, которое, например, реализуется при первичном уплотнении, значение коэффициента бокового давления может быть выражено через значение угла внутреннего трения сыпучего материала [11, 12]  

где   - угол внутреннего трения, определяемый при помощи сдвиговых испытаний.

Однако для реальных сыпучих материалов, таких как угольная шихта, использование последнего выражения может привести к большим погрешностям. Поэтому целесообразно использовать эмпирические значения коэффициента бокового давления, полученные в условиях, приближённых к реальным.

Учитывая изложенное, при проведении исследований определения значения коэффициентов , и n.

  Компрессионные испытания проводили на специально разработанном приборе, включающем разрезную матрицу, расположенную между двумя уплотняющими поршнями [16, 17]. В процессе испытаний на шихту, помещаемую в матрицу, накладывали заданные давления и замеряли величину деформации. Для регистрации боковых и осевых давлений была использована тензометрическая аппаратура. Обработку результатов проводили на ЭВМ ЕС-1020.

Исследования проводили в диапазоне 0,01-2,0 МПа. Верхнее значение давления соответствует уровню плотности брикетированной шихты 950-1250 кг/м, при котором практически завершается процесс консолидации брикетируемой смеси.

Результаты компрессионных испытаний:

Следует оговориться, что полученные результаты в полной мере справедливы лишь для малых объёмов матриц, соответствующих объёму ячейки брикетного процесса. Значения насыпной плотности в больших объёмах движущихся шихт могут несколько отличаться.

Прежде всего необходимо обратить внимание на изменение насыпной плотности, что следует учитывать при разработке узлов подачи шихты на прессование. Как видно из вышеприведенных данных, увеличение содержания связующего до 8 % приводит к уменьшению насыпной плотности на 10-15 % по сравнению с сухой шихтой, а для нефтяного крекингового пека даже на 20 %. Этот эффект, по-видимому, связан с повышением коэффициента внутреннего трения, а также адгезионным взаимодействием связующего с поверхностями матриц.

Другим параметром, характеризующим вид компрессионной кривой, является коэффициент   . С увеличением содержания связующего,  брикетируемой шихты повышается только для смеси с мазутом. Плотность шихты с каменноугольной смолой меняется незначительно, а при использовании остальных связующих наблюдается уменьшение  .

Интересными для анализа уплотнения шихты являются данные по коэффициенту уплотнения Ку . Результаты экспериментов свидетельствуют, что лучшей уплотняемостью обладает шихта с мазутом и каменноугольной смолой.

  К аналогичному выводу можно прийти, анализируя зависимость показателя степени  в уравнении для насыпной плотности от количества связующего. В частности, в работе [16] установлена связь показателя n с модулем деформации Е углешихтовых материалов: Е = , где - давление прессования. Это говорит о том, что с увеличением уменьшается n модуль деформации и уменьшается прессуемость смеси. В наибольшей степени это характерно для шихты и каменноугольной смолой: при содержании связующего 8-12 % показатель степени n возрастает в 2-3 раза (по сравнению с шихтой без связующего) и достигает величины 0,04-0,05. При использовании других связующих абсолютные значения этого показателя находится в достаточно узком диапазоне 0,02-0,03.

Особенности шихты с использованием мазута и каменноугольной смолы, выявленные при компрессионных испытаниях, обусловлены (как и при определении сдвиговых характеристик) низкими значениями вязкости и когезионной способности этих связующих.

Количество связующих в шихте мало влияет на изменение коэффициента бокового давления . В частности, увеличение содержания связующего до 4 % приводит к повышению примерно на 0,05-0,10 для всех связующих за исключением мазута. Дальнейшее увеличение доли связующего также не приводит к заметному изменению показателя  . Исключение составляет шихта с нефтяным крекинговым пеком, для которой при 8 % последнего значения коэффициента бокового давления максимально (0,46), а при 12 % - минимально (0,33), а также шихта с мазутом, для которой при 8 % связующего отмечено минимальное значение = 0,26.

Получение результаты позволяют предположить, что с увеличением давления прессования наименьшее давление на стенки матрицы будет при использовании в качестве связующего мазута, а наибольшее - каменноугольных и нефтяных пеков.

Библиографический список

1.Грязнов Н.С. Основы теории коксования. М.: Металлургия 1976., 312с.

2.Скляр М.Г. Интенсификация коксования и качество кокса. М.: Металлургия, 1976., 256с.

3.Веретельник С.П. , Зыков Д.Д., Карпов В.С. и др.- ХТТ, 1987, № 5, с.129-136 с.

4.Тайц Е. М. , Давыдов В.П., Леонова А.С. Угли для коксования и эффективность их использования М.: Недра , 1977. 159 с.

5.Савельев Н.М., Меркуленко Л.С., Беликов В.И. и др.- Труды/ВУХИН. Свердловск: Средне- Уральское  книжное изд.-во, 1966, вып. 6, с. 113-123

6.Сухоруков В.И., Бездверный Г.Н., Копелиович Л.В. и др.- Кокс и химия, 1982, № 5, с. 19-23

7.Васильев Ю.С., Дюканов А.Г., Кафтан Ю.С. и др.- Кокс и химия, 1985, № 6, с. 10-14.

8.Гофтман М.В., Нефедов П.Я.- Кокс и химия, 1964, № 3, с. 31-34

9.Нефедов П.Я., Эстрина В.Л., Рывкин И.Ю.- Труды/ВУХИН. Свердловск: Средне- Уральское  книжное изд.-во, 1965, вып. 5, с. 292-300

10.Равич Б.М. Брикетирование руд. М.: Недра, 1982. 182 с.

11. Лукьяненко П.И. Аппараты с движущимся зернистым слоем. М.: Машинострение, 1974. 187 с.

12.Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. М.: Стройиздат, 1977. 256 с.

13.Зенков Д.Л. Механика насыпных грузов. М.: Машиностроение , 1964. 232 с.

14.А.с. 954059 (СССР)/ Парфенюк А.С., Назаров В.И., Карпов В.С. и др. Опубл. в Б.И., 1982, № 32, с. 144

15. А.с. 845059 (СССР)/ Парфенюк А.С., Назаров В.И., Карпов В.С. и др. Опубл. в Б.И., 1981, № 25, с. 205

16. Веретельник С.П., Зыков Д.Д., Карпов В.С.- Труды/ ВУХИН. М.: Металлургия. 1979, № 8, с. 29-35

17. А.с. 905706 (СССР)/ Парфенюк А.С., Назаров В.И., Калыгин В.Г. и др. Опубл. в Б.И., 1982, № 6, с. 200